低功耗蓝牙的最终奥义:设计低功耗始终开启型智能家居以及可穿戴设备

2019年10月31日 作者:Teardown

可穿戴设备对设计人员的空间节省和低功耗优化能力要求可谓是苛刻之极。每平方毫米都很重要,每浪费一毫安都会致使电池寿命缩短,从而不可避免地导致不良的用户体验。可穿戴设备的主要电池消耗之一是无线接口,目前各种解决方案不断涌现,帮助设计人员最大程度地减少了电池消耗。

本文讨论了可穿戴设备的无线连接如何工作,以及如何配置无线接口以最大程度地减少电池消耗。然后,详细介绍了来自 Dialog Semiconductor 的无线芯片,并讨论了如何给可穿戴设备正确配置蓝牙连接。

消费类可穿戴设备中的无线通信

消费类可穿戴设备通常会连接到运行由制造商所开发应用的移动设备。尽管可穿戴设备可以独立于所连接的移动设备进行操作,但最常见的操作模式是当移动设备处于连接范围内时,以设定的时间间隔与移动设备进行同步。这种同步不需要实时进行,这是功耗优化的关键因素。

例如,可穿戴健身设备与应用同步数据,包括记录的心率、步数和随时间变化的距离数据。即使用户正在锻炼,这些数据也不必实时同步。一到五秒的更新间隔便可以接受,并且该间隔通常可由用户进行配置。此外,可穿戴设备还会从移动设备接收提醒,包括来电和短信。这些提醒是按需进行的,仅在需要时发生。

设计人员可以使用多种无线接口来连接可穿戴设备,但是出于互操作性的考虑,很少有接口可与蓝牙竞争,蓝牙提供了可穿戴设备与移动设备之间的直接连接。当移动设备超出范围时,也可使用 Wi-Fi 将可穿戴设备连接到互联网。然后,可以将可穿戴设备配置成连接到公共网络或任何其他授权访问的网络。这样就可以双向交换数据。例如,数据可以通过 Wi-Fi 网络从可穿戴设备传输至可穿戴设备制造商的云中,然后再通过蜂窝网络从云中发送至移动设备。同时,移动设备可以将相关本地状况以及电子邮件或文本通知更新至可穿戴设备。

Wi-Fi 由于额外的功耗和成本而在可穿戴设备中很少见,而且可穿戴设备几乎总是在配对的移动设备附近,因此本文将重点介绍蓝牙。

可穿戴设备蓝牙技术

蓝牙最初开发用于点对点连接,数据流的传输速率为每秒 1 到 3 兆比特 (Mb/s)。今天,这种原始的蓝牙规范被称为蓝牙 3.0 或经典蓝牙。尽管这些早期的蓝牙版本适用于传输音频和多媒体文件,但它们的设计对于间歇性、低数据速率、低功耗控制信号和传感器数据来说过于耗电。人们针对后面这些应用开发了蓝牙 4.0。

如今,蓝牙 4.0 被广泛称为低功耗蓝牙 (LE),数据传输速度可低至每秒 125 千位 (Kb/s)。此外,低功耗蓝牙芯片大部分时间都处于休眠模式,直到需要时才会消耗很小的功耗。这非常适合使用小电池的低功耗可穿戴设备。

要在可穿戴设备上实现低功耗蓝牙无线电,开发人员可以使用集成了无线电的微控制器,也可以使用外部无线电。系统要求决定了哪种才是最低功耗的选择。

例如,如果将低功耗蓝牙无线电作为外设集成到微控制器中,则可以节省宝贵的印刷电路板空间。但是,这需要至少对微控制器进行部分供电,以便无线电外设能够工作。

或者,也可以将低功耗蓝牙无线电置于微控制器外部。尽管这需要额外的印刷电路板空间,但它的优点是只需要使无线电芯片处于活动状态,而微控制器可以处于低功耗模式。此外,这还会带来实现可穿戴设备模块化设计方法的额外优势。这将允许在新设计中更换更强大的主机微控制器,而将低功耗蓝牙无线电芯片保持不变。由于不需要将蓝牙无线电和堆栈编码到微控制器中,因此还可以加快设计周期。

使用外部蓝牙芯片

可穿戴设备所用的外部蓝牙芯片应具有与微控制器的简单接口,该接口不会明显增加功耗,还应该能够将微控制器从休眠状态唤醒。Dialog Semiconductor 的 DA14585 蓝牙 SoC 就是一种适合可穿戴设备的器件,如图 1 所示。

DA14585 基于一个 Arm® Cortex®-M0 核心,具有 128 千字节 (KB) 的出厂编程 ROM。该器件还包含用于定制的 64 KB 一次可编程 (OTP) 存储器。这样就能为 DA14585 开发定制的蓝牙应用固件。该固件也可以访问其他片上外设,包括:

  • 四通道 10 位模数转换器 (ADC),可用于电池监测
  • 正交解码器,可用于连接到三轴人机接口设备 (HID),例如带方向的计步器
  • 键盘控制器外设,可用于连接按键和消除按键抖动

图 1:Dialog Semiconductor 的 DA14585 是一款完整的蓝牙 SoC 解决方案,具有完整的蓝牙 5.0 堆栈、2.4 GHz 无线电收发器,以及用于定制蓝牙外设的其他硬件。(图片来源:Dialog Semiconductor)

DA14585 还集成了 2.4 GHz 收发器、基带处理器及合格的低功耗蓝牙5.0 堆栈,以最大程度减少开发人员花在学习蓝牙半导体设计细节上的时间。该器件同时支持多达八个低功耗蓝牙连接,但可穿戴设备通常只需要一个。

该芯片可以使用 UART、SPI 或 I2C 接口连接到微控制器。虽然该器件包括用于主机通信的默认固件,但为了实现更高效的可穿戴系统设计,Dialog 支持开发人员使用片上 OTP 来自定义主机通信。UART 通过硬件流量控制支持高达 1 Mb/s 的数据速率,因此主机微控制器必须支持兼容的 UART 接口。

此外,DA14585 还很小巧。它采用 34 引脚 WLCSP 封装,尺寸仅为 5 毫米 (mm) x 5 mm,占用的电路板基底面很小。其厚度为 0.9 mm,非常适合超薄型可穿戴设备。

低功耗蓝牙核心和堆栈完全符合蓝牙规范 v5.0(图 2)。若将堆栈放置在 DA14585 而不是微控制器中,一个优点是当蓝牙规范更新时,Dialog 只需更新 DA14585 中的堆栈。可穿戴设备仍将照旧运行,而开发人员可以选择更新主机微控制器应用固件,以利用规范中的任何更改。

图 2:Dialog Semiconductor 的 DA14585 只需连接极少的外部元器件。它实现了完整的蓝牙 v5.0 核心和无线电,因此开发人员无需了解构建蓝牙半导体解决方案的细节。(图片来源:Dialog Semiconductor)

蓝牙无线电只需连接少量外部元器件。它支持所有蓝牙设备类和数据包类型。此外,还可以关闭无线电以节省能源。Cortex-M0 核心将其视为 AHB 总线外设。

Dialog Semiconductor 还推出了 DA14586,它与 DA14585 具有相同的 ROM、OTP 和外设组,但增加了 2 Mb 的闪存。虽然闪存可以多次编程而 OTP 只能编程一次,但与闪存相比,OTP 的耗电量要少得多。此外,DA14585 的工作电压为 0.9 至 3.6 伏,而 DA14586 则需要 1.8 至 3.3 伏。

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