智能設(shè)備設(shè)計理念及其在小型醫(yī)療、可穿戴與娛樂設(shè)備中的開發(fā)應(yīng)用

隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品的體積越來越小，并被賦予更多智能功能，與網(wǎng)絡(luò)連接也成為基本功能，像是小型藍牙醫(yī)療保健設(shè)備與可穿戴設(shè)備、智能娛樂設(shè)備和增強現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）解決方案等產(chǎn)品，已經(jīng)逐步改變?nèi)祟惖纳顦用?。本文將為您介紹設(shè)計這類電子產(chǎn)品的設(shè)計概念，以及由SiliconLabs（芯科科技）所推出相關(guān)解決方案的產(chǎn)品特性。

設(shè)計更智能、更小巧的藍牙醫(yī)療保健和可穿戴設(shè)備

想要構(gòu)建外形小巧且要求嚴(yán)格的藍牙醫(yī)療保健設(shè)備，不僅僅是從市場上挑選最小的硬件組件，您還可以通過優(yōu)化物料表（BOM）來減小產(chǎn)品尺寸，使用集成的藍牙SoC和模塊，并包括醫(yī)療保健應(yīng)用中所需的各種外圍功能和特性，可以節(jié)省大量PCB尺寸，提高設(shè)計靈活性，并降低成本。

想要設(shè)計藍牙醫(yī)療保健設(shè)備，可以通過以下幾個設(shè)計概念，來加速產(chǎn)品的開發(fā)與集成更多的功能。首先，藍牙醫(yī)療保健設(shè)備可采用集成式AI/ML加速器，來增進設(shè)備的智能控制功能，通過機器學(xué)習(xí)（ML）可允許根據(jù)現(xiàn)有模型處理大量傳感器數(shù)據(jù)，以識別異常情況，并確定需要將哪些數(shù)據(jù)傳輸回云。如今的無線設(shè)備可將所有收集到的數(shù)據(jù)傳輸回云進行處理和分析。通過識別設(shè)備上的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，只需要傳輸回某些數(shù)據(jù)子集，將可節(jié)省寶貴的資源并延長電池壽命。

人工智能（AI）也可以用于原居安老等應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，監(jiān)測生命體征、查看數(shù)據(jù)變化、觀察步態(tài)等，以及通常識別非正常模式，可以為提供者提供關(guān)鍵的診斷數(shù)據(jù)，并向護理人員和親人觸發(fā)救生警報，從而大大改善、甚至挽救患者的生命。

此外，這些產(chǎn)品需要集成更多的模擬外圍器件，像是ADC可用于許多無線醫(yī)療保健設(shè)備和可穿戴設(shè)備，以實現(xiàn)傳感器測量和電池電源監(jiān)控。對于采用基于分離模擬前端（AFE）解決方案的連續(xù)血糖監(jiān)測（CGM）和其他便攜式醫(yī)療保健設(shè)備制造商而言，ADC和DAC是可在芯片上使用的兩種關(guān)鍵功能。

低功耗以提高能源效率和電池壽命

DC-DC轉(zhuǎn)換器則是電池供電醫(yī)療保健設(shè)備的一項重要功能，升壓轉(zhuǎn)換器允許SoC使用堿性和氧化銀等低壓電池，輸入范圍為0.8至1.7 V，使藍牙SoC能夠在較低的電源電壓下工作。降壓轉(zhuǎn)換器允許SoC使用其他的3V電池，例如鋰鈕扣電池，它用于提高能源效率和電池壽命或減小電池尺寸。

為了預(yù)測和防止在關(guān)鍵健康應(yīng)用的使用過程中出現(xiàn)意外電池耗盡，庫侖計數(shù)器這種電荷計量器可準(zhǔn)確跟蹤電池電量，以增強用戶的安全和體驗。此外，低頻RC振蕩器也是藍牙低功耗（LE）2.4 GHz應(yīng)用的關(guān)鍵器件，藍牙低功耗SoC需要滿足±500 ppm的指定睡眠時鐘精度。

由于醫(yī)療保健設(shè)備和可穿戴設(shè)備使用的功率級別較低，這意味著在匹配網(wǎng)絡(luò)時，需要減少設(shè)計中的PCB層和器件數(shù)量，同時保持可接受的射頻（RF）性能，并將藍牙設(shè)備的功耗降至最低，使設(shè)備制造商能夠減小設(shè)備外形尺寸。

全球AR/VR設(shè)備市場前景看好

目前的消費者越來越以家庭為中心——工作、教育、醫(yī)療保健、購物和娛樂必須能夠在家中進行，憑借AR/VR技術(shù)，真實世界和數(shù)字世界的界限也在相互交織。您可以戴上AR/VR頭戴式顯示器（HMD），拿起一對手持控制器，真正地沉浸在3D游戲或電影中。或者您可以直接在家中進入一個逼真的虛擬購物中心，試穿新衣服，或者查看新沙發(fā)的外觀。AR/VR應(yīng)用可以增強消費者體驗，使我們的生活更加高效，而到2027年，全球AR/VR設(shè)備市場中AR/VR應(yīng)用的復(fù)合年增長率（CAGR）預(yù)計將達到26%。

可穿戴AR/VR設(shè)備帶來了獨特的無線設(shè)計挑戰(zhàn)，它們必須非常節(jié)能，以最大限度地延長電池壽命和充電間隔，并盡可能減少電池重量，同時處理高帶寬視頻以帶來自然的視覺體驗。VR控制器和HMD之間的延遲至關(guān)重要，其必須以最小的延遲進行通信，以便對手勢和動作做出及時響應(yīng)。

AR和VR應(yīng)用有三個關(guān)鍵無線要求：低功耗、低延遲和穩(wěn)定的連接。其中的能效對于改善VR控制器、智能眼鏡和AR/VR頭戴設(shè)備等電池供電和可充電設(shè)備的用戶體驗至關(guān)重要。此外，安全是聯(lián)網(wǎng)設(shè)備用戶最關(guān)心的問題之一，HMD和VR控制器都可以成為家庭網(wǎng)絡(luò)遭受惡意攻擊的大門。

Silicon Labs針對藍牙無線連接與控制應(yīng)用，推出了多款的SoC與模塊，以下將為您介紹一些代表產(chǎn)品的功能與特性。

EFR32BG22系列2藍牙低功耗SoC是一款具有行業(yè)前沿的能效和接收器（RX）靈敏度的SoC，適用于節(jié)能型智能娛樂設(shè)備。這款SoC僅有4 x 4 mm的小尺寸，并支持Secure Vault安全功能。EFR32BG22和EFR32BG22E藍牙低功耗無線SoC解決方案是Wireless Gecko Series 2平臺的一部分。這些器件的設(shè)計高度注重能源效率，提供一流的超低傳輸功率和接收功率，高性能、低功耗ArmCortex -M33內(nèi)核提供業(yè)界領(lǐng)先的能源效率，可將鈕扣電池壽命延長長達十年。

Silicon Labs的BG22能夠協(xié)助創(chuàng)建節(jié)能應(yīng)用，而BG22E（“E”表示節(jié)能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設(shè)計，進一步增強了節(jié)能優(yōu)勢。BG22和BG22E系列是適用于環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)或能量收集設(shè)備的市場領(lǐng)先的理想SoC，目標(biāo)應(yīng)用包括藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點、智能門鎖、個人醫(yī)療保健和健身設(shè)備。

EFR32BG27系列2藍牙低功耗SoC則是采用WLCSP（2.3 x 2.6 mm）和QFN封裝的緊湊型超低功耗SoC，支持高性能藍牙低功耗。DCDC升壓可實現(xiàn)寬電壓范圍，庫侖計數(shù)器可準(zhǔn)確跟蹤電池電量，支持PSA 2級安全性。EFR32BG27系列無線SoC使用鈕扣電池即可運行，從而開創(chuàng)了新的可能性。現(xiàn)在，設(shè)備制造商可以在不犧牲性能和安全性的情況下，滿足極小封裝應(yīng)用的需求。

BG27藍牙SoC集成DCDC升壓功能，可在低至0.8伏的電壓下工作，支持單節(jié)堿性和1.5伏鈕扣電池。此外，BG27的喚醒引腳可使倉庫或運輸途中的產(chǎn)品數(shù)月保持關(guān)閉狀態(tài)，功耗不到20 nA，確保電池保持電量可供使用。集成式庫侖計數(shù)器能夠精確監(jiān)控電池電量，避免關(guān)鍵應(yīng)用出現(xiàn)意外電池耗盡。目標(biāo)應(yīng)用包括互聯(lián)醫(yī)療保健設(shè)備、可穿戴設(shè)備、傳感器、開關(guān)、智能門鎖以及商用和LED照明。

EFR32BG24系列2藍牙低功耗SoC -EFR32BG24是具有高性能無線和低功耗SoC，適用于電池高效型智能可穿戴設(shè)備，具有集成AI/ML加速器和獲得最高PSA 3級認(rèn)證的Secure Vault安全功能。EFR32BG24無線SoC是使用藍牙低功耗和藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)無線連接的理想選擇，適用于智能家居、照明和便攜式醫(yī)療保健產(chǎn)品。

EFR32BG24憑借高性能2.4 GHz RF、低電流消耗、AI/ML硬件加速器和Secure Vault等關(guān)鍵功能，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商可以創(chuàng)建智能、穩(wěn)健、節(jié)能的產(chǎn)品，避免遠程和本地網(wǎng)絡(luò)攻擊。ARMCortex -M33運行高達78 MHz，具有1.5 MB的閃存和256kB的RAM，可為要求苛刻的應(yīng)用提供資源，同時為未來增長留出空間。目標(biāo)應(yīng)用包括網(wǎng)關(guān)／集線器、傳感器、開關(guān)、門鎖、智能插頭、LED照明、燈具、血糖儀和脈搏血氧計。

滿足超低功耗物聯(lián)網(wǎng)無線設(shè)備需求的解決方案

EFR32FG22（FG22）系列2專有無線2.4 GhzSoC是具有行業(yè)前沿的能效和接收器（RX）靈敏度的SoC，適用于節(jié)能型智能娛樂設(shè)備，僅有4 x 4 mm的小尺寸和支持Secure Vault安全功能。EFR32FG22和EFR32FG22E專有無線2.4 GhzSoC解決方案是Wireless Gecko Series 2平臺的一部分。

FG22 SoC將38.4MHz Arm Cortex-M33內(nèi)核與TrustZone以及接收靈敏度達-102.3dBm的高性能無線電集成在一起。FG22讓您能夠創(chuàng)建節(jié)能應(yīng)用，而FG22E（“E”表示節(jié)能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設(shè)計，進一步增強了節(jié)能優(yōu)勢。這款SoC將超低傳輸和接收功率（+6 dBm下為8.2 mA TX，3.6 mA RX）、1.2 μA深度睡眠模式功率，以及諸如RFSense之類創(chuàng)新低功耗功能組合在一起，提供業(yè)界領(lǐng)先的能源效率，可延長電池有限或能量收集選項的產(chǎn)品的運行壽命。

Silicon Labs RS9116無線模塊則是帶集成天線的超低功耗RF認(rèn)證Wi-Fi 4 SiP模塊（802.11 b/g/n），支持藍牙低功耗、經(jīng)典藍牙（BluetoothClassic）和安全網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，具有4.63 x 7.90 x 0.9 mm的緊湊尺寸。RS9116無線模塊是單波段和雙波段模塊，可提供全面的多協(xié)議無線連接解決方案，包括Wi-Fi和雙模藍牙5。無線模塊具有功率優(yōu)化性能，可提供高數(shù)據(jù)吞吐量和擴展的范圍，無線模塊并已通過FCC、IC和ETSI/CE認(rèn)證。

SiWx917 Wi-Fi 6和藍牙低功耗5.4無線SoC是一款支持低功耗Wi-Fi 6與藍牙低功耗的SoC，適用于需要節(jié)能的智能設(shè)備，內(nèi)置高達8 MB的閃存和外部PSRAM。SiWx917 SoC是SiliconLabs功耗最低的Wi-Fi 6 SoC，是使用Wi-Fi、藍牙、Matter和IP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)安全云連接的超低功耗物聯(lián)網(wǎng)無線設(shè)備的理想之選，非常適合于開發(fā)需由使用時間較長的電池供電的設(shè)備。

SiWx917 SoC包括超低功耗Wi-Fi 6及藍牙低功耗5.4無線CPU子系統(tǒng)，以及集成微控制器（MCU）應(yīng)用子系統(tǒng)、安全功能、外圍器件和電源管理子系統(tǒng)，所有這些都集成在一個尺寸為7 x 7 mm的QFN封裝中。無線子系統(tǒng)由運行速度高達160 MHz的多線程處理器、基帶數(shù)字信號處理、模擬前端、2.4 GHz RF收發(fā)器和集成功率放大器組成。

SiWx917的應(yīng)用子系統(tǒng)由運行頻率高達180 MHz的ARMCortex-M4F、嵌入式SRAM、閃存和傳感器集線器組成。ARM Cortex-M4F專門用于外圍器件和應(yīng)用相關(guān)處理，而網(wǎng)絡(luò)無線處理器在獨立線程上運行無線和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，因此可提供完全集成的解決方案，可直接用于各種嵌入式無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。目標(biāo)應(yīng)用場景包括智能家居、消費者健康和可穿戴設(shè)備、醫(yī)療保健、工業(yè)、零售、智能建筑和城市、資產(chǎn)跟蹤。

結(jié)語

在當(dāng)前快速變遷的科技環(huán)境中，開發(fā)智能設(shè)備不僅僅是技術(shù)創(chuàng)新，更是滿足用戶需求與提升生活質(zhì)量的重要途徑。在設(shè)計智能設(shè)備的過程中，設(shè)計者可通過運用先進的傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析與人工智能等現(xiàn)代科技，智能設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、更智能的互動方式，為用戶帶來更加便利和舒適的生活體驗。SiliconLabs擁有完整的產(chǎn)品解決方案與技術(shù)支持服務(wù)，將是您開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的最佳合作伙伴之一。