可穿戴設(shè)備對設(shè)計人員的空間節(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，每浪費一毫安都會致使電池壽命縮短，從而不可避免地導(dǎo)致不良的用戶體驗?？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，詳細介紹了來自 Dialog Semiconductor 的無線芯片，并討論了如何給可穿戴設(shè)備正確配置藍牙連接。

消費類可穿戴設(shè)備中的無線通信

消費類可穿戴設(shè)備通常會連接到運行由制造商所開發(fā)應(yīng)用的移動設(shè)備。盡管可穿戴設(shè)備可以獨立于所連接的移動設(shè)備進行操作，但最常見的操作模式是當(dāng)移動設(shè)備處于連接范圍內(nèi)時，以設(shè)定的時間間隔與移動設(shè)備進行同步。這種同步不需要實時進行，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)也不必實時同步。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行配置。此外，可穿戴設(shè)備還會從移動設(shè)備接收提醒，包括來電和短信。這些提醒是按需進行的，僅在需要時發(fā)生。

設(shè)計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，很少有接口可與藍牙競爭，藍牙提供了可穿戴設(shè)備與移動設(shè)備之間的直接連接。當(dāng)移動設(shè)備超出范圍時，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)送至移動設(shè)備。同時，移動設(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設(shè)備附近，因此本文將重點介紹藍牙。

可穿戴設(shè)備藍牙技術(shù)

藍牙最初開發(fā)用于點對點連接，數(shù)據(jù)流的傳輸速率為每秒 1 到 3 兆比特 （Mb/s）。今天，這種原始的藍牙規(guī)范被稱為藍牙 3.0 或經(jīng)典藍牙。盡管這些早期的藍牙版本適用于傳輸音頻和多媒體文件，但它們的設(shè)計對于間歇性、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)了藍牙 4.0。

如今，藍牙 4.0 被廣泛稱為低功耗藍牙 （LE），數(shù)據(jù)傳輸速度可低至每秒 125 千位 （Kb/s）。此外，低功耗藍牙芯片大部分時間都處于休眠模式，直到需要時才會消耗很小的功耗。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)備上實現(xiàn)低功耗藍牙無線電，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)點是只需要使無線電芯片處于活動狀態(tài)，而微控制器可以處于低功耗模式。此外，這還會帶來實現(xiàn)可穿戴設(shè)備模塊化設(shè)計方法的額外優(yōu)勢。這將允許在新設(shè)計中更換更強大的主機微控制器，而將低功耗藍牙無線電芯片保持不變。由于不需要將藍牙無線電和堆棧編碼到微控制器中，因此還可以加快設(shè)計周期。

使用外部藍牙芯片

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

DA14585 基于一個 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 64 KB 一次可編程 （OTP） 存儲器。這樣就能為 DA14585 開發(fā)定制的藍牙應(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接口設(shè)備 （HID），例如帶方向的計步器

鍵盤控制器外設(shè)，可用于連接按鍵和消除按鍵抖動

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

DA14585 還集成了 2.4 GHz 收發(fā)器、基帶處理器及合格的低功耗藍牙5.0 堆棧，以最大程度減少開發(fā)人員花在學(xué)習(xí)藍牙半導(dǎo)體設(shè)計細節(jié)上的時間。該器件同時支持多達八個低功耗藍牙連接，但可穿戴設(shè)備通常只需要一個。

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通信的默認(rèn)固件，但為了實現(xiàn)更高效的可穿戴系統(tǒng)設(shè)計，Dialog 支持開發(fā)人員使用片上 OTP 來自定義主機通信。UART 通過硬件流量控制支持高達 1 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率，因此主機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） x 5 mm，占用的電路板基底面很小。其厚度為 0.9 mm，非常適合超薄型可穿戴設(shè)備。

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

Dialog Semiconductor 的 DA14585 只需連接極少的外部元器件。它實現(xiàn)了完整的藍牙 v5.0 核心和無線電，因此開發(fā)人員無需了解構(gòu)建藍牙半導(dǎo)體解決方案的細節(jié)。

藍牙無線電只需連接少量外部元器件。它支持所有藍牙設(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 2 Mb 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。

實現(xiàn)低功耗藍牙可穿戴設(shè)備

DA14585 上的藍牙核心有兩種工作模式：活動和深度休眠。在活動模式下，通過藍牙無線連接收發(fā)無線電；深度休眠模式則會禁用核心，并有選擇地斷開無線電電源。由于可穿戴設(shè)備充其量是接近實時的設(shè)備，因此為了節(jié)省電量，可以對核心和無線電進行編程，以處理定期休眠和喚醒事件。

例如，可以將藍牙核心編程為進入深度休眠一段時間，然后喚醒到活動狀態(tài)，管理發(fā)給用戶或關(guān)于用戶的任何消息或通知（即電子郵件、心率更新），然后再返回到深度休眠模式。此周期的長短由開發(fā)人員決定。核心處于深度休眠模式的時間越長，節(jié)省的電池電量就越多；但是，深度休眠時間過長也會導(dǎo)致藍牙消息延遲。要減少延遲并縮短響應(yīng)時間，可對核心進行編程，延長活動模式下的時間，但這會消耗更多電量。開發(fā)人員應(yīng)嘗試不同的深度休眠和活動模式周期，以優(yōu)化功耗與響應(yīng)時間，從而提供最佳用戶體驗。

DA14585 的主 Arm Cortex-M0 處理器支持四種功耗模式：活動、休眠、擴展休眠和深度休眠。請注意，請勿將這些功耗模式與藍牙核心的功耗模式混淆——當(dāng) Arm 內(nèi)核和外設(shè)自身處于擴展休眠模式時，藍牙核心可以處于活動模式。

在活動模式下，Arm 內(nèi)核和外設(shè)均通電并處于活動狀態(tài)。在激活藍牙數(shù)據(jù)連接期間，DA14585 便處于此模式。在活動模式下，DA14585 由 3 伏電源供電，設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時消耗 5.3 毫安 （mA） 電流，而在發(fā)送數(shù)據(jù)時消耗 4.9 mA 電流。

在休眠模式下，Arm 內(nèi)核空閑，但保留其狀態(tài)。這樣，當(dāng)藍牙處于活動狀態(tài)時而 Arm 內(nèi)核正在等待傳輸完成以便對數(shù)據(jù)進行反應(yīng)，就能節(jié)省電量。休眠模式下的電流消耗因激活的外設(shè)而異。

在擴展休眠模式下，Arm 內(nèi)核及所選外設(shè)均處于空閑狀態(tài)。當(dāng)藍牙核心自身處于深度休眠模式以及藍牙長時間不活動時，可使用此模式節(jié)省電量。藍牙外設(shè)和主機接口可以處于活動狀態(tài)，并且二者均可在檢測到活動時通過中斷喚醒 Arm 內(nèi)核。此模式消耗的電量極少。在擴展休眠模式下，DA14585 保留 64 KB RAM，消耗 3.3 微安 （μA） 電流。

Arm 和外設(shè)的最低功耗模式是深度休眠模式。該模式將關(guān)閉所有功能，包括藍牙無線電。如果用戶決定關(guān)閉藍牙并且不需要任何 DA14585 外設(shè)，則此模式很有用。在深度休眠模式下，DA14585 消耗的電流可低至 610 納安 （nA），或者，如果需要保留 16 KB RAM，則僅消耗 1.4 μA 電流。

在基本操作中，基于 DA14585 的可穿戴設(shè)備的藍牙核心大部分時間處于深度休眠模式，而 Arm 處于休眠或擴展休眠模式。然后，藍牙核心會以設(shè)定的間隔定期喚醒進入活動模式，以檢查無線數(shù)據(jù)，同時 Arm 內(nèi)核會喚醒至活動模式，并與主機微控制器進行數(shù)據(jù)通信。傳輸完成后，藍牙核心進入深度休眠，而 Arm 內(nèi)核則進入休眠或擴展休眠模式。這提供了一種主動和可靠的移動設(shè)備連接，同時還節(jié)省了電能。

DA14585 入門

為了方便開始使用 DA14585，Dialog 提供了 DA14585-00ATDEVKT-B 藍牙 DA14585 基本開發(fā)套件。

Dialog Semiconductor 的 DA14585 基本評估板通過 USB 接口連接到 PC，其中包含了開發(fā)人員測試和調(diào)試設(shè)備微控制器驅(qū)動程序及應(yīng)用固件所需的一切。

DA14585 基本開發(fā)套件支持通過 USB 接口進行全面調(diào)試。該套件由來自 Microchip Technology 并使用外部程序閃存的主機微控制器進行控制。微控制器的應(yīng)用固件可以通過 USB 接口加載到閃存中。開發(fā)人員可以加載套件隨附的樣例程序，并使用這些程序與另一個藍牙設(shè)備（例如 PC）進行交互。然后可以加載和調(diào)試開發(fā)人員的定制固件。

總結(jié)

可穿戴設(shè)備的設(shè)計人員需要優(yōu)化設(shè)計，以最低的功耗提供最佳的用戶體驗，同時還要考慮開發(fā)時間和成本。無線接口可能會消耗很大一部分的功耗預(yù)算，但是可通過仔細選擇接口及其實現(xiàn)方式來大幅減輕這一負擔(dān)。

如上所述，結(jié)合使用主機微控制器與外部藍牙芯片，可以加快開發(fā)速度，無需從頭開始設(shè)計藍牙接口即可讓開發(fā)人員打造出可穿戴設(shè)備。適當(dāng)使用低功耗模式可以延長可穿戴設(shè)備的電池壽命，同時確?？煽抗ぷ?。
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