發布日期：2022-04-17 點擊率：66
編者按：本系列文章分為三個部分，討論電池供電的始終開啟型可穿戴電子設備的設計，重點關注功耗優化的三個方面。第 1 部分介紹如何配置微控制器，以延長電池續航時間并減少充電需求。第 2 部分介紹如何安全維護電池以延長充電間隔時間。本文是第 3 部分，將探討可穿戴設備的無線網絡連接以及如何優化無線連接以降低功耗。
可穿戴設備對設計人員的空間節省和低功耗優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，從而不可避免地導致不良的用戶體驗。可穿戴設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，幫助設計人員最大程度地減少了電池消耗。
本文討論了可穿戴設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備正確配置藍牙連接。
消費類可穿戴設備通常會連接到運行由制造商所開發應用的移動設備。盡管可穿戴設備可以獨立于所連接的移動設備進行操作，但最常見的操作模式是當移動設備處于連接范圍內時，以設定的時間間隔與移動設備進行同步。這種同步不需要實時進行，這是功耗優化的關鍵因素。
例如，可穿戴健身設備與應用同步數據，包括記錄的心率、步數和隨時間變化的距離數據。即使用戶正在鍛煉，這些數據也不必實時同步。一到五秒的更新間隔便可以接受，并且該間隔通常可由用戶進行配置。此外，可穿戴設備還會從移動設備接收提醒，包括來電和短信。這些提醒是按需進行的，僅在需要時發生。
設計人員可以使用多種無線接口來連接可穿戴設備，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備與移動設備之間的直接連接。當移動設備超出范圍時，也可使用 Wi-Fi 將可穿戴設備連接到互聯網。然后，可以將可穿戴設備配置成連接到公共網絡或任何其他授權訪問的網絡。這樣就可以雙向交換數據。例如，數據可以通過 Wi-Fi 網絡從可穿戴設備傳輸至可穿戴設備制造商的云中，然后再通過蜂窩網絡從云中發送至移動設備。同時，移動設備可以將相關本地狀況以及電子郵件或文本通知更新至可穿戴設備。
Wi-Fi 由于額外的功耗和成本而在可穿戴設備中很少見，而且可穿戴設備幾乎總是在配對的移動設備附近，因此本文將重點介紹藍牙。
藍牙最初開發用于點對點連接，數據流的傳輸速率為每秒 1 到 3 兆比特 (Mb/s)。今天，這種原始的藍牙規范被稱為藍牙 3.0 或經典藍牙。盡管這些早期的藍牙版本適用于傳輸音頻和多媒體文件，但它們的設計對于間歇性、低數據速率、低功耗控制信號和傳感器數據來說過于耗電。人們針對后面這些應用開發了藍牙 4.0。
如今，藍牙 4.0 被廣泛稱為低功耗藍牙 (LE)，數據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備。
要在可穿戴設備上實現低功耗藍牙無線電，開發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集成到微控制器中，則可以節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，但它的優點是只需要使無線電芯片處于活動狀態，而微控制器可以處于低功耗模式。此外，這還會帶來實現可穿戴設備模塊化設計方法的額外優勢。這將允許在新設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，因此還可以加快設計周期。
可穿戴設備所用的外部藍牙芯片應具有與微控制器的簡單接口，該接口不會明顯增加功耗，還應該能夠將微控制器從休眠狀態喚醒。Dialog Semiconductor 的 DA14585 藍牙 SoC 就是一種適合可穿戴設備的器件，如圖 1 所示。
DA14585 基于一個 Arm? Cortex?-M0 核心，具有 128 千字節 (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 開發定制的藍牙應用固件。該固件也可以訪問其他片上外設，包括：
四通道 10 位模數轉換器 (ADC)，可用于電池監測
正交解碼器，可用于連接到三軸人機接口設備 (HID)，例如帶方向的計步器
鍵盤控制器外設，可用于連接按鍵和消除按鍵抖動
圖 1：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 無線電收發器，以及用于定制藍牙外設的其他硬件。（圖片來源：Dialog Semiconductor）
DA14585 還集成了 2.4 GHz 收發器、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人員花在學習藍牙半導體設計細節上的時間。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固件，但為了實現更高效的可穿戴系統設計，Dialog 支持開發人員使用片上 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 的數據速率，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備。
低功耗藍牙核心和堆棧完全符合藍牙規范 v5.0（圖 2）。若將堆棧放置在 DA14585 而不是微控制器中，一個優點是當藍牙規范更新時，Dialog 只需更新 DA14585 中的堆棧。可穿戴設備仍將照舊運行，而開發人員可以選擇更新主機微控制器應用固件，以利用規范中的任何更改。
圖 2：Dialog Semiconductor 的 DA14585 只需連接極少的外部元器件。它實現了完整的藍牙 v5.0 核心和無線電，因此開發人員無需了解構建藍牙半導體解決方案的細節。（圖片來源：Dialog Semiconductor）
藍牙無線電只需連接少量外部元器件。它支持所有藍牙設備類和數據包類型。此外，還可以關閉無線電以節省能源。Cortex-M0 核心將其視為 AHB 總線外設。
Dialog Semiconductor 還推出了 DA14586，它與 DA14585 具有相同的 ROM、OTP 和外設組，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。
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。由于可穿戴設備充其量是接近實時的設備，因此為了節省電量，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，管理發給用戶或關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人員決定。核心處于深度休眠模式的時間越長，節省的電池電量就越多；但是，深度休眠時間過長也會導致藍牙消息延遲。要減少延遲并縮短響應時間，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。開發人員應嘗試不同的深度休眠和活動模式周期，以優化功耗與響應時間，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 Arm 內核和外設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 內核和外設均通電并處于活動狀態。在激活藍牙數據連接期間，DA14585 便處于此模式。在活動模式下，DA14585 由 3 伏電源供電，設備在接收數據時消耗 5.3 毫安 (mA) 電流，而在發送數據時消耗 4.9 mA 電流。
在休眠模式下，Arm 內核空閑，但保留其狀態。這樣，當藍牙處于活動狀態時而 Arm 內核正在等待傳輸完成以便對數據進行反應，就能節省電量。休眠模式下的電流消耗因激活的外設而異。
在擴展休眠模式下，Arm 內核及所選外設均處于空閑狀態。當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，可使用此模式節省電量。藍牙外設和主機接口可以處于活動狀態，并且二者均可在檢測到活動時通過中斷喚醒 Arm 內核。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 和外設的最低功耗模式是深度休眠模式。該模式將關閉所有功能，包括藍牙無線電。如果用戶決定關閉藍牙并且不需要任何 DA14585 外設，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，藍牙核心會以設定的間隔定期喚醒進入活動模式，以檢查無線數據，同時 Arm 內核會喚醒至活動模式，并與主機微控制器進行數據通信。傳輸完成后，藍牙核心進入深度休眠，而 Arm 內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備連接，同時還節省了電能。
為了方便開始使用 DA14585，Dialog 提供了 DA14585-00ATDEVKT-B 藍牙 DA14585 基本開發套件（圖 3）。
圖 3：Dialog Semiconductor 的 DA14585 基本評估板通過 USB 接口連接到 PC，其中包含了開發人員測試和調試設備微控制器驅動程序及應用固件所需的一切。（圖片來源：Dialog Semiconductor）
DA14585 基本開發套件支持通過 USB 接口進行全面調試。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。微控制器的應用固件可以通過 USB 接口加載到閃存中。開發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備（例如 PC）進行交互。然后可以加載和調試開發人員的定制固件。
可穿戴設備的設計人員需要優化設計，以最低的功耗提供最佳的用戶體驗，同時還要考慮開發時間和成本。無線接口可能會消耗很大一部分的功耗預算，但是可通過仔細選擇接口及其實現方式來大幅減輕這一負擔。
如上所述，結合使用主機微控制器與外部藍牙芯片，可以加快開發速度，無需從頭開始設計藍牙接口即可讓開發人員打造出可穿戴設備。適當使用低功耗模式可以延長可穿戴設備的電池壽命，同時確保可靠工作。
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