如何用SoC设计简化可穿戴设备开发

可穿戴技术受到了用户的追捧，因为这些设备有助于分析人们的日常活动，并可通过一种直观的方式交换信息，极大改善我们的生活方式，给我们带来便利。市场上有各种各样的可穿戴电子设备，最有名的是智能手表、活动监测器和健身手环。这些高度便携式设备被戴在用户身上，或以其它方式附着在人身上，能够通过一个或多个传感器测量和捕获信息（参见图1）。

图1：一个典型的可穿戴设备能够整合用户数据和外部数据，它与一个外部设备配合工作，分析并向用户显示信息。
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这些设备持续监测用户的活动，即使他们在睡觉时也不例外。它们运行各种复杂的算法，以提取有意义的信息。例如：佩戴者的睡眠情况，并通过一种直观的方式和无线接口向用户显示监测结果。由于这些设备提供有可能改变用户活动的重要信息，它们必需做到可靠、精确。此外，为了尽量延长电池续航时间，它们还应该尽可能的高效。 可穿戴设备通常内置一个或多个传感器、存储器件、连接器件（射频控制器）、一个显示屏和一块电池（参见图2）。除了具备较高的功能性、可靠性和能效之外，可穿戴设备还应该小巧、轻便和便宜，并能够支持各种不同的通信模式。

图2：一个可穿戴设备的框图，图中显示了MCU、传感器、闪存、电池及电源管理器件、连接子系统和显示器。
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市场上现有的通信协议包括ZigBee、Wi-Fi、经典蓝牙等标准协议以及芯片厂商制定的各种专有协议。标准协议在设计时没有将低功耗视为一个重要特性，因此，很长时间一来，大多数OE厂商选择在他们的低功耗产品中使用专有协议。但是，使用这些专有协议造成了很多互操作性限制，并降低了设计的灵活性。 为了消除这些局限性，并打造一个互操作环境，蓝牙技术联盟（SIG）推出了一个新的蓝牙版本－蓝牙智能，它是一个旨在以最低功耗实现短程通信的无线标准。 【分页导航】 {pagination} 蓝牙智能的优势 与经典蓝牙协议一样，蓝牙智能协议工作于2.4 GHz ISM频段，带宽为1 Mbps。但与经典蓝牙协议不同的是，蓝牙智能协议还提供众多适合低功耗可穿戴应用的特性。它的数据速率较低，这非常适合那些只需交换状态信息的应用。该协议经过优化，能够以固定时间间隔传送少量突发信息，从而让主机能够在传送信息的同时保持超低功耗模式。此外，它还能将建立数据交换连接的时间缩短至几个毫秒。 蓝牙智能架构的每一层都为降低功耗而优化。例如，与经典蓝牙协议相比，它使用一个较大的物理层调制指数，后者有助于降低收发电流。链路层也为快速重连而优化，从而降低了功耗。控制器负责执行各种重要任务，例如：建立连接和忽略重复包，因此让主机能够更长地保持低功耗模式。 蓝牙智能协议拥有一个与经典蓝牙协议类似的可靠架构，并支持自适应跳频和32位CRC校验。此外，它还支持一种名为“广播模式“的特殊模式，该模式可让设备无需执行连接程序也能传送信息。 蓝牙智能协议非常适合可穿戴设备，原因如下： - 该协议专为实现超低功耗而优化； - 低功耗设计有助于缩减电池尺寸，从而消减产品的成本、尺寸和重量； - 支持那些以较长时间间隔交换少量突发信息的可穿戴设备； - 便于推广，因为智能手机中内置支持蓝牙智能的主机（支持经典蓝牙和蓝牙智能协议的双模设备）。这与专有协议形成鲜明对比，后者需要厂商付出额外努力才能确保连接性。 可穿戴设备的一个典型使用模式为设备进入超低功耗或待机模式提供了多个机遇（参见图3）。

图3：活动监测器等可穿戴设备的正常使用模式为设备进入超低功耗甚至待机模式提供了多个机遇。
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即使在活动期间，可穿戴设备也不必连续发送数据。无论是三轴加速计测量的运动数据，还是传感器感测的心率，数据都是周期性传送，通常是每个连接间隔传送一次。正常的程序是感测数据，转换数据，然后通过蓝牙智能连接发送数据。其余时间内，系统都处在深度睡眠模式。请注意，现有的大多数芯片解决方案提供多种功耗模式，可在给定的功耗模式下在电流消耗和唤醒时间之间进行权衡。应根据系统的时间要求选择不同的模式。 必须注意的是，通信协议只是可穿戴设计的一个方面。除了通信接口之外，可穿戴设备还包含传感器、一个用于处理传感器信号的模拟前端（AFE）、一个用于过滤环境噪声的数字信号处理器、用于存储信息的存储器件、一个用于实现多种系统相关功能的处理器、一个电池充电器等多个其它模块。设计系统时，我们需要所有这些组件实现最低功耗。 【分页导航】 {pagination} 光学心率监测 让我们以一款可监测心率的手环为例（参见图4）。光学心率监测器的工作原理是光电容积脉搏波（PPG）技术，它通过处理血容量的变化生成心率数据。该技术使用一个LED照亮人体组织，并使用一个光电二极管测量反射信号，后者包含血容量变化的信息。一个跨阻放大器（TIA）将光电流转换为电压，该电压然后被一个模数转换器（ADC）转换为数字信号。这个数字信号然后在手环处理器的固件中被处理，以去除直流偏移和高频噪声，从而检测出心率；此外，还可以使用有源滤波器在模拟域中进行过滤。

图4：手环心率监测器分析传感器处的血容量变化导致的光信号的变化。一个光电二极管读取反射信号，一个跨阻放大器将光电流转换为电压。模拟信号必需被转换为数字信号，然后经过过滤，才能获得心率数据。
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完成数据分析后，设备使用一条蓝牙链路将心率数据发送到手环或支持蓝牙智能协议的设备上的蓝牙智能控制器。在某些光学心率监测器中，可穿戴设备使用一个单独的控制器处理心率数据，该控制器通过I2C/SPI/IART协议与主处理器通信。 在这些系统中，多个离散组件的使用不仅在电兼容和测试方面增加了系统的复杂性，而且还增加了功耗（因为缺乏对不使用时的AFE的控制）、BOM成本和PCB的尺寸。 【分页导航】 {pagination} 为了解决这些问题，多家厂商推出了基于片上系统（SoC）架构的设备。这些设备不仅内置一个控制器，而且还包含可用于实现大多数基本AFE和数字功能的模拟和数字系统。其中一款控制器就是基于赛普拉斯可编程片上系统（PSoC）架构的PSoC 4 BLE。该款SoC专为可穿戴市场而设计，包含一个8-MHz ARM?Cortex?M0 CPU、众多可配置模拟和数字资源和一个内置的蓝牙智能子系统（参见图5）。

图5：PSoC 4 BLE在一个封装中内置了处理器、存储器件、连接器件、电源管理器件以及模拟和数字资源。
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在模拟前端，该器件配有4个未配置的运算放大器、2个低功耗比较器、1个高速SAR ADC和一个面向用户接口应用的专用电容式感应模块。在数字方面，它配有2个可用于实现I2C/UART/SPI协议的串行通信模块（SCB）、4个16位硬件定时器计数器PWM（TCPWM）和4个可用于在硬件中实现数字逻辑（如同FPGA）的通用数字模块（UDB）。 为了展示SoC架构的优势，让我们看一看图4所示的心率监测器使用PSoC 4 BLE后发生了哪些变化（参见图6）。在这个版本中，SoC使用其内部资源实现了所有功能。在该控制器以外，只需要几个无源组件和一个用于驱动LED、隶属于射频匹配网络的晶体管。这种集成架构消减了BOM成本和PCB尺寸，同时还能让设计人员控制AFE的功耗。

图6：手环心率检测器的SoC架构消减了设计的尺寸、BOM成本和复杂程度。
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除了这些优势之外，使用SoC架构还有助于缩短产品的上市时间，原因如下： - 随时可用的固件IP可为系统开发提供支持。 - 由于各个模块属于同一个芯片，它们能够相互配合，而且不会产生时延。开发人员无需担忧如何对接它们、检查它们的逻辑电平或解决互操作问题。所有这些问题都已在器件内部得到解决。 - 可配置的环境可灵活地整合最后一分钟的设计变更。 在某些设计中，一个Cortex-M0内核可能不足以满足处理能力要求。在这种情况下，可以使用一个Cortex-M3内核（如PSoC 5LP）来处理系统相关功能, 使用一个蓝牙智能SoC（如PSoC 4 BLE）来控制蓝牙通信以及AFE和数字逻辑。 智能手机等支持蓝牙智能协议的设备的日益普及以及蓝牙智能技术的低功耗优势使得蓝牙智能成为可穿戴产品的事实标准。蓝牙智能可在所有协议层实现低功耗设计，而且作为一种标准协议，它还支持互操作性。通过利用面向可穿戴市场的SoC，嵌入式工程师可缩减设备的尺寸、功耗、BOM成本、复杂程度和上市时间，从而能将更好的产品更快地推向市场。 【分页导航】