利用SoC設計簡(jiǎn)化可穿戴設備的開(kāi)發(fā)

　　可穿戴技術(shù)受到了用戶(hù)的追捧，因為這些設備有助于分析人們的日?；顒?dòng)，并可通過(guò)一種直觀(guān)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備，最有名的是智能手表、活動(dòng)監測器和健身手環(huán)。這些高度便攜式設備被戴在用戶(hù)身上，或以其它方式附著(zhù)在人身上，能夠通過(guò)一個(gè)或多個(gè)傳感器測量和捕獲信息(參見(jiàn)圖1)。

　　圖1：一個(gè)典型的可穿戴設備能夠整合用戶(hù)數據和外部數據，它與一個(gè)外部設備配合工作，分析并向用戶(hù)顯示信息。

　　這些設備持續監測用戶(hù)的活動(dòng)，即使他們在睡覺(jué)時(shí)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(guò)一種直觀(guān)的方式和無(wú)線(xiàn)接口向用戶(hù)顯示監測結果。由于這些設備提供有可能改變用戶(hù)活動(dòng)的重要信息，它們必需做到可靠、精確。此外，為了盡量延長(cháng)電池續航時(shí)間，它們還應該盡可能的高效。

　　可穿戴設備通常內置一個(gè)或多個(gè)傳感器、存儲器件、連接器件(射頻控制器)、一個(gè)顯示屏和一塊電池(參見(jiàn)圖2)。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2：一個(gè)可穿戴設備的框圖，圖中顯示了MCU、傳感器、閃存、電池及電源管理器件、連接子系統和顯示器。

　　市場(chǎng)上現有的通信協(xié)議包括ZigBee、Wi-Fi、經(jīng)典藍牙等標準協(xié)議以及芯片廠(chǎng)商制定的各種專(zhuān)有協(xié)議。標準協(xié)議在設計時(shí)沒(méi)有將低功耗視為一個(gè)重要特性，因此，很長(cháng)時(shí)間一來(lái)，大多數OE廠(chǎng)商選擇在他們的低功耗產(chǎn)品中使用專(zhuān)有協(xié)議。但是，使用這些專(zhuān)有協(xié)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(gè)互操作環(huán)境，藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)推出了一個(gè)新的藍牙版本-藍牙智能，它是一個(gè)旨在以最低功耗實(shí)現短程通信的無(wú)線(xiàn)標準。

　　藍牙智能的優(yōu)勢

　　與經(jīng)典藍牙協(xié)議一樣，藍牙智能協(xié)議工作于2.4 GHz ISM頻段，帶寬為1 Mbps。但與經(jīng)典藍牙協(xié)議不同的是，藍牙智能協(xié)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(tài)信息的應用。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，它還能將建立數據交換連接的時(shí)間縮短至幾個(gè)毫秒。

　　藍牙智能架構的每一層都為降低功耗而優(yōu)化。例如，與經(jīng)典藍牙協(xié)議相比，它使用一個(gè)較大的物理層調制指數，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?？刂破髫撠焾绦懈鞣N重要任務(wù)，例如：建立連接和忽略重復包，因此讓主機能夠更長(cháng)地保持低功耗模式。

　　藍牙智能協(xié)議擁有一個(gè)與經(jīng)典藍牙協(xié)議類(lèi)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(wú)需執行連接程序也能傳送信息。

　　藍牙智能協(xié)議非常適合可穿戴設備，原因如下：

　　該協(xié)議專(zhuān)為實(shí)現超低功耗而優(yōu)化;

　　低功耗設計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(cháng)時(shí)間間隔交換少量突發(fā)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(jīng)典藍牙和藍牙智能協(xié)議的雙模設備)。這與專(zhuān)有協(xié)議形成鮮明對比，后者需要廠(chǎng)商付出額外努力才能確保連接性。

　　可穿戴設備的一個(gè)典型使用模式為設備進(jìn)入超低功耗或待機模式提供了多個(gè)機遇(參見(jiàn)圖3)。

　　圖3：活動(dòng)監測器等可穿戴設備的正常使用模式為設備進(jìn)入超低功耗甚至待機模式提供了多個(gè)機遇。

　　即使在活動(dòng)期間，可穿戴設備也不必連續發(fā)送數據。無(wú)論是三軸加速計測量的運動(dòng)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(gè)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(guò)藍牙智能連接發(fā)送數據。其余時(shí)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(shí)間之間進(jìn)行權衡。應根據系統的時(shí)間要求選擇不同的模式。

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

　　光學(xué)心率監測

　　讓我們以一款可監測心率的手環(huán)為例(參見(jiàn)圖4)。光學(xué)心率監測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據。該技術(shù)使用一個(gè)LED照亮人體組織，并使用一個(gè)光電二極管測量反射信號，后者包含血容量變化的信息。一個(gè)跨阻放大器(TIA)將光電流轉換為電壓，該電壓然后被一個(gè)模數轉換器(ADC)轉換為數字信號。這個(gè)數字信號然后在手環(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。

　　圖4：手環(huán)心率監測器分析傳感器處的血容量變化導致的光信號的變化。一個(gè)光電二極管讀取反射信號，一個(gè)跨阻放大器將光電流轉換為電壓。模擬信號必需被轉換為數字信號，然后經(jīng)過(guò)過(guò)濾，才能獲得心率數據。

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

　　在這些系統中，多個(gè)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(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(chǎng)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(gè)控制器，而且還包含可用于實(shí)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(zhuān)為可穿戴市場(chǎng)而設計，包含一個(gè)8-MHz ARM®Cortex®M0 CPU、眾多可配置模擬和數字資源和一個(gè)內置的藍牙智能子系統(參見(jiàn)圖5)。

　　圖5：PSoC 4 BLE在一個(gè)封裝中內置了處理器、存儲器件、連接器件、電源管理器件以及模擬和數字資源。

　　在模擬前端，該器件配有4個(gè)未配置的運算放大器、2個(gè)低功耗比較器、1個(gè)高速SAR ADC和一個(gè)面向用戶(hù)接口應用的專(zhuān)用電容式感應模塊。在數字方面，它配有2個(gè)可用于實(shí)現I2C/UART/SPI協(xié)議的串行通信模塊(SCB)、4個(gè)16位硬件定時(shí)器計數器PWM(TCPWM)和4個(gè)可用于在硬件中實(shí)現數字邏輯(如同FPGA)的通用數字模塊(UDB)。

　　為了展示SoC架構的優(yōu)勢，讓我們看一看圖4所示的心率監測器使用PSoC 4 BLE后發(fā)生了哪些變化(參見(jiàn)圖6)。在這個(gè)版本中，SoC使用其內部資源實(shí)現了所有功能。在該控制器以外，只需要幾個(gè)無(wú)源組件和一個(gè)用于驅動(dòng)LED、隸屬于射頻匹配網(wǎng)絡(luò )的晶體管。這種集成架構消減了BOM成本和PCB尺寸，同時(shí)還能讓設計人員控制AFE的功耗。

　　圖6：手環(huán)心率檢測器的SoC架構消減了設計的尺寸、BOM成本和復雜程度。

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

　　隨時(shí)可用的固件IP可為系統開(kāi)發(fā)提供支持。

　　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(kāi)發(fā)人員無(wú)需擔憂(yōu)如何對接它們、檢查它們的邏輯電平或解決互操作問(wèn)題。所有這些問(wèn)題都已在器件內部得到解決。

　　可配置的環(huán)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(gè)Cortex-M0內核可能不足以滿(mǎn)足處理能力要求。在這種情況下，可以使用一個(gè)Cortex-M3內核(如PSoC 5LP)來(lái)處理系統相關(guān)功能, 使用一個(gè)藍牙智能SoC(如PSoC 4 BLE)來(lái)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(xié)議的設備的日益普及以及藍牙智能技術(shù)的低功耗優(yōu)勢使得藍牙智能成為可穿戴產(chǎn)品的事實(shí)標準。藍牙智能可在所有協(xié)議層實(shí)現低功耗設計，而且作為一種標準協(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備的尺寸、功耗、BOM成本、復雜程度和上市時(shí)間，從而能將更好的產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng)。