可穿戴設(shè)備的應(yīng)用范圍廣泛，包括醫(yī)療保健、運動健身、游戲、生活方式、工業(yè)和軍事。它們監(jiān)控身體的各個部位，包括眼睛（智能眼鏡）、頸部（項鏈或項圈耳機(jī)）、手（手套）、手腕（活動監(jiān)視器和睡眠傳感器）、腳（智能襪子和鞋子）和專門區(qū)域，例如跟蹤設(shè)備或運動傳感器所需要的?？纱┐髟O(shè)備通常配備傳感器、處理器、存儲、連接鏈路（用于上傳數(shù)據(jù)和下載更新）、顯示器和電池。圖 1 顯示了典型活動監(jiān)視器的框圖。

圖 1：可穿戴活動監(jiān)視器的框圖。

可穿戴設(shè)備引入了幾個必須考慮的設(shè)計因素，并且可能與其他類型的嵌入式設(shè)備不同。由于這些設(shè)備已磨損，因此尺寸和重量至關(guān)重要。考慮到可穿戴設(shè)備必須在有限的電池電量下運行，平均電池壽命也很重要。對于基于消費者的應(yīng)用，低成本是必不可少的。所需的處理器類型和所需的存儲量取決于可穿戴設(shè)備必須支持的用例。例如，運動傳感器提供必須傳輸?shù)倪B續(xù)數(shù)據(jù)流；相反，活動監(jiān)視器持續(xù)收集數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行處理以識別當(dāng)前正在執(zhí)行的活動，然后記錄此元數(shù)據(jù)以供以后下載。

低功耗通信

可穿戴設(shè)備的通信方式對關(guān)鍵設(shè)計因素有重大影響。OEM 有許多可用于可穿戴設(shè)備的通信協(xié)議。藍(lán)牙經(jīng)典、ZigBee 和 Wi-Fi 等成熟標(biāo)準(zhǔn)具有很強(qiáng)的市場滲透率，但并未將低功耗作為主要設(shè)計考慮因素。因此，許多 OEM 已轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ袇f(xié)議以實現(xiàn)必要的能源效率。然而，專有協(xié)議可能會限制可穿戴設(shè)備的靈活性和市場范圍，因為它們將互操作性限制為僅支持相同專有協(xié)議的設(shè)備。

為了滿足可穿戴設(shè)備和其他低功耗應(yīng)用的要求，藍(lán)牙特別興趣小組開發(fā)了低功耗藍(lán)牙 （BLE）。BLE 專注于實現(xiàn)短距離通信的最低功耗。BLE 在經(jīng)典藍(lán)牙使用的 2.4 GHz ISM 頻段運行，使設(shè)備能夠利用現(xiàn)有的藍(lán)牙無線電技術(shù)來降低成本。

BLE 提供 1 Mbps 的帶寬，這對于大多數(shù)可穿戴應(yīng)用來說綽綽有余。通常，可穿戴應(yīng)用程序還需要提供狀態(tài)信息，而不是在傳輸之間記錄大量數(shù)據(jù)。

為了最大限度地降低功耗，BLE 架構(gòu)在每一層都進(jìn)行了優(yōu)化：

PHY 層 –增加 PHY 調(diào)制指數(shù)可降低發(fā)送和接收電流

鏈路層 –快速重新連接減少了整體傳輸時間

控制器層——更智能的控制器處理諸如建立連接和忽略重復(fù)數(shù)據(jù)包等任務(wù)。以這種方式卸載主機(jī)處理器使處理器能夠更長時間地保持在待機(jī)或睡眠模式

協(xié)議層——用于交換數(shù)據(jù)的連接建立時間減少到幾毫秒。該協(xié)議還進(jìn)行了優(yōu)化，以定期突發(fā)小塊數(shù)據(jù)。這允許主機(jī)處理器在未傳輸信息時最大限度地延長其在待機(jī)或睡眠模式下的時間

廣播模式——可穿戴設(shè)備只能在廣播模式下運行，無需設(shè)備進(jìn)行連接程序

穩(wěn)健的架構(gòu) – BLE 支持具有 32 位 CRC 的自適應(yīng)跳頻，以確保更可靠的傳輸

BLE 的超低功耗使其成為可穿戴設(shè)備的理想選擇。其效率可減小電池尺寸，從而降低設(shè)備成本、尺寸和重量。

雖然低功耗藍(lán)牙基于藍(lán)牙技術(shù)，但它與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙無線電不兼容。但是，可以使用同時支持經(jīng)典藍(lán)牙和 BLE 的雙模無線電。雙模設(shè)備，稱為藍(lán)牙智能就緒主機(jī)，無需加密狗，這是使用專有協(xié)議時所必需的。智能手機(jī)中隨時可用的 BLE Smart Ready 主機(jī)為消費者提供了一種簡單且經(jīng)濟(jì)高效的方式來連接可穿戴設(shè)備。

復(fù)雜的全封裝設(shè)計

通信只是可穿戴架構(gòu)的一部分。除其他組件外，這些設(shè)備還必須具有：

用于處理原始傳感器信號的模擬前端

數(shù)字信號處理功能可濾除噪聲并提供高級后處理

貯存

用于高級系統(tǒng)功能的處理器

充電器

圖 2 詳細(xì)介紹了作為腕帶實現(xiàn)的光學(xué)心率監(jiān)測器。這種類型的設(shè)備使用 LED 照亮組織，由光電二極管測量的反射信號攜帶有關(guān)血容量變化的信息?？缱?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為電壓，然后由 ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在檢測到心跳之前，該數(shù)字信號需要過濾以去除直流偏移和高頻噪聲。該信息被傳遞給 BLE 控制器進(jìn)行傳輸。可選地，可穿戴設(shè)備可以在傳輸之前計算心率。

圖 2：腕帶式光學(xué)心率監(jiān)測器框圖。

多個分立元件使系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜化。每個附加組件也會增加功耗、系統(tǒng)尺寸和成本。為了最大限度地減少這些因素，OEM 可以利用片上系統(tǒng) （SoC） 架構(gòu)，該架構(gòu)將控制器與必要的模擬和數(shù)字組件集成在一起。例如，賽普拉斯的 PSoC BLE 旨在滿足可穿戴市場的嚴(yán)格要求。它集成了具有可配置模擬和數(shù)字資源的 40 MHz Cortex M0 CPU，并具有內(nèi)置的 BLE 子系統(tǒng)。

圖 3 顯示了使用 PSoC BLE 實現(xiàn)心率監(jiān)測器。對于模擬前端，四個未配置的運算放大器、兩個低功耗比較器、一個高速 SAR ADC 和一個專用的電容感應(yīng)塊支持基于觸摸的高級用戶界面。對于數(shù)字處理，可以使用兩個串行通信模塊來支持 I2C、UART 和 SPI 接口。該處理器還具有四個 16 位硬件定時器計數(shù)器脈沖寬度調(diào)制器和四個通用數(shù)字塊，用于在硬件中實現(xiàn)數(shù)字邏輯，類似于在 FPGA 中實現(xiàn)邏輯的方式。

圖 3：使用 PSoC 4 BLE 片上系統(tǒng)的腕帶光學(xué)心率監(jiān)測器框圖。

對于此應(yīng)用，控制器外部所需的唯一外部組件是一些無源組件、一個用于驅(qū)動 LED 的晶體管以及那些用于射頻匹配的組件。集成其他組件的一個優(yōu)點是可以更好地控制系統(tǒng)功率。例如，開發(fā)人員可以在不使用模擬前端時將其禁用。

Bluetooth Smart Ready 在智能手機(jī)、平板電腦和其他便攜式設(shè)備中的現(xiàn)成可用性使得低功耗藍(lán)牙成為可穿戴應(yīng)用中通信協(xié)議的絕佳選擇。借助基于 SoC 的 BLE 控制器，OEM 可以最大限度地降低功耗、設(shè)備尺寸和系統(tǒng)成本，使其可穿戴設(shè)計更具吸引力和競爭力。

　　作者：Richa Dham，Pushek Madaan

審核編輯：郭婷