利用SoC設計簡化可穿戴設備的開發

賽普拉斯半導體公司

可穿戴技術受到了用戶的追捧，因為這些設備有助于分析人們的日常活動，并可通過一種直觀的方式交換信息，極大改善我們的生活方式，給我們帶來便利。市場上有各種各樣的可穿戴電子設備，最有名的是智能手表、活動監測器和健身手環。這些高度便攜式設備被戴在用戶身上，或以其他方式附著在人身上，能夠通過一個或多個傳感器測量和捕獲信息。

這些設備持續監測用戶的活動，即使他們在睡覺時也不例外。它們運行各種復雜的算法，以提取有意義的信息（例如佩戴者的睡眠情況），并通過一種直觀的方式和無線接口向用戶顯示監測結果。由于這些設備提供有可能改變用戶活動的重要信息，它們必須做到可靠、精確。此外，為了盡量延長電池續航時間，它們還應該盡可能做到高效。

可穿戴設備通常內置一個或多個傳感器、存儲器件、連接器件（射頻控制器）、一個顯示屏和一塊電池（參見圖1）。除了具備較高的功能性、可靠性和能效之外，可穿戴設備還應該小巧、輕便和便宜，并能夠支持各種不同的通信模式。

圖1

市場上現有的通信協議包括ZigBee、Wi-Fi、經典藍牙等標準協議，以及芯片廠商制定的各種專有協議。標準協議在設計時沒有將低功耗視為一個重要特性，因此，很長時間以來，大多數OEM廠商選擇在他們的低功耗產品中使用專有協議。但是，使用這些專有協議造成了很多互操作性限制，并降低了設計的靈活性。

為了消除這些局限性，并打造一個互操作環境，藍牙技術聯盟（SIG）推出了一個新的藍牙版本——藍牙智能，它是一個旨在以最低功耗實現短程通信的無線標準。

藍牙智能的優勢

同經典藍牙協議一樣，藍牙智能協議工作于2.4 GHz ISM頻段，帶寬為1 Mbps。但與經典藍牙協議不同的是，藍牙智能協議還提供眾多適合低功耗可穿戴應用的特性。它的數據速率較低，這非常適合那些只需交換狀態信息的應用。該協議經過優化，能夠以固定時間間隔傳送少量突發信息，從而讓主機能夠在傳送信息的同時保持超低功耗模式。此外，它還能將建立數據交換連接的時間縮短至幾個毫秒。

藍牙智能架構的每一層都為降低功耗而優化。例如，與經典藍牙協議相比，它使用一個較大的物理層調制指數，后者有助于降低收發電流。鏈路層也為快速重連而優化，從而降低了功耗。控制器負責執行各種重要任務，例如建立連接和忽略重復包，因此讓主機能夠更長久地保持低功耗模式。

藍牙智能協議擁有一個與經典藍牙協議類似的可靠架構，并支持自適應跳頻和32位CRC校驗。此外，它還支持一種名為“廣播模式“的特殊模式，該模式可讓設備無需執行連接程序也能傳送信息。

藍牙智能協議非常適合可穿戴設備，原因如下：

◆該協議專為實現超低功耗而優化；

◆低功耗設計有助于縮減電池尺寸，從而消減產品的成本、尺寸和重量；

◆支持那些以較長時間間隔交換少量突發信息的可穿戴設備；

◆便于推廣，因為智能手機中內置支持藍牙智能的主機（支持經典藍牙和藍牙智能協議的雙模設備），這與專有協議形成鮮明對比，后者需要廠商付出額外努力才能確保連接性。

可穿戴設備的一個典型使用模式為設備進入超低功耗或待機模式提供了多個機遇（參見圖2）。

圖2

即使在活動期間，可穿戴設備也不必連續發送數據。無論是三軸加速計測量的運動數據，還是傳感器感測的心率，數據都是周期性傳送，通常是每個連接間隔傳送一次。正常的程序是感測數據、轉換數據，然后通過藍牙智能連接發送數據。其余時間內，系統都處在深度睡眠模式。請注意，現有的大多數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間之間進行權衡。應根據系統的時間要求選擇不同的模式。

必須注意的是，通信協議只是可穿戴設計的一個方面。除了通信接口之外，可穿戴設備還包含傳感器、一個用于處理傳感器信號的模擬前端（AFE）、一個用于過濾環境噪聲的數字信號處理器、用于存儲信息的存儲器件、一個用于實現多種系統相關功能的處理器、一個電池充電器等多個其他模塊。設計系統時，我們需要所有這些組件實現最低功耗。

光學心率監測

讓我們以可監測心率的手環為例。光學心率監測器的工作原理是光電容積脈搏波（PPG）技術，它通過處理血容量的變化生成心率數據。該技術使用一個LED照亮人體組織，并使用一個光電二極管測量反射信號，后者包含血容量變化的信息。一個跨阻放大器（TIA）將光電流轉換為電壓，然后該電壓被一個模/數轉換器（ADC）轉換為數字信號。這個數字信號在手環處理器的固件中被處理，以去除直流偏移和高頻噪聲，從而檢測出心率；此外，還可以使用有源濾波器在模擬域中進行過濾。

完成數據分析后，設備使用一條藍牙鏈路將心率數據發送到手環或支持藍牙智能協議的設備上的藍牙智能控制器。在某些光學心率監測器中，可穿戴設備使用一個單獨的控制器處理心率數據，該控制器通過I2C/SPI/IART協議與主處理器通信。

在這些系統中，多個離散組件的使用不僅在電兼容和測試方面增加了系統的復雜性，而且還增加了功耗（因為缺乏對不使用時的AFE的控制）、BOM成本和PCB的尺寸。

為了解決這些問題，多家廠商推出了基于片上系統（SoC）架構的設備。這些設備不僅內置一個控制器，而且還包含可用于實現大多數基本AFE和數字功能的模擬和數字系統。其中一款控制器就是基于賽普拉斯可編程片上系統（PSoC）架構的PSoC 4 BLE。該款SoC專為可穿戴市場而設計，包含一個8 MHz ARM Cortex-M0 CPU、眾多可配置模擬和數字資源，以及一個內置的藍牙智能子系統。

在模擬前端，該器件配有4個未配置的運算放大器、2個低功耗比較器、1個高速SAR ADC和1個面向用戶接口應用的專用電容式感應模塊。在數字方面，它配有2個可用于實現I2C/UART/SPI協議的串行通信模塊（SCB）、4個16位硬件定時器計數器PWM（TCPWM）和4個可用于在硬件中實現數字邏輯（如同FPGA）的通用數字模塊（UDB）。

心率監測器使用PSoC 4 BLE后，SoC使用其內部資源實現了所有功能。在該控制器以外，只需要幾個無源組件和一個用于驅動LED、隸屬于射頻匹配網絡的晶體管。這種集成架構消減了BOM成本和PCB尺寸，同時還能讓設計人員控制AFE的功耗。

除了這些優勢之外，使用SoC架構還有助于縮短產品的上市時間，原因如下：

①隨時可用的固件IP可為系統開發提供支持。

②由于各個模塊屬于同一個芯片，它們能夠相互配合，而且不會產生時延。開發人員無需擔憂如何對接它們、檢查它們的邏輯電平或解決互操作問題。所有這些問題都已在器件內部得到解決。

③可配置的環境可靈活地整合最后一分鐘的設計變更。

在某些設計中，一個Cortex-M0內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Cortex-M3內核（如PSoC 5LP）來處理系統相關功能，使用一個藍牙智能SoC（如PSoC 4 BLE）來控制藍牙通信以及AFE和數字邏輯。

智能手機等支持藍牙智能協議的設備的日益普及以及藍牙智能技術的低功耗優勢使得藍牙智能成為可穿戴產品的事實標準。藍牙智能可在所有協議層實現低功耗設計，而且作為一種標準協議，它還支持互操作性。通過利用面向可穿戴市場的SoC，嵌入式工程師可縮減設備的尺寸、功耗、BOM成本、復雜程度和上市時間，從而能將更好的產品更快地推向市場。