【導讀】可穿戴設備已經成為智能穿戴領域的焦點話題，并且以其低成本、低功耗、高普及率的應用得到廣泛認可。可穿戴設備通過多個傳感器測量并采集信息，即快速有便攜。本文就可穿戴設備的藍牙技術做出了詳解。
圖1：可穿戴設備-信息流程
我們根據服務細分市場或者穿戴部位對可穿戴設備進行大致的分類。表1給出了可穿戴設備的種類和典型用例。
表1：可穿戴設備的分類（*身體：包括手臂、軀干和腿）
大部分可穿戴設備都配有一個或多個傳感器、處理器、存儲器、連接器（無線電控制器）、顯示器和電池。圖2給出了一個活動監控器的實例。
圖2：方框圖-活動監控器（可穿戴設備）
由于要將此類設備穿戴在身上，因此除了基本功能以外，還有其它一些因素也決定該設備能否被消費者接受，具體包括：
●支持的通信模式
●平均電池使用壽命
●低成本
●產品的尺寸和重量
以下幾節將詳細介紹這些因素。
市場上存在多種不同的通信協議，有些是標準協議，例如Bluetooth Classic、ZigBee、WiFi，還有一些是芯片廠商開發的專有協議。Bluetooth Classic、ZigBee、WiFi等標準協議并未將低功耗作為主要設計特性，因此大部分OEM廠商選擇使用專有協議。專有協議的使用在很大程度上限制了這些可穿戴產品的靈活性，使其只能與采用相同專有協議的設備進行交互操作。
為了消除這種局限性，藍牙技術聯盟（SIG）推出了低功耗藍牙（BLE）技術，將其作為功耗最低的短距離無線通信標準。與經典藍牙一樣，BLE也在具有1Mbps帶寬的2.4GHz ISM頻帶下工作。BLE最顯著的特性如下：
●低數據速率-理想適用于只需要交換狀態信息的應用。
●該協議能夠在固定時間間隔內突發地傳送簡短信息，因此在不發送信息時主機處于低功耗模式。
●該協議將建立連接到數據交換所需的時間縮短至幾毫秒。
●架構中的每個層都經過了精心優化以降低功耗
物理層的調制指數與經典藍牙相比有所增加，有助于減少發送電流和接收電流。
經優化的鏈路層可實現快速重新連接，以降低功耗。
控制器可實現各種關鍵任務，例如建立連接以及忽略復制數據包，因此能夠讓主機更長時間地處于低功耗模式。
●采用類似于經典藍牙的穩健可靠架構，支持自適應跳頻，具有32位CRC校驗功能。
●僅支持廣播模式；不必對設備執行連接操作。
BLE與標準藍牙無線電不兼容，因為它們是不同的技術。不過，雙模藍牙設備既支持BLE也支持經典藍牙。采用了藍牙智能就緒型主機（雙模設備）之后，BLE運行時就無需使用收發器，這與專有協議形成了鮮明對比。
以上介紹的BLE協議可以完美地應用于可穿戴設備，原因如下：
●該協議為實現超低功耗進行了精心優化。
●低功耗有助于減小電池尺寸，從而縮減產品成本、尺寸和重量。
●由于智能手機中采用BLE智能就緒型主機，因此便于實現該協議。
●可穿戴設備在很長時間間隔內交換少量的突發信息。
通信協議只是可穿戴設備中的一部分，除了通信接口以外，可穿戴設備還包含多種其它模塊，例如傳感器、用來處理傳感器信號的模擬前端、用來濾除環境噪聲的數字信號處理模塊、用于記錄信息的存儲器、用于執行多種系統相關功能的處理器，以及電池充電器等等。
圖3：光學心率監測器-腕帶
圖3給出了光學心率監測器腕帶的典型實現方案。光學心率監測器采用PPG原理，利用光學技術來檢測血液量的變化。該技術利用LED燈照亮身體組織，同時使用光電二極管來測量攜帶血液量變化信息的反射信號。跨阻抗放大器（TIA）可用于將光電流轉化為電壓。隨后，通過ADC將電壓信號轉化為數字信號。然后在固件中對數字信號進行處理，以消除DC偏移和高頻噪聲，進而檢測心跳。此外，濾波過程也可在模擬域利用有源濾波器實現。將心跳信息發送到BLE控制器，再通過藍牙鏈路發送到支持BLE的設備中。有些光學心率監測器采用獨立控制器執行心率處理，而控制器通過I2C/SPI/IART通信協議與主處理器進行通信。在這類系統中，使用多個分立組件不僅使系統變得比較復雜（不同部件之間要電氣兼容，還需要進行測試），而且會增加功耗（因為在不使用時缺少對AFE的控制）、材料清單成本以及PCB的尺寸。
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為了解決這些問題，眾多廠商都推出了基于片上系統（SoC）架構的器件。這些器件不僅具有控制器，而且包含模擬與數字子系統，利用這些子系統可實現大部分基本的模擬前端和數字功能。賽普拉斯基于可編程片上系統（PSoC）架構的PSoC 4 BLE就屬于這類控制器。該器件是真正的面向可穿戴市場的SoC，因為它包含48MHz Cortex M0 CPU、可配置模擬與數字資源以及一個內置的BLE子系統。圖4給出了PSoC 4 BLE器件的架構。
圖4：PSoC 4 BLE架構
該器件的模擬前端部分包含四個未經配置的運算放大器，兩個低功耗比較器，一個高速SAR ADC，以及一個用戶界面專用的電容式感應模塊。數字部分則包含兩個串行通信模塊（SCB），可用于實現I2C/UART/SPI協議；四個16位硬件定時器計數器PWM（TCPWM）；以及四個通用數字模塊（UDB），其就像FPGA一樣可用來在硬件中實現數字邏輯。圖5給出了利用PSoC 4 BLE器件實現上述腕帶產品的方法。
圖5：光學心率監測器-腕帶-PSoC 4 BLE
在這種實現方案中，PSoC 4 BLE器件可利用其內部資源實現所有功能。控制器外部所需的組件只包括幾個無源元件，以及一個用來驅動LED并作為RF匹配網絡一部分的晶體管。這種集成式方案可以控制AFE的功耗，在AFE不使用時將其禁用，從而減少材料清單成本和PCB尺寸。除了以上優勢外，使用SoC架構還有助于加速產品的上市進程，原因如下：●提供用于系統開發的現成固件IP
●各個模塊位于同一塊芯片，進行互操作時無需耗費大量時間
●靈活的可配置環境允許在最后階段實現更改
在一些設計中，Cortex-M0內核無法滿足處理性能要求，這種情況下可使用M3內核來處理系統相關功能，同時，采用基于BLE的SoC（例如PSoC 4 BLE）控制藍牙通信以及AFE和數字邏輯。
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