智能設備設計概念并開(kāi)發(fā)小型醫療、可穿戴和娛樂(lè )設備

隨著(zhù)科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，并被賦予更多智能功能，與網(wǎng)絡(luò )連接也成為基本功能，像是小型藍牙醫療保健設備與可穿戴設備、智能娛樂(lè )設備和增強現實(shí)（ AR ）和虛擬現實(shí)（ VR ）解決方案等產(chǎn)品，已經(jīng)逐步改變人類(lèi)的生活樣貌。本文將為您介紹設計這類(lèi)電子產(chǎn)品的設計概念，以及由 Silicon Labs （芯科科技）所推出相關(guān)解決方案的產(chǎn)品特性。

設計更智能、更小巧的藍牙醫療保健和可穿戴設備

想要構建外形小巧且要求嚴格的藍牙醫療保健設備，不僅僅是從市場(chǎng)上挑選最小的硬件組件，您還可以通過(guò)優(yōu)化物料表（ BOM ）來(lái)減小產(chǎn)品尺寸，使用集成的藍牙 SoC 和模塊，并包括醫療保健應用中所需的各種外圍功能和特性，可以節省大量 PCB 尺寸，提高設計靈活性，并降低成本。

想要設計藍牙醫療保健設備，可以通過(guò)以下幾個(gè)設計概念，來(lái)加速產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與集成更多的功能。首先，藍牙醫療保健設備可采用集成式 AI/ML 加速器，來(lái)增進(jìn)設備的智能控制功能，通過(guò)機器學(xué)習（ ML ）可允許根據現有模型處理大量傳感器數據，以識別異常情況，并確定需要將哪些數據傳輸回云。如今的無(wú)線(xiàn)設備可將所有收集到的數據傳輸回云進(jìn)行處理和分析。通過(guò)識別設備上的關(guān)鍵數據，只需要傳輸回某些數據子集，將可節省寶貴的資源并延長(cháng)電池壽命。

人工智能（ AI ）也可以用于原居安老等應用，在這些應用中，監測生命體征、查看數據變化、觀(guān)察步態(tài)等，以及通常識別非正常模式，可以為提供者提供關(guān)鍵的診斷數據，并向護理人員和親人觸發(fā)救生警報，從而大大改善、甚至挽救患者的生命。

此外，這些產(chǎn)品需要集成更多的模擬外圍器件，像是 ADC 可用于許多無(wú)線(xiàn)醫療保健設備和可穿戴設備，以實(shí)現傳感器測量和電池電源監控。對于采用基于分離模擬前端（ AFE ）解決方案的連續血糖監測（ CGM ）和其他便攜式醫療保健設備制造商而言， ADC 和 DAC 是可在芯片上使用的兩種關(guān)鍵功能。

低功耗以提高能源效率和電池壽命

DC-DC 轉換器則是電池供電醫療保健設備的一項重要功能，升壓轉換器允許 SoC 使用堿性和氧化銀等低壓電池，輸入范圍為 0.8 至 1.7 V ，使藍牙 SoC 能夠在較低的電源電壓下工作。降壓轉換器允許 SoC 使用其他的 3V 電池，例如鋰鈕扣電池，它用于提高能源效率和電池壽命或減小電池尺寸。

為了預測和防止在關(guān)鍵健康應用的使用過(guò)程中出現意外電池耗盡，庫侖計數器這種電荷計量器可準確跟蹤電池電量，以增強用戶(hù)的安全和體驗。此外，低頻 RC 振蕩器也是藍牙低功耗（ LE ） 2.4 GHz 應用的關(guān)鍵器件，藍牙低功耗 SoC 需要滿(mǎn)足 ±500 ppm 的指定睡眠時(shí)鐘精度。

由于醫療保健設備和可穿戴設備使用的功率級別較低，這意味著(zhù)在匹配網(wǎng)絡(luò )時(shí)，需要減少設計中的 PCB 層和器件數量，同時(shí)保持可接受的射頻（ RF ）性能，并將藍牙設備的功耗降至最低，使設備制造商能夠減小設備外形尺寸。

全球 AR/VR 設備市場(chǎng)前景看好

目前的消費者越來(lái)越以家庭為中心 —— 工作、教育、醫療保健、購物和娛樂(lè )必須能夠在家中進(jìn)行，憑借 AR/VR 技術(shù)，真實(shí)世界和數字世界的界限也在相互交織。您可以戴上 AR/VR 頭戴式顯示器（ HMD ），拿起一對手持控制器，真正地沉浸在 3D 游戲或電影中?；蛘吣梢灾苯釉诩抑羞M(jìn)入一個(gè)逼真的虛擬購物中心，試穿新衣服，或者查看新沙發(fā)的外觀(guān)。 AR/VR 應用可以增強消費者體驗，使我們的生活更加高效，而到 2027 年，全球 AR/VR 設備市場(chǎng)中 AR/VR 應用的復合年增長(cháng)率（ CAGR ）預計將達到 26% 。

可穿戴 AR/VR 設備帶來(lái)了獨特的無(wú)線(xiàn)設計挑戰，它們必須非常節能，以最大限度地延長(cháng)電池壽命和充電間隔，并盡可能減少電池重量，同時(shí)處理高帶寬視頻以帶來(lái)自然的視覺(jué)體驗。 VR 控制器和 HMD 之間的延遲至關(guān)重要，其必須以最小的延遲進(jìn)行通信，以便對手勢和動(dòng)作做出及時(shí)響應。

AR 和 VR 應用有三個(gè)關(guān)鍵無(wú)線(xiàn)要求：低功耗、低延遲和穩定的連接。其中的能效對于改善 VR 控制器、智能眼鏡和 AR/VR 頭戴設備等電池供電和可充電設備的用戶(hù)體驗至關(guān)重要。此外，安全是聯(lián)網(wǎng)設備用戶(hù)最關(guān)心的問(wèn)題之一， HMD 和 VR 控制器都可以成為家庭網(wǎng)絡(luò )遭受惡意攻擊的大門(mén)。

高度集成的藍牙低功耗 SoC

Silicon Labs 針對藍牙無(wú)線(xiàn)連接與控制應用，推出了多款的 SoC 與模塊，以下將為您介紹一些代表產(chǎn)品的功能與特性。

EFR32BG22 系列 2 藍牙低功耗 SoC 是一款具有行業(yè)前沿的能效和接收器（ RX ）靈敏度的 SoC ，適用于節能型智能娛樂(lè )設備。這款 SoC 僅有 4 x 4 mm 的小尺寸，并支持 Secure Vault 安全功能。 EFR32BG22 和 EFR32BG22E 藍牙低功耗無(wú)線(xiàn) SoC 解決方案是 Wireless Gecko Series 2 平臺的一部分。這些器件的設計高度注重能源效率，提供一流的超低傳輸功率和接收功率，高性能、低功耗 Arm? Cortex? -M33 內核提供業(yè)界領(lǐng)先的能源效率，可將鈕扣電池壽命延長(cháng)長(cháng)達十年。

Silicon Labs 的 BG22 能夠協(xié)助創(chuàng )建節能應用，而 BG22E （ “E” 表示節能）通過(guò)延長(cháng)電池壽命和支持完全無(wú)需電池的設計，進(jìn)一步增強了節能優(yōu)勢。 BG22 和 BG22E 系列是適用于環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)或能量收集設備的市場(chǎng)領(lǐng)先的理想 SoC ，目標應用包括藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )低功耗節點(diǎn)、智能門(mén)鎖、個(gè)人醫療保健和健身設備。

EFR32BG27 系列 2 藍牙低功耗 SoC 則是采用 WLCSP （ 2.3 x 2.6 mm ）和 QFN 封裝的緊湊型超低功耗 SoC ，支持高性能藍牙低功耗。 DCDC 升壓可實(shí)現寬電壓范圍，庫侖計數器可準確跟蹤電池電量，支持 PSA 2 級安全性。 EFR32BG27 系列無(wú)線(xiàn) SoC 使用鈕扣電池即可運行，從而開(kāi)創(chuàng )了新的可能性?，F在，設備制造商可以在不犧牲性能和安全性的情況下，滿(mǎn)足極小封裝應用的需求。

BG27 藍牙 SoC 集成 DCDC 升壓功能，可在低至 0.8 伏的電壓下工作，支持單節堿性和 1.5 伏鈕扣電池。此外， BG27 的喚醒引腳可使倉庫或運輸途中的產(chǎn)品數月保持關(guān)閉狀態(tài)，功耗不到 20 nA ，確保電池保持電量可供使用。集成式庫侖計數器能夠精確監控電池電量，避免關(guān)鍵應用出現意外電池耗盡。目標應用包括互聯(lián)醫療保健設備、可穿戴設備、傳感器、開(kāi)關(guān)、智能門(mén)鎖以及商用和 LED 照明。

EFR32BG24 系列 2 藍牙低功耗 SoC - EFR32BG24 是具有高性能無(wú)線(xiàn)和低功耗 SoC ，適用于電池高效型智能可穿戴設備，具有集成 AI/ML 加速器和獲得最高 PSA 3 級認證的 Secure Vault? 安全功能。 EFR32BG24 無(wú)線(xiàn) SoC 是使用藍牙低功耗和藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)連接的理想選擇，適用于智能家居、照明和便攜式醫療保健產(chǎn)品。

EFR32BG24 憑借高性能 2.4 GHz RF 、低電流消耗、 AI/ML 硬件加速器和 Secure Vault? 等關(guān)鍵功能，物聯(lián)網(wǎng)設備制造商可以創(chuàng )建智能、穩健、節能的產(chǎn)品，避免遠程和本地網(wǎng)絡(luò )攻擊。 ARM Cortex? -M33 運行高達 78 MHz ，具有 1.5 MB 的閃存和 256kB 的 RAM ，可為要求苛刻的應用提供資源，同時(shí)為未來(lái)增長(cháng)留出空間。目標應用包括網(wǎng)關(guān)／集線(xiàn)器、傳感器、開(kāi)關(guān)、門(mén)鎖、智能插頭、 LED 照明、燈具、血糖儀和脈搏血氧計。

滿(mǎn)足超低功耗物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)設備需求的解決方案

EFR32FG22 （ FG22 ）系列 2 專(zhuān)有無(wú)線(xiàn) 2.4 Ghz SoC 是具有行業(yè)前沿的能效和接收器（ RX ）靈敏度的 SoC ，適用于節能型智能娛樂(lè )設備，僅有 4 x 4 mm 的小尺寸和支持 Secure Vault 安全功能。 EFR32FG22 和 EFR32FG22E 專(zhuān)有無(wú)線(xiàn) 2.4 Ghz SoC 解決方案是 Wireless Gecko Series 2 平臺的一部分。

FG22 SoC 將 38.4 MHz Arm? Cortex?-M33 內核與 TrustZone 以及接收靈敏度達 -102.3 dBm 的高性能無(wú)線(xiàn)電集成在一起。 FG22 讓您能夠創(chuàng )建節能應用，而 FG22E （ “E” 表示節能）通過(guò)延長(cháng)電池壽命和支持完全無(wú)需電池的設計，進(jìn)一步增強了節能優(yōu)勢。這款 SoC 將超低傳輸和接收功率（ +6 dBm 下為 8.2 mA TX ， 3.6 mA RX ）、 1.2 μA 深度睡眠模式功率，以及諸如 RFSense 之類(lèi)創(chuàng )新低功耗功能組合在一起，提供業(yè)界領(lǐng)先的能源效率，可延長(cháng)電池有限或能量收集選項的產(chǎn)品的運行壽命。

Silicon Labs RS9116 無(wú)線(xiàn)模塊則是帶集成天線(xiàn)的超低功耗 RF 認證 Wi-Fi 4 SiP 模塊（ 802.11 b/g/n ），支持藍牙低功耗、經(jīng)典藍牙（ Bluetooth Classic ）和安全網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，具有 4.63 x 7.90 x 0.9 mm 的緊湊尺寸。 RS9116 無(wú)線(xiàn)模塊是單波段和雙波段模塊，可提供全面的多協(xié)議無(wú)線(xiàn)連接解決方案，包括 Wi-Fi 和雙模藍牙 5 。無(wú)線(xiàn)模塊具有功率優(yōu)化性能，可提供高數據吞吐量和擴展的范圍，無(wú)線(xiàn)模塊并已通過(guò) FCC 、 IC 和 ETSI/CE 認證。

SiWx917 Wi-Fi 6 和藍牙低功耗 5.4 無(wú)線(xiàn) SoC 是一款支持低功耗 Wi-Fi 6 與藍牙低功耗的 SoC ，適用于需要節能的智能設備，內置高達 8 MB 的閃存和外部 PSRAM 。 SiWx917 SoC 是 Silicon Labs 功耗最低的 Wi-Fi 6 SoC ，是使用 Wi-Fi? 、藍牙、 Matter 和 IP 網(wǎng)絡(luò )實(shí)現安全云連接的超低功耗物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)設備的理想之選，非常適合于開(kāi)發(fā)需由使用時(shí)間較長(cháng)的電池供電的設備。

SiWx917 SoC 包括超低功耗 Wi-Fi 6 及藍牙低功耗 5.4 無(wú)線(xiàn) CPU 子系統，以及集成微控制器（ MCU ）應用子系統、安全功能、外圍器件和電源管理子系統，所有這些都集成在一個(gè)尺寸為 7 x 7 mm 的 QFN 封裝中。無(wú)線(xiàn)子系統由運行速度高達 160 MHz 的多線(xiàn)程處理器、基帶數字信號處理、模擬前端、 2.4 GHz RF 收發(fā)器和集成功率放大器組成。

SiWx917 的應用子系統由運行頻率高達 180 MHz 的 ARM? Cortex?-M4F 、嵌入式 SRAM 、閃存和傳感器集線(xiàn)器組成。 ARM? Cortex?-M4F 專(zhuān)門(mén)用于外圍器件和應用相關(guān)處理，而網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)處理器在獨立線(xiàn)程上運行無(wú)線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，因此可提供完全集成的解決方案，可直接用于各種嵌入式無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用。目標應用場(chǎng)景包括智能家居、消費者健康和可穿戴設備、醫療保健、工業(yè)、零售、智能建筑和城市、資產(chǎn)跟蹤。

結語(yǔ)

在當前快速變遷的科技環(huán)境中，開(kāi)發(fā)智能設備不僅僅是技術(shù)創(chuàng )新，更是滿(mǎn)足用戶(hù)需求與提升生活質(zhì)量的重要途徑。在設計智能設備的過(guò)程中，設計者可通過(guò)運用先進(jìn)的傳感技術(shù)、大數據分析與人工智能等現代科技，智能設備能夠實(shí)現更高效、更智能的互動(dòng)方式，為用戶(hù)帶來(lái)更加便利和舒適的生活體驗。 Silicon Labs 擁有完整的產(chǎn)品解決方案與技術(shù)支持服務(wù)，將是您開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的最佳合作伙伴之一。