作者：Richa Dham
可穿戴設備應用廣泛，包括醫療保健、運動(dòng)健身、游戲、生活方式、工業(yè)和軍事。它們監測身體的各個(gè)部位，包括眼睛（智能眼鏡），脖子（項鏈或衣領(lǐng)耳機），手（手套），手腕（活動(dòng)監視器和睡眠傳感器），腳（智能襪子和鞋子）和專(zhuān)用區域，例如跟蹤設備或運動(dòng)傳感器所需的區域�？纱┐髟O備通常配備傳感器、處理器、存儲、連接鏈接（用于上傳數據和下載更新）、顯示器和電池。圖 1 顯示了典型活動(dòng)監視器的框圖。
圖 1：可穿戴活動(dòng)監視器的框圖。
可穿戴設備引入了幾個(gè)必須考慮的設計因素，并且可能與其他類(lèi)型的嵌入式設備不同。由于這些設備是磨損的，因此尺寸和重量至關(guān)重要。平均電池壽命也很重要，因為可穿戴設備必須在有限的電池電量下運行。對于基于消費者的應用，低成本至關(guān)重要。所需的處理器類(lèi)型和所需的存儲量取決于可穿戴設備必須支持的用例。例如，運動(dòng)傳感器提供必須傳輸的連續數據流;相比之下，活動(dòng)監視器不斷收集數據，對其進(jìn)行處理以確定當前正在執行的活動(dòng)，然后記錄此元數據以供以后下載。
低功耗通信
可穿戴設備的通信方式對關(guān)鍵設計因素有重大影響。OEM有許多通信協(xié)議可用于可穿戴設備。經(jīng)典藍牙、ZigBee 和 Wi-Fi 等成熟標準具有很強的市場(chǎng)滲透率，但其設計初衷并不是以低功耗為主要設計考慮因素。因此，許多原始設備制造商已經(jīng)轉向專(zhuān)有協(xié)議來(lái)實(shí)現必要的能源效率。然而，專(zhuān)有協(xié)議可能會(huì )限制可穿戴設備的靈活性和市場(chǎng)范圍，因為它們將互操作性限制為僅支持相同專(zhuān)有協(xié)議的設備。
為了滿(mǎn)足可穿戴設備和其他低功耗應用的要求，藍牙特別興趣小組開(kāi)發(fā)了低功耗藍牙（BLE）。BLE專(zhuān)注于實(shí)現短距離通信的最低功率。BLE 在經(jīng)典藍牙使用的 2.4 GHz ISM 頻段內運行，使設備能夠利用現有的藍牙無(wú)線(xiàn)電技術(shù)來(lái)降低成本。
BLE提供1 Mbps的帶寬，對于大多數可穿戴應用來(lái)說(shuō)綽綽有余。通常，可穿戴應用還需要提供狀態(tài)信息，而不必在傳輸之間記錄大量數據。
為了最大限度地降低功耗，BLE架構在每一層都進(jìn)行了優(yōu)化：
• 物理層 –增加PHY調制指數可降低發(fā)射和接收電流
• 鏈路層 –快速重新連接可縮短總體傳輸時(shí)間
• 控制器層 –更智能的控制器處理諸如建立連接和忽略重復數據包之類(lèi)的任務(wù)。以這種方式卸載主機處理器可使處理器更長(cháng)時(shí)間地保持待機或睡眠模式
• 協(xié)議層 –用于交換數據的連接設置時(shí)間減少到幾毫秒。該協(xié)議還經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可定期突發(fā)小數據塊。這使得主機處理器能夠在未傳輸信息時(shí)最大限度地利用待機或休眠模式的時(shí)間。
• 廣播公司模式 –可穿戴設備只能在廣播公司模式下運行，無(wú)需設備進(jìn)行連接程序
• 堅固的架構 –BLE 支持 32 位 CRC 的自適應跳頻，以確保更可靠的傳輸
BLE的超低功耗使其成為可穿戴設備的理想選擇。其效率可減小電池尺寸，從而降低設備成本、尺寸和重量。
雖然低功耗藍牙基于藍牙技術(shù)，但它與標準藍牙無(wú)線(xiàn)電不兼容。但是，雙模式無(wú)線(xiàn)電可用于支持藍牙經(jīng)典和BLE。雙模設備（稱(chēng)為藍牙智能就緒主機）無(wú)需使用加密狗，這是使用專(zhuān)有協(xié)議時(shí)所需的。BLE智能就緒主機在智能手機中的易用性為消費者提供了一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟高效的方式來(lái)連接到可穿戴設備。
復雜的全包裝設計
通信只是可穿戴架構的一部分。除其他組件外，這些設備還必須具有：
• 用于處理原始傳感器信號的模擬前端
• 數字信號處理功能可濾除噪聲并提供高級后處理
• 存儲
• 用于高級系統功能的處理器
• 充電器
圖 2 詳細介紹了作為腕帶實(shí)現的光學(xué)心率監測器。這種類(lèi)型的設備使用LED來(lái)照亮組織，由光電二極管測量的反射信號攜帶有關(guān)血容量變化的信息�？缱杩狗糯笃鲗⒐怆姸䴓O管電流轉換為電壓，該電壓由ADC轉換為數字信號。在檢測到心跳之前，需要對數字信號進(jìn)行濾波以消除直流失調和高頻噪聲。該信息被傳遞到BLE控制器進(jìn)行傳輸�；蛘�，心率可以在傳輸之前由可穿戴設備計算。
圖 2：腕帶光學(xué)心率監測器的框圖。
多個(gè)分立元件使系統設計復雜化。每個(gè)額外的組件也會(huì )增加功耗、系統尺寸和成本。為了最大限度地減少這些因素，OEM可以利用片上系統（SoC）架構，將控制器與必要的模擬和數字組件集成在一起。例如，賽普拉斯的PSoC BLE旨在滿(mǎn)足可穿戴市場(chǎng)的嚴格要求。它集成了一個(gè) 40 MHz 的 Cortex M0 CPU 和可配置的模擬和數字資源，并具有內置的 BLE 子系統。
圖 3 顯示了使用 PSoC BLE 的心率監測器的實(shí)現。對于模擬前端，四個(gè)未配置的運算放大器、兩個(gè)低功耗比較器、一個(gè)高速SAR ADC和一個(gè)專(zhuān)用電容式檢測模塊可實(shí)現先進(jìn)的基于觸摸的用戶(hù)界面。對于數字處理，可以使用兩個(gè)串行通信模塊來(lái)支持 I2C、UART 和 SPI 接口。該處理器還具有四個(gè)16位硬件定時(shí)器計數器脈寬調制器和四個(gè)通用數字模塊，用于在硬件中實(shí)現數字邏輯，類(lèi)似于邏輯在FPGA中的實(shí)現方式。
圖 3：使用 PSoC 4 BLE 片上系統的腕帶光學(xué)心率監測器的框圖。
對于此應用，控制器外部唯一需要的外部元件是一些無(wú)源元件，一個(gè)用于驅動(dòng)LED的晶體管，以及RF匹配所需的元件。集成其他組件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對系統電源的更好控制。例如，開(kāi)發(fā)人員可以在不使用模擬前端時(shí)將其禁用。
藍牙智能就緒在智能手機、平板電腦和其他便攜式設備中的就緒可用性使低功耗藍牙成為可穿戴應用中通信協(xié)議的絕佳選擇。借助基于 SoC 的 BLE 控制器，OEM 可以最大限度地降低功耗、設備尺寸和系統成本，使其可穿戴設計更具吸引力和競爭力。 |
