| 智能手機在眾多成熟市場(chǎng)的高普及率以及更低成本MEMS傳感器的普遍應用使可穿戴設備獲得了廣泛認可�？纱┐髟O備具有很高的便攜性，可以穿戴或附著(zhù)在身體上，并通過(guò)一個(gè)或多個(gè)傳感器測量/采集信息。圖1給出了可穿戴設備的一般信息流程圖。
圖1：可穿戴設備-信息流程
我們根據服務(wù)細分市場(chǎng)或者穿戴部位對可穿戴設備進(jìn)行大致的分類(lèi)。表1給出了可穿戴設備的種類(lèi)和典型用例。
表1：可穿戴設備的分類(lèi)（*身體：包括手臂、軀干和腿）
大部分可穿戴設備都配有一個(gè)或多個(gè)傳感器、處理器、存儲器、連接器（無(wú)線(xiàn)電控制器）、顯示器和電池。圖2給出了一個(gè)活動(dòng)監控器的實(shí)例。
圖2：方框圖-活動(dòng)監控器（可穿戴設備）
由于要將此類(lèi)設備穿戴在身上，因此除了基本功能以外，還有其它一些因素也決定該設備能否被消費者接受，具體包括：
●支持的通信模式
●平均電池使用壽命
●低成本
●產(chǎn)品的尺寸和重量
以下幾節將詳細介紹這些因素。
市場(chǎng)上存在多種不同的通信協(xié)議，有些是標準協(xié)議，例如Bluetooth Classic、ZigBee、WiFi，還有一些是芯片廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的專(zhuān)有協(xié)議。Bluetooth Classic、ZigBee、WiFi等標準協(xié)議并未將低功耗作為主要設計特性，因此大部分OEM廠(chǎng)商選擇使用專(zhuān)有協(xié)議。專(zhuān)有協(xié)議的使用在很大程度上限制了這些可穿戴產(chǎn)品的靈活性，使其只能與采用相同專(zhuān)有協(xié)議的設備進(jìn)行交互操作。
為了消除這種局限性，藍牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）推出了低功耗藍牙（BLE）技術(shù)，將其作為功耗最低的短距離無(wú)線(xiàn)通信標準。與經(jīng)典藍牙一樣，BLE也在具有1Mbps帶寬的2.4GHz ISM頻帶下工作。BLE最顯著(zhù)的特性如下：
●低數據速率-理想適用于只需要交換狀態(tài)信息的應用。
●該協(xié)議能夠在固定時(shí)間間隔內突發(fā)地傳送簡(jiǎn)短信息，因此在不發(fā)送信息時(shí)主機處于低功耗模式。
●該協(xié)議將建立連接到數據交換所需的時(shí)間縮短至幾毫秒。
●架構中的每個(gè)層都經(jīng)過(guò)了精心優(yōu)化以降低功耗
o物理層的調制指數與經(jīng)典藍牙相比有所增加，有助于減少發(fā)送電流和接收電流。
o經(jīng)優(yōu)化的鏈路層可實(shí)現快速重新連接，以降低功耗。
o控制器可實(shí)現各種關(guān)鍵任務(wù)，例如建立連接以及忽略復制數據包，因此能夠讓主機更長(cháng)時(shí)間地處于低功耗模式。
●采用類(lèi)似于經(jīng)典藍牙的穩健可靠架構，支持自適應跳頻，具有32位CRC校驗功能。
●僅支持廣播模式；不必對設備執行連接操作。
BLE與標準藍牙無(wú)線(xiàn)電不兼容，因為它們是不同的技術(shù)。不過(guò)，雙模藍牙設備既支持BLE也支持經(jīng)典藍牙。采用了藍牙智能就緒型主機（雙模設備）之后，BLE運行時(shí)就無(wú)需使用收發(fā)器，這與專(zhuān)有協(xié)議形成了鮮明對比。
以上介紹的BLE協(xié)議可以完美地應用于可穿戴設備，原因如下：
●該協(xié)議為實(shí)現超低功耗進(jìn)行了精心優(yōu)化。
●低功耗有助于減小電池尺寸，從而縮減產(chǎn)品成本、尺寸和重量。
●由于智能手機中采用BLE智能就緒型主機，因此便于實(shí)現該協(xié)議。
●可穿戴設備在很長(cháng)時(shí)間間隔內交換少量的突發(fā)信息。
通信協(xié)議只是可穿戴設備中的一部分，除了通信接口以外，可穿戴設備還包含多種其它模塊，例如傳感器、用來(lái)處理傳感器信號的模擬前端、用來(lái)濾除環(huán)境噪聲的數字信號處理模塊、用于記錄信息的存儲器、用于執行多種系統相關(guān)功能的處理器，以及電池充電器等等。
圖3：光學(xué)心率監測器-腕帶
圖3給出了光學(xué)心率監測器腕帶的典型實(shí)現方案。光學(xué)心率監測器采用PPG原理，利用光學(xué)技術(shù)來(lái)檢測血液量的變化。該技術(shù)利用LED燈照亮身體組織，同時(shí)使用光電二極管來(lái)測量攜帶血液量變化信息的反射信號�？缱杩狗糯笃鳎═IA）可用于將光電流轉化為電壓。隨后，通過(guò)ADC將電壓信號轉化為數字信號。然后在固件中對數字信號進(jìn)行處理，以消除DC偏移和高頻噪聲，進(jìn)而檢測心跳。此外，濾波過(guò)程也可在模擬域利用有源濾波器實(shí)現。將心跳信息發(fā)送到BLE控制器，再通過(guò)藍牙鏈路發(fā)送到支持BLE的設備中。有些光學(xué)心率監測器采用獨立控制器執行心率處理，而控制器通過(guò)I2C/SPI/IART通信協(xié)議與主處理器進(jìn)行通信。
在這類(lèi)系統中，使用多個(gè)分立組件不僅使系統變得比較復雜（不同部件之間要電氣兼容，還需要進(jìn)行測試），而且會(huì )增加功耗（因為在不使用時(shí)缺少對AFE的控制）、材料清單成本以及PCB的尺寸。
為了解決這些問(wèn)題，眾多廠(chǎng)商都推出了基于片上系統（SoC）架構的器件。這些器件不僅具有控制器，而且包含模擬與數字子系統，利用這些子系統可實(shí)現大部分基本的模擬前端和數字功能。賽普拉斯基于可編程片上系統（PSoC）架構的PSoC 4 BLE就屬于這類(lèi)控制器。該器件是真正的面向可穿戴市場(chǎng)的SoC，因為它包含48MHz Cortex M0 CPU、可配置模擬與數字資源以及一個(gè)內置的BLE子系統。圖4給出了PSoC 4 BLE器件的架構。
圖4：PSoC 4 BLE架構
該器件的模擬前端部分包含四個(gè)未經(jīng)配置的運算放大器，兩個(gè)低功耗比較器，一個(gè)高速SAR ADC，以及一個(gè)用戶(hù)界面專(zhuān)用的電容式感應模塊。數字部分則包含兩個(gè)串行通信模塊（SCB），可用于實(shí)現I2C/UART/SPI協(xié)議；四個(gè)16位硬件定時(shí)器計數器PWM（TCPWM）；以及四個(gè)通用數字模塊（UDB），其就像FPGA一樣可用來(lái)在硬件中實(shí)現數字邏輯。
圖5給出了利用PSoC 4 BLE器件實(shí)現上述腕帶產(chǎn)品的方法。
圖5：光學(xué)心率監測器-腕帶-PSoC 4 BLE
在這種實(shí)現方案中，PSoC 4 BLE器件可利用其內部資源實(shí)現所有功能�？刂破魍獠克璧慕M件只包括幾個(gè)無(wú)源元件，以及一個(gè)用來(lái)驅動(dòng)LED并作為RF匹配網(wǎng)絡(luò )一部分的晶體管。這種集成式方案可以控制AFE的功耗，在A(yíng)FE不使用時(shí)將其禁用，從而減少材料清單成本和PCB尺寸。除了以上優(yōu)勢外，使用SoC架構還有助于加速產(chǎn)品的上市進(jìn)程，原因如下：
●提供用于系統開(kāi)發(fā)的現成固件IP
●各個(gè)模塊位于同一塊芯片，進(jìn)行互操作時(shí)無(wú)需耗費大量時(shí)間
●靈活的可配置環(huán)境允許在最后階段實(shí)現更改
在一些設計中，Cortex-M0內核無(wú)法滿(mǎn)足處理性能要求，這種情況下可使用M3內核來(lái)處理系統相關(guān)功能，同時(shí)，采用基于BLE的SoC（例如PSoC 4 BLE）控制藍牙通信以及AFE和數字邏輯。
結論：
智能手機和平板電腦等藍牙智能就緒型設備越來(lái)越多地得到普及，同時(shí)BLE又具備顯著(zhù)的優(yōu)勢，這些因素使得BLE成為了常用的可穿戴產(chǎn)品通信協(xié)議。在認可了BLE的利基理念之后，各個(gè)芯片廠(chǎng)商還開(kāi)發(fā)了BLE控制器，有些還生產(chǎn)出了支持BLE的SoC.支持BLE的SoC有助于降低系統功耗、材料清單成本和產(chǎn)品尺寸，從而使可穿戴市場(chǎng)更具吸引力和充滿(mǎn)美好前景.
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