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BLE技術在可穿戴產品中的應用詳解

來源: 作者: 發布日期:2016-09-28 18:05:22 加入收藏 關注:
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          比起眾多BLE運用技術,低功耗可穿戴設備依據更低成本MEMS傳感器獲得了廣泛關注,不僅可以穿戴在身上具有很高的便攜性,而且可以通過傳感器測量/采集信息。

 

 1:可穿戴設備 - 信息流程

 一.png

 

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。

 

1:可穿戴設備的分類

 

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。

 

2:方框圖 - 活動監控器(可穿戴設備)

 二.png

 

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BluetoothClassicZigBeeWiFi,還有一些是芯片廠商開發的專有協議。Bluetooth ClassicZigBeeWiFi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2.4GHzISM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32CRC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。

 

 3:光學心率監測器 - 腕帶

 三.png

 

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。

 

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PSoC4 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。

 

4PSoC 4 BLE架構

 四.png

 

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SARADC,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PWMTCPWM);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。

 

5給出了利用PSoC 4 BLE器件實現上述腕帶產品的方法。

 

5:光學心率監測器 - 腕帶 - PSoC 4 BLE

 五.png

 

在這種實現方案中,PSoC4 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:

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BLESoC(例如PSoC4 BLE)控制藍牙通信以及AFE和數字邏輯。

 

     藍牙技術更多的應用在智能手機、平板電腦上面,而且BLE具備的顯著優勢使得它成為了常用的可穿戴產品通信協議。甚至各芯片廠商還開發出支持BLESoc,它有助于降低系統功耗產品尺寸等,使得穿戴產品更具有可行性與吸引力。

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