可穿戴設(shè)備的藍(lán)牙解決方案

對于追隨制造商社區(qū)的人來說，可穿戴技術(shù)的概念并不是什么新鮮事。像Arduino Lilypad這樣的平臺使制造商能夠開發(fā)各種各樣的可穿戴系統(tǒng)，從藝術(shù)電子編織成襯衫和裙子，再到告訴我們有多少未讀電子郵件的T恤。這些項目中的大多數(shù)都具有與之相關(guān)的樂趣或自我表達(dá)元素，但越來越多的工程師被要求為可穿戴產(chǎn)品開發(fā)電子產(chǎn)品。第一波消費類設(shè)備一直由智能手表主導(dǎo)，即使是大牌行業(yè)也在努力將設(shè)計，顯示和電池壽命結(jié)合起來。隨著各種眾籌網(wǎng)站的更新，很明顯可穿戴傳感器領(lǐng)域正在進(jìn)行大量創(chuàng)新。例如，在健康領(lǐng)域，在Kickstarter上推出了一個名為Violet的項目。紫羅蘭是一種可穿戴的傳感器，可以測量我們接觸到多少UVA和UVB輻射，讓我們享受陽光來獲取維生素D，但在暴露之前“霜狀”會對我們的健康產(chǎn)生不利影響。 LEO的另一個項目是在運動期間穿在小腿肌肉周圍的傳感系統(tǒng)，并在Indiegogo上進(jìn)行推廣。使用3D運動，心率和肌肉活動傳感器，該設(shè)備允許用戶改善他們的鍛煉方式并避免潛在的傷害。

這兩種產(chǎn)品的背后是類似的核心技術(shù)，可實現(xiàn)節(jié)能數(shù)據(jù)收集和信息共享通過無線鏈接。通過使用用戶的智能手機和適當(dāng)?shù)膽?yīng)用程序來顯示結(jié)果，可以避免電源消耗顯示。仔細(xì)查看Violet Kickstarter活動頁面上的照片，可以看出藍(lán)牙低功耗（BLE）正在推出這些新產(chǎn)品。

最初由諾基亞推出的Wibree，Bluetooth SIG將這種低功耗無線技術(shù)合并到2010年藍(lán)牙核心規(guī)范版本4.0.BLE作為藍(lán)牙智能銷售給消費者，遺憾的是它不能與4.0版之前的藍(lán)牙設(shè)備向后兼容。然而，由于許多藍(lán)牙芯片組具有可編程元件，因此一些用戶可能僅需要固件升級以獲得支持。這是可能的，因為BLE使用與藍(lán)牙基本速率（BR）和增強日期速率（EDR）相同的無線電和基帶技術(shù)，盡管具有不同的調(diào)制方案。在消費者心目中建立藍(lán)牙作為手機的標(biāo)準(zhǔn)功能后，將BLE添加到規(guī)范中可以更容易地啟動耗電配件并在智能手機市場的成功基礎(chǔ)上進(jìn)行，而不是必須開發(fā)解決方案來實現(xiàn)適用于此類產(chǎn)品的電池壽命。

通道寬度通道數(shù)據(jù)速率

空中數(shù)據(jù)吞吐量連接延遲

（來自未連接）BLE 2 MHz 40 1 Mbps 0.27 Mbps 6 ms藍(lán)牙

BR/EDR 1 MHz 79 1-3 Mbps 0.7-2.1 Mbps~100 ms

表1：關(guān)鍵藍(lán)牙BR/EDR和藍(lán)牙低功耗參數(shù)的簡要比較。

BLE提供低功耗無線鏈路，適用于與其他設(shè)備（主要是智能手機）交換小數(shù)據(jù)包。短連接延遲也有助于節(jié)省能源。例如，新的配置文件，GATT或通用屬性配置文件允許智能手機詢問BLE設(shè)備并發(fā)現(xiàn)它可用的服務(wù)。支持BLE的產(chǎn)品（例如前面描述的那些產(chǎn)品）在無線鏈路中扮演服務(wù)器的角色。因此，它們按照其配置文件中的描述“提供”小數(shù)據(jù)包。這些可以是通常商定的數(shù)據(jù)類型，例如溫度，壓力或心率，從而簡化通信。智能手機扮演客戶角色，就像網(wǎng)絡(luò)瀏覽器一樣，定期詢問BLE服務(wù)器是否有新數(shù)據(jù)。通過鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包在藍(lán)牙規(guī)范中稱為“特性”。以健康溫度計配置文件或HTP為例，定義了“溫度測量”和“測量間隔”的特征，使雙方能夠輕松地就無線溫度測量傳感器所期望的基本功能達(dá)成一致。

圖1：TI在應(yīng)用報告SWRA420中提供了合適的無線電設(shè)計指南。對于開發(fā)人員而言，在支持BLE的設(shè)計的解決方案和分區(qū)方面有很多選擇。 br》德州儀器（TI）的CC256XQFNEM評估模塊是基于其CC256x藍(lán)牙和雙模控制器系列的參考設(shè)計。這些設(shè)備提供符合藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，直至主機控制器接口（HCI）層。這意味著無線電，鏈路控制器和基帶以及鏈路管理器在片上實現(xiàn)，并且可以使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙HCI協(xié)議通過硬件UART接口進(jìn)行配置。藍(lán)牙堆棧的其余部分（L2CAP，RFCOMM，SCO管理器）和所需的配置文件需要鏈接到主機控制器的應(yīng)用程序代碼中。為了便于入門，該評估板可與TI的MSP 430器件配對，例如MCP430F5438實驗板，TI還提供免版稅的藍(lán)牙堆棧。這也意味著CC256x器件可與任何支持UART的微控制器配對，該微控制器可運行合適的藍(lán)牙堆棧。參考設(shè)計顯示了獲得合格解決方案所需的外部組件很少; 13個電容器，26 MHz晶體，帶通濾波器和銅跡線天線。當(dāng)使用500 ms連接間隔作為BLE主機連接時，這些器件在3.6 V電源下的功耗低于200 uA。

對于那些尋求覆蓋各種藍(lán)牙應(yīng)用的平臺的用戶，TI的音頻應(yīng)用輔助模式可能是出于興趣。這些允許CC256x使用硬件音頻編解碼器處理音頻數(shù)據(jù)的傳輸，而無需主機MCU的干預(yù)?；旧?，主機建立音頻連接，然后可以將藍(lán)牙堆棧的處理放在較低的優(yōu)先級。然后可以使用沒有I2S接口的簡單微控制器。

圖2：nRF51822提供所有傳統(tǒng)MCU接口以及集成無線電。

Nordic Semiconductor，with其nRF51822采用單芯片方式，將無線基帶和微控制器集成到單個6 x 6 mm QFN或3.5 x 3.8 mm WLCSP封裝中。 BLE堆棧是預(yù)編譯的二進(jìn)制文件，允許使用它的應(yīng)用程序代碼獨立編譯。根據(jù)配置，可用的256/128 kB內(nèi)存中仍可提供介于40 kB和180 kB閃存之間的閃存。此外，還有一個16 kB的RAM連接到低功耗32位ARM Cortex-M0 MCU。為了簡化與傳感器和其他系統(tǒng)的集成，可提供標(biāo)準(zhǔn)串行接口（SPI/UART/2線）和10位ADC，以及128位AES協(xié)處理器 - 這對于實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)至關(guān)重要連接。為了支持低功耗，nRF51822具有以下項目：EasyDMA用于RAM映射FIFO;和可編程外設(shè)接口（PPI），允許片上模塊相互自動觸發(fā)。這兩個功能都有助于確保設(shè)備能夠完成常規(guī)任務(wù)，而CPU無需持續(xù)干預(yù)nRF51822-DK為評估這些產(chǎn)品提供了出色的起點。該套件包括兩個評估板，一個帶有芯片天線，另一個帶有SMA連接器，可簡化RF性能測量。還包括一個J-Link lite調(diào)試器，可以與Keil MDK-ARM Lite開發(fā)環(huán)境（單獨提供）一起使用。還有一個無線開發(fā)加密狗，可以在套件開發(fā)過程中作為對等設(shè)備測試無線鏈接。

圖3：CSR的參考模塊緊湊，適合這個合格的入門套件目標(biāo)板。

對于替代的，完全集成的方法，值得一看CSR的CSR1010μEnergy設(shè)備。它采用5 x 5 x 0.6 mm，32引腳QFN封裝，為用戶應(yīng)用提供64 kB ROM和64 kB RAM，在啟動時通過支持DMA的SPI接口從外部SPI或I2C串行EEPROM加載時間。 CSR1010還集成了對平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的需求，因為它集成在芯片內(nèi)部。 DK-CSR1010開發(fā)套件包括一個帶有參考設(shè)計模塊的緊湊型電路板。包括印刷的PCB天線，完整的BLE模塊可以小至25.5 x 18.0 mm，除了已經(jīng)提到的串行EEPROM之外，僅需要19個電容器，3個電感器，1個電阻器和16 MHz/32 kHz晶體。如果需要，有12個數(shù)字I/O以及訪問10位ADC和DAC的選項。該套件還包括CSR的μEnergySDK及其GCC工具鏈和xIDE開發(fā)環(huán)境。

那么，從哪里開始？如果您有一個值得信賴的首選低功耗MCU供應(yīng)商和工具鏈，TI CC256x與藍(lán)牙堆棧配對是一個很好的起點。對于完全集成，Nordic Semiconductor nRF51822應(yīng)該在列表中名列前茅。 CSRsμEnergy缺乏傳統(tǒng)微控制器供應(yīng)商所期望的各種接口。然而，將這種藍(lán)牙解決方案與小型低功耗MCU綁定在一起，以配合μEnergy設(shè)備的高無線集成是非常合理的。因此，如果您考慮到BLE應(yīng)用程序，則可以嘗試其中一種解決方案并進(jìn)行編織。