可穿戴設(shè)備對設(shè)計(jì)人員的空間節(jié)省和低功耗優(yōu)化能力要求可謂是苛刻之極。每平方毫米都很重要，每浪費(fèi)一毫安都會(huì)致使電池壽命縮短，從而不可避免地導(dǎo)致不良的用戶體驗(yàn)?？纱┐髟O(shè)備的主要電池消耗之一是無線接口，目前各種解決方案不斷涌現(xiàn)，幫助設(shè)計(jì)人員最大程度地減少了電池消耗。

本文討論了可穿戴設(shè)備的無線連接如何工作，以及如何配置無線接口以最大程度地減少電池消耗。然后，詳細(xì)介紹了來自DialogSemiconductor的無線芯片，并討論了如何給可穿戴設(shè)備正確配置藍(lán)牙連接。

消費(fèi)類可穿戴設(shè)備中的無線通信

消費(fèi)類可穿戴設(shè)備通常會(huì)連接到運(yùn)行由制造商所開發(fā)應(yīng)用的移動(dòng)設(shè)備。盡管可穿戴設(shè)備可以獨(dú)立于所連接的移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行操作，但最常見的操作模式是當(dāng)移動(dòng)設(shè)備處于連接范圍內(nèi)時(shí)，以設(shè)定的時(shí)間間隔與移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行同步。這種同步不需要實(shí)時(shí)進(jìn)行，這是功耗優(yōu)化的關(guān)鍵因素。

例如，可穿戴健身設(shè)備與應(yīng)用同步數(shù)據(jù)，包括記錄的心率、步數(shù)和隨時(shí)間變化的距離數(shù)據(jù)。即使用戶正在鍛煉，這些數(shù)據(jù)也不必實(shí)時(shí)同步。一到五秒的更新間隔便可以接受，并且該間隔通?？捎捎脩暨M(jìn)行配置。此外，可穿戴設(shè)備還會(huì)從移動(dòng)設(shè)備接收提醒，包括來電和短信。這些提醒是按需進(jìn)行的，僅在需要時(shí)發(fā)生。

設(shè)計(jì)人員可以使用多種無線接口來連接可穿戴設(shè)備，但是出于互操作性的考慮，很少有接口可與藍(lán)牙競爭，藍(lán)牙提供了可穿戴設(shè)備與移動(dòng)設(shè)備之間的直接連接。當(dāng)移動(dòng)設(shè)備超出范圍時(shí)，也可使用Wi-Fi將可穿戴設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。然后，可以將可穿戴設(shè)備配置成連接到公共網(wǎng)絡(luò)或任何其他授權(quán)訪問的網(wǎng)絡(luò)。這樣就可以雙向交換數(shù)據(jù)。例如，數(shù)據(jù)可以通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)從可穿戴設(shè)備傳輸至可穿戴設(shè)備制造商的云中，然后再通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)從云中發(fā)送至移動(dòng)設(shè)備。同時(shí)，移動(dòng)設(shè)備可以將相關(guān)本地狀況以及電子郵件或文本通知更新至可穿戴設(shè)備。

Wi-Fi由于額外的功耗和成本而在可穿戴設(shè)備中很少見，而且可穿戴設(shè)備幾乎總是在配對的移動(dòng)設(shè)備附近，因此本文將重點(diǎn)介紹藍(lán)牙。

可穿戴設(shè)備藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙最初開發(fā)用于點(diǎn)對點(diǎn)連接，數(shù)據(jù)流的傳輸速率為每秒1到3兆比特(Mb/s)。今天，這種原始的藍(lán)牙規(guī)范被稱為藍(lán)牙3.0或經(jīng)典藍(lán)牙。盡管這些早期的藍(lán)牙版本適用于傳輸音頻和多媒體文件，但它們的設(shè)計(jì)對于間歇性、低數(shù)據(jù)速率、低功耗控制信號和傳感器數(shù)據(jù)來說過于耗電。人們針對后面這些應(yīng)用開發(fā)了藍(lán)牙4.0。

如今，藍(lán)牙4.0被廣泛稱為低功耗藍(lán)牙(LE)，數(shù)據(jù)傳輸速度可低至每秒125千位(Kb/s)。此外，低功耗藍(lán)牙芯片大部分時(shí)間都處于休眠模式，直到需要時(shí)才會(huì)消耗很小的功耗。這非常適合使用小電池的低功耗可穿戴設(shè)備。

要在可穿戴設(shè)備上實(shí)現(xiàn)低功耗藍(lán)牙無線電，開發(fā)人員可以使用集成了無線電的微控制器，也可以使用外部無線電。系統(tǒng)要求決定了哪種才是最低功耗的選擇。

例如，如果將低功耗藍(lán)牙無線電作為外設(shè)集成到微控制器中，則可以節(jié)省寶貴的印刷電路板空間。但是，這需要至少對微控制器進(jìn)行部分供電，以便無線電外設(shè)能夠工作。

或者，也可以將低功耗藍(lán)牙無線電置于微控制器外部。盡管這需要額外的印刷電路板空間，但它的優(yōu)點(diǎn)是只需要使無線電芯片處于活動(dòng)狀態(tài)，而微控制器可以處于低功耗模式。此外，這還會(huì)帶來實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)方法的額外優(yōu)勢。這將允許在新設(shè)計(jì)中更換更強(qiáng)大的主機(jī)微控制器，而將低功耗藍(lán)牙無線電芯片保持不變。由于不需要將藍(lán)牙無線電和堆棧編碼到微控制器中，因此還可以加快設(shè)計(jì)周期。

使用外部藍(lán)牙芯片

可穿戴設(shè)備所用的外部藍(lán)牙芯片應(yīng)具有與微控制器的簡單接口，該接口不會(huì)明顯增加功耗，還應(yīng)該能夠?qū)⑽⒖刂破鲝男菝郀顟B(tài)喚醒。Dialog Semiconductor的DA14585藍(lán)牙SoC就是一種適合可穿戴設(shè)備的器件，如圖1所示。

DA14585基于一個(gè)Arm?Cortex?-M0核心，具有128千字節(jié)(KB)的出廠編程ROM。該器件還包含用于定制的64KB一次可編程(OTP)存儲(chǔ)器。這樣就能為DA14585開發(fā)定制的藍(lán)牙應(yīng)用固件。該固件也可以訪問其他片上外設(shè)，包括：

四通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可用于電池監(jiān)測

正交解碼器，可用于連接到三軸人機(jī)接口設(shè)備(HID)，例如帶方向的計(jì)步器

鍵盤控制器外設(shè)，可用于連接按鍵和消除按鍵抖動(dòng)

圖1：Dialog Semiconductor的DA14585是一款完整的藍(lán)牙SoC解決方案，具有完整的藍(lán)牙5.0堆棧、2.4GHz無線電收發(fā)器，以及用于定制藍(lán)牙外設(shè)的其他硬件。（圖片來源：Dialog Semiconductor）

DA14585還集成了2.4GHz收發(fā)器、基帶處理器及合格的低功耗藍(lán)牙5.0堆棧，以最大程度減少開發(fā)人員花在學(xué)習(xí)藍(lán)牙半導(dǎo)體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上的時(shí)間。該器件同時(shí)支持多達(dá)八個(gè)低功耗藍(lán)牙連接，但可穿戴設(shè)備通常只需要一個(gè)。

該芯片可以使用UART、SPI或I2C接口連接到微控制器。雖然該器件包括用于主機(jī)通信的默認(rèn)固件，但為了實(shí)現(xiàn)更高效的可穿戴系統(tǒng)設(shè)計(jì)，Dialog支持開發(fā)人員使用片上OTP來自定義主機(jī)通信。UART通過硬件流量控制支持高達(dá)1Mb/s的數(shù)據(jù)速率，因此主機(jī)微控制器必須支持兼容的UART接口。

此外，DA14585還很小巧。它采用34引腳WLCSP封裝，尺寸僅為5毫米(mm)x5mm，占用的電路板基底面很小。其厚度為0.9mm，非常適合超薄型可穿戴設(shè)備。

低功耗藍(lán)牙核心和堆棧完全符合藍(lán)牙規(guī)范v5.0（圖2）。若將堆棧放置在DA14585而不是微控制器中，一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)藍(lán)牙規(guī)范更新時(shí)，Dialog只需更新DA14585中的堆棧?？纱┐髟O(shè)備仍將照舊運(yùn)行，而開發(fā)人員可以選擇更新主機(jī)微控制器應(yīng)用固件，以利用規(guī)范中的任何更改。

圖2：Dialog Semiconductor的DA14585只需連接極少的外部元器件。它實(shí)現(xiàn)了完整的藍(lán)牙v5.0核心和無線電，因此開發(fā)人員無需了解構(gòu)建藍(lán)牙半導(dǎo)體解決方案的細(xì)節(jié)。（圖片來源：DialogSemiconductor）

藍(lán)牙無線電只需連接少量外部元器件。它支持所有藍(lán)牙設(shè)備類和數(shù)據(jù)包類型。此外，還可以關(guān)閉無線電以節(jié)省能源。Cortex-M0核心將其視為AHB總線外設(shè)。

Dialog Semiconductor還推出了DA14586，它與DA14585具有相同的ROM、OTP和外設(shè)組，但增加了2Mb的閃存。雖然閃存可以多次編程而OTP只能編程一次，但與閃存相比，OTP的耗電量要少得多。此外，DA14585的工作電壓為0.9至3.6伏，而DA14586則需要1.8至3.3伏。