微话题：悉数可穿戴电子设备中的蓝牙技术
品慧电子讯可穿戴设备已经成为智能穿戴领域的焦点话题，并且以其低成本、低功耗、高普及率的应用得到广泛认可。可穿戴设备通过多个传感器测量并采集信息，即快速有便携。本文就可穿戴设备的蓝牙技术做出了详解。
图1：可穿戴设备-信息流程我们根据服务细分市场或者穿戴部位对可穿戴设备进行大致的分类。表1给出了可穿戴设备的种类和典型用例。
表1：可穿戴设备的分类（*身体：包括手臂、躯干和腿）大部分可穿戴设备都配有一个或多个传感器、处理器、存储器、连接器（无线电控制器）、显示器和电池。图2给出了一个活动监控器的实例。
图2：方框图-活动监控器（可穿戴设备）123下一页> - 第一页：微话题：悉数可穿戴电子设备中的蓝牙技术（一）；
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由于要将此类设备穿戴在身上，因此除了基本功能以外，还有其它一些因素也决定该设备能否被消费者接受，具体包括：
●支持的通信模式
●平均电池使用寿命
●低成本
●产品的尺寸和重量
以下几节将详细介绍这些因素。
市场上存在多种不同的通信协议，有些是标准协议，例如Bluetooth Classic、ZigBee、WiFi，还有一些是芯片厂商开发的专有协议。Bluetooth Classic、ZigBee、WiFi等标准协议并未将低功耗作为主要设计特性，因此大部分OEM厂商选择使用专有协议。专有协议的使用在很大程度上限制了这些可穿戴产品的灵活性，使其只能与采用相同专有协议的设备进行交互操作。
为了消除这种局限性，蓝牙技术联盟（SIG）推出了低功耗蓝牙（BLE）技术，将其作为功耗最低的短距离无线通信标准。与经典蓝牙一样，BLE也在具有1Mbps带宽的2.4GHz ISM频带下工作。BLE最显着的特性如下：
●低数据速率-理想适用于只需要交换状态信息的应用。
●该协议能够在固定时间间隔内突发地传送简短信息，因此在不发送信息时主机处于低功耗模式。
●该协议将建立连接到数据交换所需的时间缩短至几毫秒。
●架构中的每个层都经过了精心优化以降低功耗
物理层的调制指数与经典蓝牙相比有所增加，有助于减少发送电流和接收电流。
经优化的链路层可实现快速重新连接，以降低功耗。
控制器可实现各种关键任务，例如建立连接以及忽略复制数据包，因此能够让主机更长时间地处于低功耗模式。
●采用类似于经典蓝牙的稳健可靠架构，支持自适应跳频，具有32位CRC校验功能。
●仅支持广播模式；不必对设备执行连接操作。
BLE与标准蓝牙无线电不兼容，因为它们是不同的技术。不过，双模蓝牙设备既支持BLE也支持经典蓝牙。采用了蓝牙智能就绪型主机（双模设备）之后，BLE运行时就无需使用收发器，这与专有协议形成了鲜明对比。
以上介绍的BLE协议可以完美地应用于可穿戴设备，原因如下：
●该协议为实现超低功耗进行了精心优化。
●低功耗有助于减小电池尺寸，从而缩减产品成本、尺寸和重量。
●由于智能手机中采用BLE智能就绪型主机，因此便于实现该协议。
●可穿戴设备在很长时间间隔内交换少量的突发信息。
通信协议只是可穿戴设备中的一部分，除了通信接口以外，可穿戴设备还包含多种其它模块，例如传感器、用来处理传感器信号的模拟前端、用来滤除环境噪声的数字信号处理模块、用于记录信息的存储器、用于执行多种系统相关功能的处理器，以及电池充电器等等。
图3：光学心率监测器-腕带图3给出了光学心率监测器腕带的典型实现方案。光学心率监测器采用PPG原理，利用光学技术来检测血液量的变化。该技术利用LED灯照亮身体组织，同时使用光电二极管来测量携带血液量变化信息的反射信号。跨阻抗放大器（TIA）可用于将光电流转化为电压。随后，通过ADC将电压信号转化为数字信号。然后在固件中对数字信号进行处理，以消除DC偏移和高频噪声，进而检测心跳。此外，滤波过程也可在模拟域利用有源滤波器实现。将心跳信息发送到BLE控制器，再通过蓝牙链路发送到支持BLE的设备中。有些光学心率监测器采用独立控制器执行心率处理，而控制器通过I2C/SPI/IART通信协议与主处理器进行通信。
在这类系统中，使用多个分立组件不仅使系统变得比较复杂（不同部件之间要电气兼容，还需要进行测试），而且会增加功耗（因为在不使用时缺少对AFE的控制）、材料清单成本以及PCB的尺寸。
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为了解决这些问题，众多厂商都推出了基于片上系统（SoC）架构的器件。这些器件不仅具有控制器，而且包含模拟与数字子系统，利用这些子系统可实现大部分基本的模拟前端和数字功能。赛普拉斯基于可编程片上系统（PSoC）架构的PSoC 4 BLE就属于这类控制器。该器件是真正的面向可穿戴市场的SoC，因为它包含48MHz Cortex M0 CPU、可配置模拟与数字资源以及一个内置的BLE子系统。图4给出了PSoC 4 BLE器件的架构。
图4：PSoC 4 BLE架构该器件的模拟前端部分包含四个未经配置的运算放大器，两个低功耗比较器，一个高速SAR ADC，以及一个用户界面专用的电容式感应模块。数字部分则包含两个串行通信模块（SCB），可用于实现I2C/UART/SPI协议；四个16位硬件定时器计数器PWM（TCPWM）；以及四个通用数字模块（UDB），其就像FPGA一样可用来在硬件中实现数字逻辑。
图5给出了利用PSoC 4 BLE器件实现上述腕带产品的方法。
图5：光学心率监测器-腕带-PSoC 4 BLE在这种实现方案中，PSoC 4 BLE器件可利用其内部资源实现所有功能。控制器外部所需的组件只包括几个无源元件，以及一个用来驱动LED并作为RF匹配网络一部分的晶体管。这种集成式方案可以控制AFE的功耗，在AFE不使用时将其禁用，从而减少材料清单成本和PCB尺寸。除了以上优势外，使用SoC架构还有助于加速产品的上市进程，原因如下：
●提供用于系统开发的现成固件IP
●各个模块位于同一块芯片，进行互操作时无需耗费大量时间
●灵活的可配置环境允许在最后阶段实现更改
在一些设计中，Cortex-M0内核无法满足处理性能要求，这种情况下可使用M3内核来处理系统相关功能，同时，采用基于BLE的SoC（例如PSoC 4 BLE）控制蓝牙通信以及AFE和数字逻辑。
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