【導(dǎo)讀】可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為智能穿戴領(lǐng)域的焦點(diǎn)話題，并且以其低成本、低功耗、高普及率的應(yīng)用得到廣泛認(rèn)可。可穿戴設(shè)備通過多個傳感器測量并采集信息，即快速有便攜。本文就可穿戴設(shè)備的藍(lán)牙技術(shù)做出了詳解。
圖1：可穿戴設(shè)備-信息流程
我們根據(jù)服務(wù)細(xì)分市場或者穿戴部位對可穿戴設(shè)備進(jìn)行大致的分類。表1給出了可穿戴設(shè)備的種類和典型用例。
表1：可穿戴設(shè)備的分類（*身體：包括手臂、軀干和腿）
大部分可穿戴設(shè)備都配有一個或多個傳感器、處理器、存儲器、連接器（無線電控制器）、顯示器和電池。圖2給出了一個活動監(jiān)控器的實(shí)例。
圖2：方框圖-活動監(jiān)控器（可穿戴設(shè)備）
由于要將此類設(shè)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(shè)備能否被消費(fèi)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(jié)將詳細(xì)介紹這些因素。
市場上存在多種不同的通信協(xié)議，有些是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，例如Bluetooth Classic、ZigBee、WiFi，還有一些是芯片廠商開發(fā)的專有協(xié)議。Bluetooth Classic、ZigBee、WiFi等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議并未將低功耗作為主要設(shè)計(jì)特性，因此大部分OEM廠商選擇使用專有協(xié)議。專有協(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有協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行交互操作。
為了消除這種局限性，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）推出了低功耗藍(lán)牙（BLE）技術(shù)，將其作為功耗最低的短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)。與經(jīng)典藍(lán)牙一樣，BLE也在具有1Mbps帶寬的2.4GHz ISM頻帶下工作。BLE最顯著的特性如下：
●低數(shù)據(jù)速率-理想適用于只需要交換狀態(tài)信息的應(yīng)用。
●該協(xié)議能夠在固定時(shí)間間隔內(nèi)突發(fā)地傳送簡短信息，因此在不發(fā)送信息時(shí)主機(jī)處于低功耗模式。
●該協(xié)議將建立連接到數(shù)據(jù)交換所需的時(shí)間縮短至幾毫秒。
●架構(gòu)中的每個層都經(jīng)過了精心優(yōu)化以降低功耗
物理層的調(diào)制指數(shù)與經(jīng)典藍(lán)牙相比有所增加，有助于減少發(fā)送電流和接收電流。
經(jīng)優(yōu)化的鏈路層可實(shí)現(xiàn)快速重新連接，以降低功耗。
控制器可實(shí)現(xiàn)各種關(guān)鍵任務(wù)，例如建立連接以及忽略復(fù)制數(shù)據(jù)包，因此能夠讓主機(jī)更長時(shí)間地處于低功耗模式。
●采用類似于經(jīng)典藍(lán)牙的穩(wěn)健可靠架構(gòu)，支持自適應(yīng)跳頻，具有32位CRC校驗(yàn)功能。
●僅支持廣播模式；不必對設(shè)備執(zhí)行連接操作。
BLE與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙無線電不兼容，因?yàn)樗鼈兪遣煌募夹g(shù)。不過，雙模藍(lán)牙設(shè)備既支持BLE也支持經(jīng)典藍(lán)牙。采用了藍(lán)牙智能就緒型主機(jī)（雙模設(shè)備）之后，BLE運(yùn)行時(shí)就無需使用收發(fā)器，這與專有協(xié)議形成了鮮明對比。
以上介紹的BLE協(xié)議可以完美地應(yīng)用于可穿戴設(shè)備，原因如下：
●該協(xié)議為實(shí)現(xiàn)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(jī)中采用BLE智能就緒型主機(jī)，因此便于實(shí)現(xiàn)該協(xié)議。
●可穿戴設(shè)備在很長時(shí)間間隔內(nèi)交換少量的突發(fā)信息。
通信協(xié)議只是可穿戴設(shè)備中的一部分，除了通信接口以外，可穿戴設(shè)備還包含多種其它模塊，例如傳感器、用來處理傳感器信號的模擬前端、用來濾除環(huán)境噪聲的數(shù)字信號處理模塊、用于記錄信息的存儲器、用于執(zhí)行多種系統(tǒng)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(jiān)測器-腕帶
圖3給出了光學(xué)心率監(jiān)測器腕帶的典型實(shí)現(xiàn)方案。光學(xué)心率監(jiān)測器采用PPG原理，利用光學(xué)技術(shù)來檢測血液量的變化。該技術(shù)利用LED燈照亮身體組織，同時(shí)使用光電二極管來測量攜帶血液量變化信息的反射信號。跨阻抗放大器（TIA）可用于將光電流轉(zhuǎn)化為電壓。隨后，通過ADC將電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。然后在固件中對數(shù)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，濾波過程也可在模擬域利用有源濾波器實(shí)現(xiàn)。將心跳信息發(fā)送到BLE控制器，再通過藍(lán)牙鏈路發(fā)送到支持BLE的設(shè)備中。有些光學(xué)心率監(jiān)測器采用獨(dú)立控制器執(zhí)行心率處理，而控制器通過I2C/SPI/IART通信協(xié)議與主處理器進(jìn)行通信。在這類系統(tǒng)中，使用多個分立組件不僅使系統(tǒng)變得比較復(fù)雜（不同部件之間要電氣兼容，還需要進(jìn)行測試），而且會增加功耗（因?yàn)樵诓皇褂脮r(shí)缺少對AFE的控制）、材料清單成本以及PCB的尺寸。
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為了解決這些問題，眾多廠商都推出了基于片上系統(tǒng)（SoC）架構(gòu)的器件。這些器件不僅具有控制器，而且包含模擬與數(shù)字子系統(tǒng)，利用這些子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)大部分基本的模擬前端和數(shù)字功能。賽普拉斯基于可編程片上系統(tǒng)（PSoC）架構(gòu)的PSoC 4 BLE就屬于這類控制器。該器件是真正的面向可穿戴市場的SoC，因?yàn)樗?8MHz Cortex M0 CPU、可配置模擬與數(shù)字資源以及一個內(nèi)置的BLE子系統(tǒng)。圖4給出了PSoC 4 BLE器件的架構(gòu)。
圖4：PSoC 4 BLE架構(gòu)
該器件的模擬前端部分包含四個未經(jīng)配置的運(yùn)算放大器，兩個低功耗比較器，一個高速SAR ADC，以及一個用戶界面專用的電容式感應(yīng)模塊。數(shù)字部分則包含兩個串行通信模塊（SCB），可用于實(shí)現(xiàn)I2C/UART/SPI協(xié)議；四個16位硬件定時(shí)器計(jì)數(shù)器PWM（TCPWM）；以及四個通用數(shù)字模塊（UDB），其就像FPGA一樣可用來在硬件中實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯。圖5給出了利用PSoC 4 BLE器件實(shí)現(xiàn)上述腕帶產(chǎn)品的方法。
圖5：光學(xué)心率監(jiān)測器-腕帶-PSoC 4 BLE
在這種實(shí)現(xiàn)方案中，PSoC 4 BLE器件可利用其內(nèi)部資源實(shí)現(xiàn)所有功能。控制器外部所需的組件只包括幾個無源元件，以及一個用來驅(qū)動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AFE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(gòu)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(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)成固件IP
●各個模塊位于同一塊芯片，進(jìn)行互操作時(shí)無需耗費(fèi)大量時(shí)間
●靈活的可配置環(huán)境允許在最后階段實(shí)現(xiàn)更改
在一些設(shè)計(jì)中，Cortex-M0內(nèi)核無法滿足處理性能要求，這種情況下可使用M3內(nèi)核來處理系統(tǒng)相關(guān)功能，同時(shí)，采用基于BLE的SoC（例如PSoC 4 BLE）控制藍(lán)牙通信以及AFE和數(shù)字邏輯。
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