利用SoC設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化可穿戴設(shè)備的開發(fā)

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?yàn)檫@些設(shè)備有助于分析人們的日?；顒?dòng)，并可通過(guò)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(lái)便利。市場(chǎng)上有各種各樣的可穿戴電子設(shè)備，最有名的是智能手表、活動(dòng)監(jiān)測(cè)器和健身手環(huán)。這些高度便攜式設(shè)備被戴在用戶身上，或以其他方式附著在人身上，能夠通過(guò)一個(gè)或多個(gè)傳感器測(cè)量和捕獲信息。

這些設(shè)備持續(xù)監(jiān)測(cè)用戶的活動(dòng)，即使他們?cè)谒X時(shí)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(guò)一種直觀的方式和無(wú)線接口向用戶顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果。由于這些設(shè)備提供有可能改變用戶活動(dòng)的重要信息，它們必須做到可靠、精確。此外，為了盡量延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，它們還應(yīng)該盡可能做到高效。

可穿戴設(shè)備通常內(nèi)置一個(gè)或多個(gè)傳感器、存儲(chǔ)器件、連接器件（射頻控制器）、一個(gè)顯示屏和一塊電池（參見圖1）。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1

市場(chǎng)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(jì)時(shí)沒(méi)有將低功耗視為一個(gè)重要特性，因此，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，大多數(shù)OEM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(jì)的靈活性。

為了消除這些局限性，并打造一個(gè)互操作環(huán)境，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）推出了一個(gè)新的藍(lán)牙版本——藍(lán)牙智能，它是一個(gè)旨在以最低功耗實(shí)現(xiàn)短程通信的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。

藍(lán)牙智能的優(yōu)勢(shì)

同經(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(guò)優(yōu)化，能夠以固定時(shí)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(shí)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(shí)間縮短至幾個(gè)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(gè)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?？刂破髫?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(zhǎng)久地保持低功耗模式。

藍(lán)牙智能協(xié)議擁有一個(gè)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(yàn)。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(wú)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(shí)現(xiàn)超低功耗而優(yōu)化；

◆低功耗設(shè)計(jì)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(zhǎng)時(shí)間間隔交換少量突發(fā)信息的可穿戴設(shè)備；

◆便于推廣，因?yàn)橹悄苁謾C(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(duì)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(gè)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(gè)機(jī)遇（參見圖2）。

圖2

即使在活動(dòng)期間，可穿戴設(shè)備也不必連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。無(wú)論是三軸加速計(jì)測(cè)量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，還是傳感器感測(cè)的心率，數(shù)據(jù)都是周期性傳送，通常是每個(gè)連接間隔傳送一次。正常的程序是感測(cè)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然后通過(guò)藍(lán)牙智能連接發(fā)送數(shù)據(jù)。其余時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)都處在深度睡眠模式。請(qǐng)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(shí)間之間進(jìn)行權(quán)衡。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的時(shí)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(jì)的一個(gè)方面。除了通信接口之外，可穿戴設(shè)備還包含傳感器、一個(gè)用于處理傳感器信號(hào)的模擬前端（AFE）、一個(gè)用于過(guò)濾環(huán)境噪聲的數(shù)字信號(hào)處理器、用于存儲(chǔ)信息的存儲(chǔ)器件、一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)多種系統(tǒng)相關(guān)功能的處理器、一個(gè)電池充電器等多個(gè)其他模塊。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，我們需要所有這些組件實(shí)現(xiàn)最低功耗。

光學(xué)心率監(jiān)測(cè)

讓我們以可監(jiān)測(cè)心率的手環(huán)為例。光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器的工作原理是光電容積脈搏波（PPG）技術(shù)，它通過(guò)處理血容量的變化生成心率數(shù)據(jù)。該技術(shù)使用一個(gè)LED照亮人體組織，并使用一個(gè)光電二極管測(cè)量反射信號(hào)，后者包含血容量變化的信息。一個(gè)跨阻放大器（TIA）將光電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后該電壓被一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這個(gè)數(shù)字信號(hào)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(cè)出心率；此外，還可以使用有源濾波器在模擬域中進(jìn)行過(guò)濾。

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(cè)器中，可穿戴設(shè)備使用一個(gè)單獨(dú)的控制器處理心率數(shù)據(jù)，該控制器通過(guò)I2C/SPI/IART協(xié)議與主處理器通信。

在這些系統(tǒng)中，多個(gè)離散組件的使用不僅在電兼容和測(cè)試方面增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且還增加了功耗（因?yàn)槿狈?duì)不使用時(shí)的AFE的控制）、BOM成本和PCB的尺寸。

為了解決這些問(wèn)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(gè)控制器，而且還包含可用于實(shí)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(chǎng)而設(shè)計(jì)，包含一個(gè)8 MHz ARM Cortex-M0 CPU、眾多可配置模擬和數(shù)字資源，以及一個(gè)內(nèi)置的藍(lán)牙智能子系統(tǒng)。

在模擬前端，該器件配有4個(gè)未配置的運(yùn)算放大器、2個(gè)低功耗比較器、1個(gè)高速SAR ADC和1個(gè)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(gè)可用于實(shí)現(xiàn)I2C/UART/SPI協(xié)議的串行通信模塊（SCB）、4個(gè)16位硬件定時(shí)器計(jì)數(shù)器PWM（TCPWM）和4個(gè)可用于在硬件中實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯（如同F(xiàn)PGA）的通用數(shù)字模塊（UDB）。

心率監(jiān)測(cè)器使用PSoC 4 BLE后，SoC使用其內(nèi)部資源實(shí)現(xiàn)了所有功能。在該控制器以外，只需要幾個(gè)無(wú)源組件和一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)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(shí)還能讓設(shè)計(jì)人員控制AFE的功耗。

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

①隨時(shí)可用的固件IP可為系統(tǒng)開發(fā)提供支持。

②由于各個(gè)模塊屬于同一個(gè)芯片，它們能夠相互配合，而且不會(huì)產(chǎn)生時(shí)延。開發(fā)人員無(wú)需擔(dān)憂如何對(duì)接它們、檢查它們的邏輯電平或解決互操作問(wèn)題。所有這些問(wèn)題都已在器件內(nèi)部得到解決。

③可配置的環(huán)境可靈活地整合最后一分鐘的設(shè)計(jì)變更。

在某些設(shè)計(jì)中，一個(gè)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(gè)Cortex-M3內(nèi)核（如PSoC 5LP）來(lái)處理系統(tǒng)相關(guān)功能，使用一個(gè)藍(lán)牙智能SoC（如PSoC 4 BLE）來(lái)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(shì)使得藍(lán)牙智能成為可穿戴產(chǎn)品的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙智能可在所有協(xié)議層實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，而且作為一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它還支持互操作性。通過(guò)利用面向可穿戴市場(chǎng)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(shí)間，從而能將更好的產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng)。