可穿戴設(shè)備對(duì)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)。可穿戴設(shè)備的主要電池消耗之一是無(wú)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(wú)線連接如何工作，以及如何配置無(wú)線接口以最大程度地減少電池消耗。然后，詳細(xì)介紹了來(lái)自 Dialog Semiconductor 的無(wú)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(wú)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(lái)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(wú)線接口來(lái)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(jìng)爭(zhēng)，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(guò) 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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)于間歇性、低數(shù)據(jù)速率、低功耗控制信號(hào)和傳感器數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)過(guò)于耗電。人們針對(duì)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(wú)線電，開發(fā)人員可以使用集成了無(wú)線電的微控制器，也可以使用外部無(wú)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(wú)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(duì)微控制器進(jìn)行部分供電，以便無(wú)線電外設(shè)能夠工作。

或者，也可以將低功耗藍(lán)牙無(wú)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(wú)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(lái)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(shì)。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(wú)線電芯片保持不變。由于不需要將藍(lán)牙無(wú)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(jiǎn)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。

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 64 KB 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(cè)

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)

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、2.4 GHz 無(wú)線電收發(fā)器，以及用于定制藍(lán)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(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(lái)自定義主機(jī)通信。UART 通過(guò)硬件流量控制支持高達(dá) 1 Mb/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） 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(lán)牙核心和堆棧完全符合藍(lán)牙規(guī)范 v5.0。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。

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(wú)線電，因此開發(fā)人員無(wú)需了解構(gòu)建藍(lán)牙半導(dǎo)體解決方案的細(xì)節(jié)。

藍(lán)牙無(wú)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(wú)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(shí)現(xiàn)低功耗藍(lán)牙可穿戴設(shè)備

DA14585 上的藍(lán)牙核心有兩種工作模式：活動(dòng)和深度休眠。在活動(dòng)模式下，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線連接收發(fā)無(wú)線電；深度休眠模式則會(huì)禁用核心，并有選擇地?cái)嚅_無(wú)線電電源。由于可穿戴設(shè)備充其量是接近實(shí)時(shí)的設(shè)備，因此為了節(jié)省電量，可以對(duì)核心和無(wú)線電進(jìn)行編程，以處理定期休眠和喚醒事件。

例如，可以將藍(lán)牙核心編程為進(jìn)入深度休眠一段時(shí)間，然后喚醒到活動(dòng)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(zhǎng)短由開發(fā)人員決定。核心處于深度休眠模式的時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)省的電池電量就越多；但是，深度休眠時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致藍(lán)牙消息延遲。要減少延遲并縮短響應(yīng)時(shí)間，可對(duì)核心進(jìn)行編程，延長(zhǎng)活動(dòng)模式下的時(shí)間，但這會(huì)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(dòng)模式周期，以優(yōu)化功耗與響應(yīng)時(shí)間，從而提供最佳用戶體驗(yàn)。

DA14585 的主 Arm Cortex-M0 處理器支持四種功耗模式：活動(dòng)、休眠、擴(kuò)展休眠和深度休眠。請(qǐng)注意，請(qǐng)勿將這些功耗模式與藍(lán)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(kuò)展休眠模式時(shí)，藍(lán)牙核心可以處于活動(dòng)模式。

在活動(dòng)模式下，Arm 內(nèi)核和外設(shè)均通電并處于活動(dòng)狀態(tài)。在激活藍(lán)牙數(shù)據(jù)連接期間，DA14585 便處于此模式。在活動(dòng)模式下，DA14585 由 3 伏電源供電，設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時(shí)消耗 5.3 毫安 （mA） 電流，而在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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(lán)牙處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)而 Arm 內(nèi)核正在等待傳輸完成以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(kuò)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(lán)牙核心自身處于深度休眠模式以及藍(lán)牙長(zhǎng)時(shí)間不活動(dòng)時(shí)，可使用此模式節(jié)省電量。藍(lán)牙外設(shè)和主機(jī)接口可以處于活動(dòng)狀態(tài)，并且二者均可在檢測(cè)到活動(dòng)時(shí)通過(guò)中斷喚醒 Arm 內(nèi)核。此模式消耗的電量極少。在擴(kuò)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(lán)牙無(wú)線電。如果用戶決定關(guān)閉藍(lán)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(lán)牙核心大部分時(shí)間處于深度休眠模式，而 Arm 處于休眠或擴(kuò)展休眠模式。然后，藍(lán)牙核心會(huì)以設(shè)定的間隔定期喚醒進(jìn)入活動(dòng)模式，以檢查無(wú)線數(shù)據(jù)，同時(shí) Arm 內(nèi)核會(huì)喚醒至活動(dòng)模式，并與主機(jī)微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。傳輸完成后，藍(lán)牙核心進(jìn)入深度休眠，而 Arm 內(nèi)核則進(jìn)入休眠或擴(kuò)展休眠模式。這提供了一種主動(dòng)和可靠的移動(dòng)設(shè)備連接，同時(shí)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(lán)牙 DA14585 基本開發(fā)套件。

Dialog Semiconductor 的 DA14585 基本評(píng)估板通過(guò) USB 接口連接到 PC，其中包含了開發(fā)人員測(cè)試和調(diào)試設(shè)備微控制器驅(qū)動(dòng)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(guò) USB 接口進(jìn)行全面調(diào)試。該套件由來(lái)自 Microchip Technology 并使用外部程序閃存的主機(jī)微控制器進(jìn)行控制。微控制器的應(yīng)用固件可以通過(guò) 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(gè)藍(lán)牙設(shè)備（例如 PC）進(jìn)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(jì)人員需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，以最低的功耗提供最佳的用戶體驗(yàn)，同時(shí)還要考慮開發(fā)時(shí)間和成本。無(wú)線接口可能會(huì)消耗很大一部分的功耗預(yù)算，但是可通過(guò)仔細(xì)選擇接口及其實(shí)現(xiàn)方式來(lái)大幅減輕這一負(fù)擔(dān)。

如上所述，結(jié)合使用主機(jī)微控制器與外部藍(lán)牙芯片，可以加快開發(fā)速度，無(wú)需從頭開始設(shè)計(jì)藍(lán)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(zhǎng)可穿戴設(shè)備的電池壽命，同時(shí)確?？煽抗ぷ?。
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