SoC設(shè)計(jì)下的簡(jiǎn)化可穿戴設(shè)備

　　可穿戴技術(shù)受到了用戶(hù)的追捧，因?yàn)檫@些設(shè)備有助于分析人們的日?；顒?dòng)，并可通過(guò)一種直觀的方式交換信息，極大改善我們的生活方式，給我們帶來(lái)便利。市場(chǎng)上有各種各樣的可穿戴電子設(shè)備，最有名的是智能手表、活動(dòng)監(jiān)測(cè)器和健身手環(huán)。這些高度便攜式設(shè)備被戴在用戶(hù)身上，或以其它方式附著在人身上，能夠通過(guò)一個(gè)或多個(gè)傳感器測(cè)量和捕獲信息（參見(jiàn)圖1）。

　　圖1：一個(gè)典型的可穿戴設(shè)備能夠整合用戶(hù)數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)，它與一個(gè)外部設(shè)備配合工作，分析并向用戶(hù)顯示信息。

　　這些設(shè)備持續(xù)監(jiān)測(cè)用戶(hù)的活動(dòng)，即使他們?cè)谒X(jué)時(shí)也不例外。它們運(yùn)行各種復(fù)雜的算法，以提取有意義的信息。例如：佩戴者的睡眠情況，并通過(guò)一種直觀的方式和無(wú)線接口向用戶(hù)顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果。由于這些設(shè)備提供有可能改變用戶(hù)活動(dòng)的重要信息，它們必需做到可靠、精確。此外，為了盡量延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，它們還應(yīng)該盡可能的高效。

　　可穿戴設(shè)備通常內(nèi)置一個(gè)或多個(gè)傳感器、存儲(chǔ)器件、連接器件（射頻控制器）、一個(gè)顯示屏和一塊電池（參見(jiàn)圖2）。除了具備較高的功能性、可靠性和能效之外，可穿戴設(shè)備還應(yīng)該小巧、輕便和便宜，并能夠支持各種不同的通信模式。

　　圖2：一個(gè)可穿戴設(shè)備的框圖，圖中顯示了MCU、傳感器、閃存、電池及電源管理器件、連接子系統(tǒng)和顯示器。

　　市場(chǎng)上現(xiàn)有的通信協(xié)議包括ZigBee、Wi-Fi、經(jīng)典藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以及芯片廠商制定的各種專(zhuān)有協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有將低功耗視為一個(gè)重要特性，因此，很長(zhǎng)時(shí)間一來(lái)，大多數(shù)OE廠商選擇在他們的低功耗產(chǎn)品中使用專(zhuān)有協(xié)議。但是，使用這些專(zhuān)有協(xié)議造成了很多互操作性限制，并降低了設(shè)計(jì)的靈活性。

　　為了消除這些局限性，并打造一個(gè)互操作環(huán)境，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）推出了一個(gè)新的藍(lán)牙版本－藍(lán)牙智能，它是一個(gè)旨在以最低功耗實(shí)現(xiàn)短程通信的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。

　　藍(lán)牙智能的優(yōu)勢(shì)

　　與經(jīng)典藍(lán)牙協(xié)議一樣，藍(lán)牙智能協(xié)議工作于2.4 GHz ISM頻段，帶寬為1 Mbps。但與經(jīng)典藍(lán)牙協(xié)議不同的是，藍(lán)牙智能協(xié)議還提供眾多適合低功耗可穿戴應(yīng)用的特性。它的數(shù)據(jù)速率較低，這非常適合那些只需交換狀態(tài)信息的應(yīng)用。該協(xié)議經(jīng)過(guò)優(yōu)化，能夠以固定時(shí)間間隔傳送少量突發(fā)信息，從而讓主機(jī)能夠在傳送信息的同時(shí)保持超低功耗模式。此外，它還能將建立數(shù)據(jù)交換連接的時(shí)間縮短至幾個(gè)毫秒。

　　藍(lán)牙智能架構(gòu)的每一層都為降低功耗而優(yōu)化。例如，與經(jīng)典藍(lán)牙協(xié)議相比，它使用一個(gè)較大的物理層調(diào)制指數(shù)，后者有助于降低收發(fā)電流。鏈路層也為快速重連而優(yōu)化，從而降低了功耗?？刂破髫?fù)責(zé)執(zhí)行各種重要任務(wù)，例如：建立連接和忽略重復(fù)包，因此讓主機(jī)能夠更長(zhǎng)地保持低功耗模式。

　　藍(lán)牙智能協(xié)議擁有一個(gè)與經(jīng)典藍(lán)牙協(xié)議類(lèi)似的可靠架構(gòu)，并支持自適應(yīng)跳頻和32位CRC校驗(yàn)。此外，它還支持一種名為“廣播模式“的特殊模式，該模式可讓設(shè)備無(wú)需執(zhí)行連接程序也能傳送信息。

　　藍(lán)牙智能協(xié)議非常適合可穿戴設(shè)備，原因如下：

　　- 該協(xié)議專(zhuān)為實(shí)現(xiàn)超低功耗而優(yōu)化；

　　- 低功耗設(shè)計(jì)有助于縮減電池尺寸，從而消減產(chǎn)品的成本、尺寸和重量；

　　- 支持那些以較長(zhǎng)時(shí)間間隔交換少量突發(fā)信息的可穿戴設(shè)備；

　　- 便于推廣，因?yàn)?a target="_blank">智能手機(jī)中內(nèi)置支持藍(lán)牙智能的主機(jī)（支持經(jīng)典藍(lán)牙和藍(lán)牙智能協(xié)議的雙模設(shè)備）。這與專(zhuān)有協(xié)議形成鮮明對(duì)比，后者需要廠商付出額外努力才能確保連接性。

　　可穿戴設(shè)備的一個(gè)典型使用模式為設(shè)備進(jìn)入超低功耗或待機(jī)模式提供了多個(gè)機(jī)遇（參見(jiàn)圖3）。

　　圖3：活動(dòng)監(jiān)測(cè)器等可穿戴設(shè)備的正常使用模式為設(shè)備進(jìn)入超低功耗甚至待機(jī)模式提供了多個(gè)機(jī)遇。

　　即使在活動(dòng)期間，可穿戴設(shè)備也不必連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。無(wú)論是三軸加速計(jì)測(cè)量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，還是傳感器感測(cè)的心率，數(shù)據(jù)都是周期性傳送，通常是每個(gè)連接間隔傳送一次。正常的程序是感測(cè)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然后通過(guò)藍(lán)牙智能連接發(fā)送數(shù)據(jù)。其余時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)都處在深度睡眠模式。請(qǐng)注意，現(xiàn)有的大多數(shù)芯片解決方案提供多種功耗模式，可在給定的功耗模式下在電流消耗和喚醒時(shí)間之間進(jìn)行權(quán)衡。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的時(shí)間要求選擇不同的模式。

　　必須注意的是，通信協(xié)議只是可穿戴設(shè)計(jì)的一個(gè)方面。除了通信接口之外，可穿戴設(shè)備還包含傳感器、一個(gè)用于處理傳感器信號(hào)的模擬前端（AFE）、一個(gè)用于過(guò)濾環(huán)境噪聲的數(shù)字信號(hào)處理器、用于存儲(chǔ)信息的存儲(chǔ)器件、一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)多種系統(tǒng)相關(guān)功能的處理器、一個(gè)電池充電器等多個(gè)其它模塊。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，我們需要所有這些組件實(shí)現(xiàn)最低功耗。

　　光學(xué)心率監(jiān)測(cè)

　　讓我們以一款可監(jiān)測(cè)心率的手環(huán)為例（參見(jiàn)圖4）。光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器的工作原理是光電容積脈搏波（PPG）技術(shù)，它通過(guò)處理血容量的變化生成心率數(shù)據(jù)。該技術(shù)使用一個(gè)LED照亮人體組織，并使用一個(gè)光電二極管測(cè)量反射信號(hào)，后者包含血容量變化的信息。一個(gè)跨阻放大器（TIA）將光電流轉(zhuǎn)換為電壓，該電壓然后被一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這個(gè)數(shù)字信號(hào)然后在手環(huán)處理器的固件中被處理，以去除直流偏移和高頻噪聲，從而檢測(cè)出心率；此外，還可以使用有源濾波器在模擬域中進(jìn)行過(guò)濾。

　　圖4：手環(huán)心率監(jiān)測(cè)器分析傳感器處的血容量變化導(dǎo)致的光信號(hào)的變化。一個(gè)光電二極管讀取反射信號(hào)，一個(gè)跨阻放大器將光電流轉(zhuǎn)換為電壓。模擬信號(hào)必需被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)過(guò)濾，才能獲得心率數(shù)據(jù)。

　　完成數(shù)據(jù)分析后，設(shè)備使用一條藍(lán)牙鏈路將心率數(shù)據(jù)發(fā)送到手環(huán)或支持藍(lán)牙智能協(xié)議的設(shè)備上的藍(lán)牙智能控制器。在某些光學(xué)心率監(jiān)測(cè)器中，可穿戴設(shè)備使用一個(gè)單獨(dú)的控制器處理心率數(shù)據(jù)，該控制器通過(guò)I2C/SPI/IART協(xié)議與主處理器通信。

　　在這些系統(tǒng)中，多個(gè)離散組件的使用不僅在電兼容和測(cè)試方面增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且還增加了功耗（因?yàn)槿狈?duì)不使用時(shí)的AFE的控制）、BOM成本和PCB的尺寸。

　　為了解決這些問(wèn)題，多家廠商推出了基于片上系統(tǒng)（SoC）架構(gòu)的設(shè)備。這些設(shè)備不僅內(nèi)置一個(gè)控制器，而且還包含可用于實(shí)現(xiàn)大多數(shù)基本AFE和數(shù)字功能的模擬和數(shù)字系統(tǒng)。其中一款控制器就是基于賽普拉斯可編程片上系統(tǒng)（PSoC）架構(gòu)的PSoC 4 BLE。該款SoC專(zhuān)為可穿戴市場(chǎng)而設(shè)計(jì)，包含一個(gè)8-MHz ARM Cortex M0 CPU、眾多可配置模擬和數(shù)字資源和一個(gè)內(nèi)置的藍(lán)牙智能子系統(tǒng)（參見(jiàn)圖5）。

　　圖5：PSoC 4 BLE在一個(gè)封裝中內(nèi)置了處理器、存儲(chǔ)器件、連接器件、電源管理器件以及模擬和數(shù)字資源。

　　在模擬前端，該器件配有4個(gè)未配置的運(yùn)算放大器、2個(gè)低功耗比較器、1個(gè)高速SAR ADC和一個(gè)面向用戶(hù)接口應(yīng)用的專(zhuān)用電容式感應(yīng)模塊。在數(shù)字方面，它配有2個(gè)可用于實(shí)現(xiàn)I2C/UART/SPI協(xié)議的串行通信模塊（SCB）、4個(gè)16位硬件定時(shí)器計(jì)數(shù)器PWM（TCPWM）和4個(gè)可用于在硬件中實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯（如同FPGA）的通用數(shù)字模塊（UDB）。

　　為了展示SoC架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，讓我們看一看圖4所示的心率監(jiān)測(cè)器使用PSoC 4 BLE后發(fā)生了哪些變化（參見(jiàn)圖6）。在這個(gè)版本中，SoC使用其內(nèi)部資源實(shí)現(xiàn)了所有功能。在該控制器以外，只需要幾個(gè)無(wú)源組件和一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)LED、隸屬于射頻匹配網(wǎng)絡(luò)的晶體管。這種集成架構(gòu)消減了BOM成本和PCB尺寸，同時(shí)還能讓設(shè)計(jì)人員控制AFE的功耗。

　　圖6：手環(huán)心率檢測(cè)器的SoC架構(gòu)消減了設(shè)計(jì)的尺寸、BOM成本和復(fù)雜程度。

　　除了這些優(yōu)勢(shì)之外，使用SoC架構(gòu)還有助于縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間，原因如下：

　　- 隨時(shí)可用的固件IP可為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供支持。

　　- 由于各個(gè)模塊屬于同一個(gè)芯片，它們能夠相互配合，而且不會(huì)產(chǎn)生時(shí)延。開(kāi)發(fā)人員無(wú)需擔(dān)憂(yōu)如何對(duì)接它們、檢查它們的邏輯電平或解決互操作問(wèn)題。所有這些問(wèn)題都已在器件內(nèi)部得到解決。

　　- 可配置的環(huán)境可靈活地整合最后一分鐘的設(shè)計(jì)變更。

　　在某些設(shè)計(jì)中，一個(gè)Cortex-M0內(nèi)核可能不足以滿(mǎn)足處理能力要求。在這種情況下，可以使用一個(gè)Cortex-M3內(nèi)核（如PSoC 5LP）來(lái)處理系統(tǒng)相關(guān)功能， 使用一個(gè)藍(lán)牙智能SoC（如PSoC 4 BLE）來(lái)控制藍(lán)牙通信以及AFE和數(shù)字邏輯。

　　智能手機(jī)等支持藍(lán)牙智能協(xié)議的設(shè)備的日益普及以及藍(lán)牙智能技術(shù)的低功耗優(yōu)勢(shì)使得藍(lán)牙智能成為可穿戴產(chǎn)品的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙智能可在所有協(xié)議層實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，而且作為一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它還支持互操作性。通過(guò)利用面向可穿戴市場(chǎng)的SoC，嵌入式工程師可縮減設(shè)備的尺寸、功耗、BOM成本、復(fù)雜程度和上市時(shí)間，從而能將更好的產(chǎn)品更快地推向市場(chǎng)。