作者：賽普拉斯半導(dǎo)體公司

 

可穿戴技術(shù)受到了用戶的追捧，因為這些設(shè)備有助于分析人們的日常活動，并可通過一種直觀的方式交換信息，極大改善我們的生活方式，給我們帶來便利。市場上有各種各樣的可穿戴電子設(shè)備，較有名的是智能手表、活動監(jiān)測器和健身手環(huán)。這些高度便攜式設(shè)備被戴在用戶身上，或以其它方式附著在人身上，能夠通過一個或多個傳感器測量和捕獲信息（參見圖1）。

 

圖1：一個典型的可穿戴設(shè)備能夠整合用戶數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)，它與一個外部設(shè)備配合工作，分析并向用戶顯示信息。

 

設(shè)備感測到的人體數(shù)據(jù) 血壓血糖、血流速度、EEG信號、流汗量（GSR）、呼吸、皮膚溫度、肌肉收縮（EMG）、新陳代謝、壓力、活動/運(yùn)動/方位、組織生長、骨導(dǎo)音頻	Body Data Sensed by Device Blood pressure, blood glucose, blood flow rate, EEG signal, perspiration (GSR), respiration, skin temperature, muscle contraction (EMG), metabolism, pressure, activity/motion/orientation, tissue growth, bone conducted audio
外部信號	External signals
設(shè)備捕獲的外部數(shù)據(jù) 圖像、視頻、高度、位置、環(huán)境光線、近距、太陽能、動能、語音輸入、FM/WI-FI/BT/GSM信號	External data captured by device Images, video, altitude, location, ambient light, proximity, solar energy, kinetic energy, voice inputs, FM/WI-FI/BT/GSM signal
數(shù)據(jù)	Data
可穿戴設(shè)備	Wearable device
數(shù)據(jù)控制	Data control
信息	Information
用戶	User
外部設(shè)備	External device
用戶消費(fèi)的數(shù)據(jù) 活動/傳感器指標(biāo)、處理后的數(shù)據(jù)和圖案、呼叫/文本信息、提醒、音樂、時間	Data that is consumed by user Activity/sensor metrics, processed data & patterns, phone call/texts info, reminders, music, time

 

 

這些設(shè)備持續(xù)監(jiān)測用戶的活動，即使他們在睡覺時也不例外。它們運(yùn)行各種復(fù)雜的算法，以提取有意義的信息。例如：佩戴者的睡眠情況，并通過一種直觀的方式和無線接口向用戶顯示監(jiān)測結(jié)果。由于這些設(shè)備提供有可能改變用戶活動的重要信息，它們必需做到可靠、精確。此外，為了盡量延長電池續(xù)航時間，它們還應(yīng)該盡可能的高效。

 

可穿戴設(shè)備通常內(nèi)置一個或多個傳感器、存儲器件、連接器件（射頻控制器）、一個顯示屏和一塊電池（參見圖2）。除了具備較高的功能性、可靠性和能效之外，可穿戴設(shè)備還應(yīng)該小巧、輕便和便宜，并能夠支持各種不同的通信模式。

 

圖2：一個可穿戴設(shè)備的框圖，圖中顯示了MCU、傳感器、閃存、電池及電源管理器件、連接子系統(tǒng)和顯示器。

Cortex M3 CPU	Cortex M3 CPU
三軸加速計	3-axis accelerator
串行閃存	Serial flash
顯示驅(qū)動器	Display driver
電池充電控制器	Batt. Charger controller
電池	Battery
低功耗穩(wěn)壓器	Low power regulator
射頻控制器	Radio controller
平衡—不平衡網(wǎng)絡(luò)	Balun network
射頻匹配網(wǎng)絡(luò)	RF matching network

 

 

 

市場上現(xiàn)有的通信協(xié)議包括ZigBee、Wi-Fi、經(jīng)典藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以及芯片廠商制定的各種專有協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在設(shè)計時沒有將低功耗視為一個重要特性，因此，很長時間一來，大多數(shù)OE廠商選擇在他們的低功耗產(chǎn)品中使用專有協(xié)議。但是，使用這些專有協(xié)議造成了很多互操作性限制，并降低了設(shè)計的靈活性。

 

為了消除這些局限性，并打造一個互操作環(huán)境，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）推出了一個新的藍(lán)牙版本－藍(lán)牙智能，它是一個旨在以較低功耗實現(xiàn)短程通信的無線標(biāo)準(zhǔn)。

 

藍(lán)牙智能的優(yōu)勢

與經(jīng)典藍(lán)牙協(xié)議一樣，藍(lán)牙智能協(xié)議工作于2.4 GHz ISM頻段，帶寬為1 Mbps。但與經(jīng)典藍(lán)牙協(xié)議不同的是，藍(lán)牙智能協(xié)議還提供眾多適合低功耗可穿戴應(yīng)用的特性。它的數(shù)據(jù)速率較低，這非常適合那些只需交換狀態(tài)信息的應(yīng)用。該協(xié)議經(jīng)過優(yōu)化，能夠以固定時間間隔傳送少量突發(fā)信息，從而讓主機(jī)能夠在傳送信息的同時保持超低功耗模式。此外，它還能將建立數(shù)據(jù)交換連接的時間縮短至幾個毫秒。

 

藍(lán)牙智能架構(gòu)的每一層都為降低功耗而優(yōu)化。例如，與經(jīng)典藍(lán)牙協(xié)議相比，它使用一個較大的物理層調(diào)制指數(shù)，后者有助于降低收發(fā)電流。鏈路層也為快速重連而優(yōu)化，從而降低了功耗。控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行各種重要任務(wù)，例如：建立連接和忽略重復(fù)包，因此讓主機(jī)能夠更長地保持低功耗模式。

 

藍(lán)牙智能協(xié)議擁有一個與經(jīng)典藍(lán)牙協(xié)議類似的可靠架構(gòu)，并支持自適應(yīng)跳頻和32位CRC校驗。此外，它還支持一種名為“廣播模式“的特殊模式，該模式可讓設(shè)備無需執(zhí)行連接程序也能傳送信息。

 

藍(lán)牙智能協(xié)議非常適合可穿戴設(shè)備，原因如下：

 

• 該協(xié)議專為實現(xiàn)超低功耗而優(yōu)化；
• 低功耗設(shè)計有助于縮減電池尺寸，從而消減產(chǎn)品的成本、尺寸和重量；
• 支持那些以較長時間間隔交換少量突發(fā)信息的可穿戴設(shè)備；
• 便于推廣，因為智能手機(jī)中內(nèi)置支持藍(lán)牙智能的主機(jī)（支持經(jīng)典藍(lán)牙和藍(lán)牙智能協(xié)議的雙模設(shè)備）。這與專有協(xié)議形成鮮明對比，后者需要廠商付出額外努力才能確保連接性。

可穿戴設(shè)備的一個典型使用模式為設(shè)備進(jìn)入超低功耗或待機(jī)模式提供了多個機(jī)遇（參見圖3）。

 

圖3：活動監(jiān)測器等可穿戴設(shè)備的正常使用模式為設(shè)備進(jìn)入超低功耗甚至待機(jī)模式提供了多個機(jī)遇。

 

電流	Current
睡眠監(jiān)測	Sleep monitor
晨跑	Morning jog
設(shè)備關(guān)機(jī)	Device off
中午騎車	Noon cycling
一天中的時間	Time in a day

 

 

即使在活動期間，可穿戴設(shè)備也不必連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。無論是三軸加速計測量的運(yùn)動數(shù)據(jù)，還是傳感器感測的心率，數(shù)據(jù)都是周期性傳送，通常是每個連接間隔傳送一次。正常的程序是感測數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然后通過藍(lán)牙智能連接發(fā)送數(shù)據(jù)。其余時間內(nèi)，系統(tǒng)都處在深度睡眠模式。請注意，現(xiàn)有的大多數(shù)芯片解決方案提供多種功耗模式，可在給定的功耗模式下在電流消耗和喚醒時間之間進(jìn)行權(quán)衡。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的時間要求選擇不同的模式。

 

必須注意的是，通信協(xié)議只是可穿戴設(shè)計的一個方面。除了通信接口之外，可穿戴設(shè)備還包含傳感器、一個用于處理傳感器信號的模擬前端（AFE）、一個用于過濾環(huán)境噪聲的數(shù)字信號處理器、用于存儲信息的存儲器件、一個用于實現(xiàn)多種系統(tǒng)相關(guān)功能的處理器、一個電池充電器等多個其它模塊。設(shè)計系統(tǒng)時，我們需要所有這些組件實現(xiàn)較低功耗。

 

光學(xué)心率監(jiān)測

讓我們以一款可監(jiān)測心率的手環(huán)為例（參見圖4）。光學(xué)心率監(jiān)測器的工作原理是光電容積脈搏波（PPG）技術(shù)，它通過處理血容量的變化生成心率數(shù)據(jù)。該技術(shù)使用一個LED照亮人體組織，并使用一個光電二極管測量反射信號，后者包含血容量變化的信息。一個跨阻放大器（TIA）將光電流轉(zhuǎn)換為電壓，該電壓然后被一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這個數(shù)字信號然后在手環(huán)處理器的固件中被處理，以去除直流偏移和高頻噪聲，從而檢測出心率；此外，還可以使用有源濾波器在模擬域中進(jìn)行過濾。

 

圖4：手環(huán)心率監(jiān)測器分析傳感器處的血容量變化導(dǎo)致的光信號的變化。一個光電二極管讀取反射信號，一個跨阻放大器將光電流轉(zhuǎn)換為電壓。模擬信號必需被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后經(jīng)過過濾，才能獲得心率數(shù)據(jù)。

 

電池充電控制器	Battery charger controller
低功耗穩(wěn)壓器	Lower power regulator
BLE控制器	BLE controller
顯示器	Display
巴倫和射頻匹配網(wǎng)絡(luò)	Balun& RF matching network

 

 

完成數(shù)據(jù)分析后，設(shè)備使用一條藍(lán)牙鏈路將心率數(shù)據(jù)發(fā)送到手環(huán)或支持藍(lán)牙智能協(xié)議的設(shè)備上的藍(lán)牙智能控制器。在某些光學(xué)心率監(jiān)測器中，可穿戴設(shè)備使用一個單獨的控制器處理心率數(shù)據(jù)，該控制器通過I²C/SPI/IART協(xié)議與主處理器通信。

 

在這些系統(tǒng)中，多個離散組件的使用不僅在電兼容和測試方面增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且還增加了功耗（因為缺乏對不使用時的AFE的控制）、BOM成本和PCB的尺寸。

 

為了解決這些問題，多家廠商推出了基于片上系統(tǒng)（SoC）架構(gòu)的設(shè)備。這些設(shè)備不僅內(nèi)置一個控制器，而且還包含可用于實現(xiàn)大多數(shù)基本AFE和數(shù)字功能的模擬和數(shù)字系統(tǒng)。其中一款控制器就是基于賽普拉斯可編程片上系統(tǒng)（PSoC）架構(gòu)的PSoC 4 BLE。該款SoC專為可穿戴市場而設(shè)計，包含一個8-MHz ARM^®Cortex^®M0 CPU、眾多可配置模擬和數(shù)字資源和一個內(nèi)置的藍(lán)牙智能子系統(tǒng)（參見圖5）。

 

圖5：PSoC 4 BLE在一個封裝中內(nèi)置了處理器、存儲器件、連接器件、電源管理器件以及模擬和數(shù)字資源。

 

32 位	32 bit
Cpu和內(nèi)存	CPU & memory
讀取加速計	Read accelerator
SRAM控制器	SRAM controller
ROM控制器	ROM controller
系統(tǒng)互連（單層AHB）	System interconnected (Single layer AHB)
系統(tǒng)資源	System resources
電源	Power
睡眠控制	Sleep control
時鐘	Clock
時鐘控制	Clock control
復(fù)位	Reset
復(fù)位控制	Reset control
測試	Test
DFT邏輯	DFT Logic
DFT模擬	DFT analog
活動/睡眠	Active/sleep
深度睡眠	Deep sleep
休眠	Hibernate
外設(shè)	Peripherals
外設(shè)互連(MMIO)	Peripheral interconnect (MMIO)
可編程模擬	Programmable analog
可編程數(shù)字	Programmable digital
高速I/O矩陣	High speed I/O matrix
IO子系統(tǒng)	IO subsystem
端口接口與數(shù)字系統(tǒng)互連（DSI）	Port interface & Digital system interface (DSI)
藍(lán)牙低能耗子系統(tǒng)	Bluetooth low energy subsystem
Ble基帶外設(shè)	Ble baseband peripheral
IO：天線，電源，石英振蕩器	IO: Antenna/power/crystal

 

 

在模擬前端，該器件配有4個未配置的運(yùn)算放大器、2個低功耗比較器、1個高速SAR ADC和一個面向用戶接口應(yīng)用的專用電容式感應(yīng)模塊。在數(shù)字方面，它配有2個可用于實現(xiàn)I²C/UART/SPI協(xié)議的串行通信模塊（SCB）、4個16位硬件定時器計數(shù)器PWM（TCPWM）和4個可用于在硬件中實現(xiàn)數(shù)字邏輯（如同FPGA）的通用數(shù)字模塊（UDB）。

 

為了展示SoC架構(gòu)的優(yōu)勢，讓我們看一看圖4所示的心率監(jiān)測器使用PSoC 4 BLE后發(fā)生了哪些變化（參見圖6）。在這個版本中，SoC使用其內(nèi)部資源實現(xiàn)了所有功能。在該控制器以外，只需要幾個無源組件和一個用于驅(qū)動LED、隸屬于射頻匹配網(wǎng)絡(luò)的晶體管。這種集成架構(gòu)消減了BOM成本和PCB尺寸，同時還能讓設(shè)計人員控制AFE的功耗。

 

圖6：手環(huán)心率檢測器的SoC架構(gòu)消減了設(shè)計的尺寸、BOM成本和復(fù)雜程度。

充電PWM	Charging PWM
顯示時鐘	Display clock
顯示	Display
射頻匹配網(wǎng)絡(luò)	RF matching network
充電器時鐘	Charger clock
段式LCD	Segment LCD

 

 

 

除了這些優(yōu)勢之外，使用SoC架構(gòu)還有助于縮短產(chǎn)品的上市時間，原因如下：

 

• 隨時可用的固件IP可為系統(tǒng)開發(fā)提供支持。
• 由于各個模塊屬于同一個芯片，它們能夠相互配合，而且不會產(chǎn)生時延。開發(fā)人員無需擔(dān)憂如何對接它們、檢查它們的邏輯電平或解決互操作問題。所有這些問題都已在器件內(nèi)部得到解決。
• 可配置的環(huán)境可靈活地整合較后一分鐘的設(shè)計變更。

在某些設(shè)計中，一個Cortex-M0內(nèi)核可能不足以滿足處理能力要求。在這種情況下，可以使用一個Cortex-M3內(nèi)核（如PSoC 5LP）來處理系統(tǒng)相關(guān)功能, 使用一個藍(lán)牙智能SoC（如PSoC 4 BLE）來控制藍(lán)牙通信以及AFE和數(shù)字邏輯。

 

智能手機(jī)等支持藍(lán)牙智能協(xié)議的設(shè)備的日益普及以及藍(lán)牙智能技術(shù)的低功耗優(yōu)勢使得藍(lán)牙智能成為可穿戴產(chǎn)品的事實標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙智能可在所有協(xié)議層實現(xiàn)低功耗設(shè)計，而且作為一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它還支持互操作性。通過利用面向可穿戴市場的SoC，嵌入式工程師可縮減設(shè)備的尺寸、功耗、BOM成本、復(fù)雜程度和上市時間，從而能將更好的產(chǎn)品更快地推向市場。

 

ass=�Jom(i�@�
lang=EN-US style='font-size:11.0pt'>RF matching network

充電器時鐘

Charger clock

段式LCD

Segment LCD

 

 

 

除了這些優(yōu)勢之外，使用SoC架構(gòu)還有助于縮短產(chǎn)品的上市時間，原因如下：

 

• 隨時可用的固件IP可為系統(tǒng)開發(fā)提供支持。
• 由于各個模塊屬于同一個芯片，它們能夠相互配合，而且不會產(chǎn)生時延。開發(fā)人員無需擔(dān)憂如何對接它們、檢查它們的邏輯電平或解決互操作問題。所有這些問題都已在器件內(nèi)部得到解決。
• 可配置的環(huán)境可靈活地整合較后一分鐘的設(shè)計變更。

在某些設(shè)計中，一個Cortex-M0內(nèi)核可能不足以滿足處理能力要求。在這種情況下，可以使用一個Cortex-M3內(nèi)核（如PSoC 5LP）來處理系統(tǒng)相關(guān)功能, 使用一個藍(lán)牙智能SoC（如PSoC 4 BLE）來控制藍(lán)牙通信以及AFE和數(shù)字邏輯。

 

智能手機(jī)等支持藍(lán)牙智能協(xié)議的設(shè)備的日益普及以及藍(lán)牙智能技術(shù)的低功耗優(yōu)勢使得藍(lán)牙智能成為可穿戴產(chǎn)品的事實標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙智能可在所有協(xié)議層實現(xiàn)低功耗設(shè)計，而且作為一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它還支持互操作性。通過利用面向可穿戴市場的SoC，嵌入式工程師可縮減設(shè)備的尺寸、功耗、BOM成本、復(fù)雜程度和上市時間，從而能將更好的產(chǎn)品更快地推向市場。