如何设计低功耗始终开启型可穿戴设备：第 3 部分 – 优化蓝牙无线连接

编者按：本系列文章分为三个部分，讨论电池供电的始终开启型可穿戴电子设备的设计，重点关注功耗优化的三个方面。第 1 部分介绍如何配置微控制器，以延长电池续航时间并减少充电需求。第 2 部分介绍如何安全维护电池以延长充电间隔时间。本文是第 3 部分，将探讨可穿戴设备的无线网络连接以及如何优化无线连接以降低功耗。

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。

实现低功耗蓝牙可穿戴设备

DA14585 上的蓝牙核心有两种工作模式：活动和深度休眠。在活动模式下，通过蓝牙无线连接收发无线电；深度休眠模式则会禁用核心，并有选择地断开无线电电源。由于可穿戴设备充其量是接近实时的设备，因此为了节省电量，可以对核心和无线电进行编程，以处理定期休眠和唤醒事件。

例如，可以将蓝牙核心编程为进入深度休眠一段时间，然后唤醒到活动状态，管理发给用户或关于用户的任何消息或通知（即电子邮件、心率更新），然后再返回到深度休眠模式。此周期的长短由开发人员决定。核心处于深度休眠模式的时间越长，节省的电池电量就越多；但是，深度休眠时间过长也会导致蓝牙消息延迟。要减少延迟并缩短响应时间，可对核心进行编程，延长活动模式下的时间，但这会消耗更多电量。开发人员应尝试不同的深度休眠和活动模式周期，以优化功耗与响应时间，从而提供最佳用户体验。

DA14585 的主 Arm Cortex-M0 处理器支持四种功耗模式：活动、休眠、扩展休眠和深度休眠。请注意，请勿将这些功耗模式与蓝牙核心的功耗模式混淆——当 Arm 内核和外设自身处于扩展休眠模式时，蓝牙核心可以处于活动模式。

• 在活动模式下，Arm 内核和外设均通电并处于活动状态。在激活蓝牙数据连接期间，DA14585 便处于此模式。在活动模式下，DA14585 由 3 伏电源供电，设备在接收数据时消耗 5.3 毫安 (mA) 电流，而在发送数据时消耗 4.9 mA 电流。
• 在休眠模式下，Arm 内核空闲，但保留其状态。这样，当蓝牙处于活动状态时而 Arm 内核正在等待传输完成以便对数据进行反应，就能节省电量。休眠模式下的电流消耗因激活的外设而异。
• 在扩展休眠模式下，Arm 内核及所选外设均处于空闲状态。当蓝牙核心自身处于深度休眠模式以及蓝牙长时间不活动时，可使用此模式节省电量。蓝牙外设和主机接口可以处于活动状态，并且二者均可在检测到活动时通过中断唤醒 Arm 内核。此模式消耗的电量极少。在扩展休眠模式下，DA14585 保留 64 KB RAM，消耗 3.3 微安 (µA) 电流。
• Arm 和外设的最低功耗模式是深度休眠模式。该模式将关闭所有功能，包括蓝牙无线电。如果用户决定关闭蓝牙并且不需要任何 DA14585 外设，则此模式很有用。在深度休眠模式下，DA14585 消耗的电流可低至 610 纳安 (nA)，或者，如果需要保留 16 KB RAM，则仅消耗 1.4 µA 电流。

在基本操作中，基于 DA14585 的可穿戴设备的蓝牙核心大部分时间处于深度休眠模式，而 Arm 处于休眠或扩展休眠模式。然后，蓝牙核心会以设定的间隔定期唤醒进入活动模式，以检查无线数据，同时 Arm 内核会唤醒至活动模式，并与主机微控制器进行数据通信。传输完成后，蓝牙核心进入深度休眠，而 Arm 内核则进入休眠或扩展休眠模式。这提供了一种主动和可靠的移动设备连接，同时还节省了电能。

DA14585 入门

为了方便开始使用 DA14585，Dialog 提供了 DA14585-00ATDEVKT-B 蓝牙 DA14585 基本开发套件（图 3）。

图 3：Dialog Semiconductor 的 DA14585 基本评估板通过 USB 接口连接到 PC，其中包含了开发人员测试和调试设备微控制器驱动程序及应用固件所需的一切。（图片来源：Dialog Semiconductor）

DA14585 基本开发套件支持通过 USB 接口进行全面调试。该套件由来自 Microchip Technology 并使用外部程序闪存的主机微控制器进行控制。微控制器的应用固件可以通过 USB 接口加载到闪存中。开发人员可以加载套件随附的样例程序，并使用这些程序与另一个蓝牙设备（例如 PC）进行交互。然后可以加载和调试开发人员的定制固件。

总结

可穿戴设备的设计人员需要优化设计，以最低的功耗提供最佳的用户体验，同时还要考虑开发时间和成本。无线接口可能会消耗很大一部分的功耗预算，但是可通过仔细选择接口及其实现方式来大幅减轻这一负担。

如上所述，结合使用主机微控制器与外部蓝牙芯片，可以加快开发速度，无需从头开始设计蓝牙接口即可让开发人员打造出可穿戴设备。适当使用低功耗模式可以延长可穿戴设备的电池寿命，同时确保可靠工作。