可穿戴設(shè)備的應(yīng)用范圍廣泛，包括醫(yī)療保健、運(yùn)動(dòng)健身、游戲、生活方式、工業(yè)和軍事。它們監(jiān)控身體的各個(gè)部位，包括眼睛（智能眼鏡）、頸部（項(xiàng)鏈或項(xiàng)圈耳機(jī)）、手（手套）、手腕（活動(dòng)監(jiān)視器和睡眠傳感器）、腳（智能襪子和鞋子）和專門區(qū)域，例如跟蹤設(shè)備或運(yùn)動(dòng)傳感器所需要的。可穿戴設(shè)備通常配備傳感器、處理器、存儲(chǔ)、連接鏈路（用于上傳數(shù)據(jù)和下載更新）、顯示器和電池。圖 1 顯示了典型活動(dòng)監(jiān)視器的框圖。

圖 1：可穿戴活動(dòng)監(jiān)視器的框圖。

可穿戴設(shè)備引入了幾個(gè)必須考慮的設(shè)計(jì)因素，并且可能與其他類型的嵌入式設(shè)備不同。由于這些設(shè)備已磨損，因此尺寸和重量至關(guān)重要。考慮到可穿戴設(shè)備必須在有限的電池電量下運(yùn)行，平均電池壽命也很重要。對(duì)于基于消費(fèi)者的應(yīng)用，低成本是必不可少的。所需的處理器類型和所需的存儲(chǔ)量取決于可穿戴設(shè)備必須支持的用例。例如，運(yùn)動(dòng)傳感器提供必須傳輸?shù)倪B續(xù)數(shù)據(jù)流；相反，活動(dòng)監(jiān)視器持續(xù)收集數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理以識(shí)別當(dāng)前正在執(zhí)行的活動(dòng)，然后記錄此元數(shù)據(jù)以供以后下載。

低功耗通信

可穿戴設(shè)備的通信方式對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素有重大影響。OEM 有許多可用于可穿戴設(shè)備的通信協(xié)議。藍(lán)牙經(jīng)典、ZigBee 和 Wi-Fi 等成熟標(biāo)準(zhǔn)具有很強(qiáng)的市場(chǎng)滲透率，但并未將低功耗作為主要設(shè)計(jì)考慮因素。因此，許多 OEM 已轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ袇f(xié)議以實(shí)現(xiàn)必要的能源效率。然而，專有協(xié)議可能會(huì)限制可穿戴設(shè)備的靈活性和市場(chǎng)范圍，因?yàn)樗鼈儗⒒ゲ僮餍韵拗茷閮H支持相同專有協(xié)議的設(shè)備。

為了滿足可穿戴設(shè)備和其他低功耗應(yīng)用的要求，藍(lán)牙特別興趣小組開(kāi)發(fā)了低功耗藍(lán)牙 （BLE）。BLE 專注于實(shí)現(xiàn)短距離通信的最低功耗。BLE 在經(jīng)典藍(lán)牙使用的 2.4 GHz ISM 頻段運(yùn)行，使設(shè)備能夠利用現(xiàn)有的藍(lán)牙無(wú)線電技術(shù)來(lái)降低成本。

BLE 提供 1 Mbps 的帶寬，這對(duì)于大多數(shù)可穿戴應(yīng)用來(lái)說(shuō)綽綽有余。通常，可穿戴應(yīng)用程序還需要提供狀態(tài)信息，而不是在傳輸之間記錄大量數(shù)據(jù)。

為了最大限度地降低功耗，BLE 架構(gòu)在每一層都進(jìn)行了優(yōu)化：

PHY 層 –增加 PHY 調(diào)制指數(shù)可降低發(fā)送和接收電流

鏈路層 –快速重新連接減少了整體傳輸時(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(fù)數(shù)據(jù)包等任務(wù)。以這種方式卸載主機(jī)處理器使處理器能夠更長(zhǎng)時(shí)間地保持在待機(jī)或睡眠模式

協(xié)議層——用于交換數(shù)據(jù)的連接建立時(shí)間減少到幾毫秒。該協(xié)議還進(jìn)行了優(yōu)化，以定期突發(fā)小塊數(shù)據(jù)。這允許主機(jī)處理器在未傳輸信息時(shí)最大限度地延長(zhǎng)其在待機(jī)或睡眠模式下的時(shí)間

廣播模式——可穿戴設(shè)備只能在廣播模式下運(yùn)行，無(wú)需設(shè)備進(jìn)行連接程序

穩(wěn)健的架構(gòu) – BLE 支持具有 32 位 CRC 的自適應(yīng)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(shè)備的理想選擇。其效率可減小電池尺寸，從而降低設(shè)備成本、尺寸和重量。

雖然低功耗藍(lán)牙基于藍(lán)牙技術(shù)，但它與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙無(wú)線電不兼容。但是，可以使用同時(shí)支持經(jīng)典藍(lán)牙和 BLE 的雙模無(wú)線電。雙模設(shè)備，稱為藍(lán)牙智能就緒主機(jī)，無(wú)需加密狗，這是使用專有協(xié)議時(shí)所必需的。智能手機(jī)中隨時(shí)可用的 BLE Smart Ready 主機(jī)為消費(fèi)者提供了一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的方式來(lái)連接可穿戴設(shè)備。

復(fù)雜的全封裝設(shè)計(jì)

通信只是可穿戴架構(gòu)的一部分。除其他組件外，這些設(shè)備還必須具有：

用于處理原始傳感器信號(hào)的模擬前端

數(shù)字信號(hào)處理功能可濾除噪聲并提供高級(jí)后處理

貯存

用于高級(jí)系統(tǒng)功能的處理器

充電器

圖 2 詳細(xì)介紹了作為腕帶實(shí)現(xiàn)的光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器。這種類型的設(shè)備使用 LED 照亮組織，由光電二極管測(cè)量的反射信號(hào)攜帶有關(guān)血容量變化的信息。跨阻放大器將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后由 ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在檢測(cè)到心跳之前，該數(shù)字信號(hào)需要過(guò)濾以去除直流偏移和高頻噪聲。該信息被傳遞給 BLE 控制器進(jìn)行傳輸。可選地，可穿戴設(shè)備可以在傳輸之前計(jì)算心率。

圖 2：腕帶式光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器框圖。

多個(gè)分立元件使系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜化。每個(gè)附加組件也會(huì)增加功耗、系統(tǒng)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(tǒng) （SoC） 架構(gòu)，該架構(gòu)將控制器與必要的模擬和數(shù)字組件集成在一起。例如，賽普拉斯的 PSoC BLE 旨在滿足可穿戴市場(chǎng)的嚴(yán)格要求。它集成了具有可配置模擬和數(shù)字資源的 40 MHz Cortex M0 CPU，并具有內(nèi)置的 BLE 子系統(tǒng)。

圖 3 顯示了使用 PSoC BLE 實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測(cè)器。對(duì)于模擬前端，四個(gè)未配置的運(yùn)算放大器、兩個(gè)低功耗比較器、一個(gè)高速 SAR ADC 和一個(gè)專用的電容感應(yīng)塊支持基于觸摸的高級(jí)用戶界面。對(duì)于數(shù)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(jì)數(shù)器脈沖寬度調(diào)制器和四個(gè)通用數(shù)字塊，用于在硬件中實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯，類似于在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)邏輯的方式。

圖 3：使用 PSoC 4 BLE 片上系統(tǒng)的腕帶光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器框圖。

對(duì)于此應(yīng)用，控制器外部所需的唯一外部組件是一些無(wú)源組件、一個(gè)用于驅(qū)動(dòng) LED 的晶體管以及那些用于射頻匹配的組件。集成其他組件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以更好地控制系統(tǒng)功率。例如，開(kāi)發(fā)人員可以在不使用模擬前端時(shí)將其禁用。

Bluetooth Smart Ready 在智能手機(jī)、平板電腦和其他便攜式設(shè)備中的現(xiàn)成可用性使得低功耗藍(lán)牙成為可穿戴應(yīng)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(shè)備尺寸和系統(tǒng)成本，使其可穿戴設(shè)計(jì)更具吸引力和競(jìng)爭(zhēng)力。

　　作者：Richa Dham，Pushek Madaan

審核編輯：郭婷