如何實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)計(jì)的藍(lán)牙連接

可穿戴設(shè)備的興起以多種不同方式對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。無(wú)線連接對(duì)于設(shè)計(jì)至關(guān)重要，但要保持盡可能長(zhǎng)的電池壽命仍然存在挑戰(zhàn)，同時(shí)仍然提供響應(yīng)系統(tǒng)，可在后臺(tái)無(wú)縫安全地更新，以適應(yīng)不斷增加的可穿戴設(shè)計(jì)。

藍(lán)牙?的新一代規(guī)范提供了大部分功能。 4.0和4.1的藍(lán)牙智能規(guī)范提供了對(duì)安全和電源管理的特定支持，以及支持一系列配置文件，這些配置文件為特定應(yīng)用程序提供代碼，例如健身和運(yùn)動(dòng)監(jiān)視器，熱量和血壓監(jiān)測(cè)，信息更新和通知。智能手表，甚至是解鎖家園和車輛門的鑰匙的能力。

市場(chǎng)研究公司CCS Insight看到2014年可穿戴設(shè)備的出貨量增加了三倍，達(dá)到2900萬(wàn)臺(tái)，高于970萬(wàn)臺(tái)。一年前，預(yù)計(jì)2015年將進(jìn)一步增加至7500萬(wàn)輛。這是由健身樂(lè)隊(duì)和智能手表推動(dòng)的。到2018年，該公司預(yù)計(jì)該市場(chǎng)每年將達(dá)到1.72億部，其中可穿戴式相機(jī)和眼鏡被添加到產(chǎn)品組合中。

圖1 ：可穿戴設(shè)備市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2018年將增長(zhǎng)到1.75億臺(tái)，同時(shí)使用單芯片收發(fā)器和主機(jī)處理器的系統(tǒng)將大幅增長(zhǎng)。資料來(lái)源：CCS Insight

所有這些都是由新系列的單芯片藍(lán)牙無(wú)線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)的。它們將高性能RF前端與廣泛的電源管理和低功耗32位或16位RISC處理器內(nèi)核相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙協(xié)議棧。它們還在芯片上具有額外的存儲(chǔ)空間來(lái)運(yùn)行應(yīng)用程序，特別是對(duì)于諸如健身追蹤器的單功能設(shè)計(jì)。通過(guò)多個(gè)I/O引腳和薄芯片級(jí)封裝，這些引腳可用作系統(tǒng)的控制器以及用于簡(jiǎn)單應(yīng)用（如跟蹤器或密鑰）的通信鏈路。然而，對(duì)于更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，例如智能手表，必須實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的用戶界面，這些單芯片設(shè)計(jì)還與主機(jī)控制器連接，并且這些設(shè)計(jì)具有不同的開(kāi)發(fā)策略。

DA14583例如，來(lái)自Dialog Semiconductor的藍(lán)牙智能全集成無(wú)線電收發(fā)器和基帶處理器。它可以用作獨(dú)立的應(yīng)用處理器或主機(jī)控制器的無(wú)線接口，并支持靈活的存儲(chǔ)器架構(gòu)，用于存儲(chǔ)藍(lán)牙配置文件和自定義應(yīng)用程序代碼，以及通過(guò)SPI +引腳與主機(jī)控制器的接口。

圖2：Dialog Semiconductor的DA14583的方框圖顯示了必須控制的不同處理模塊。

該設(shè)備支持紐扣電池單元典型電壓為3.0 V，包括一個(gè)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），用于精確測(cè)量電池電壓。對(duì)于無(wú)屏幕可穿戴設(shè)計(jì)，它有24個(gè)通用數(shù)字接口，可以直接連接到傳感器以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及一個(gè)四通道10位ADC來(lái)處理模擬傳感器。

完全集成的2.4 GHz CMOS收發(fā)器使用單線天線，無(wú)需RF匹配或發(fā)送/接收切換。這有助于簡(jiǎn)化空間至關(guān)重要的可穿戴應(yīng)用的電路板設(shè)計(jì)。

合格的藍(lán)牙智能協(xié)議棧存儲(chǔ)在專用ROM中。所有軟件都通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)度程序在16 MHz ARM ? Cortex ? -M0處理器上運(yùn)行，固件包括L2CAP服務(wù)層協(xié)議，安全管理器（SM），屬性實(shí)現(xiàn)各種藍(lán)牙服務(wù)和建立無(wú)線鏈路所需的協(xié)議（ATT），通用屬性配置文件（GATT）和通用訪問(wèn)配置文件（GAP）。這些包含在Bluetooth SIG發(fā)布的配置文件中，并且該設(shè)備支持通過(guò)SmartSnippets藍(lán)牙軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)自定義配置文件的功能。這包括芯片上的合格單模堆棧以及用于消費(fèi)者健康，運(yùn)動(dòng)，健身，安全和鄰近應(yīng)用的一系列配置文件。

圖3：在Dialog的SmartSnippets開(kāi)發(fā)環(huán)境中將驅(qū)動(dòng)程序與硬件抽象層（HAL）中的應(yīng)用程序分離。

設(shè)計(jì)人員可以開(kāi)發(fā)其他客戶配置文件，因?yàn)檐浖_(kāi)發(fā)環(huán)境基于Keil的uVision開(kāi)發(fā)工具。這些都是成熟且經(jīng)過(guò)良好測(cè)試的，包含嵌入式模式的示例應(yīng)用程序代碼。

應(yīng)用程序是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，并通過(guò)SmartSnippets編譯并傳送到設(shè)備。這是開(kāi)發(fā)套件不可或缺的部分，有三種類型，從基本版到專業(yè)版，專家版，每個(gè)版本都將I/O映射到擴(kuò)展連接器，以便輕松鏈接到其他傳感器。套件上提供了一個(gè)調(diào)試器，通過(guò)UART或JTAG端口進(jìn)行鏈接，以編程和測(cè)試應(yīng)用程序。

SmartSnippets通過(guò)入門工具包實(shí)現(xiàn)，鏈接到SPI，UART或JTAG引腳?；咎准且粔K板，所有DA14580的I/O都可用并映射到擴(kuò)展連接器上。對(duì)于PRO套件，主板可以與幾個(gè)子板中的一個(gè)組合使用，具體取決于所使用的封裝類型，無(wú)論是芯片級(jí)WL-CSP34，四通道QFN40還是四通道QFN48。板載調(diào)試芯片可以訪問(wèn)芯片上的專用電路，使開(kāi)發(fā)人員能夠分析和微調(diào)正在開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序的功耗。

專家套件旨在通過(guò)SMA連接器評(píng)估芯片的RF性能。 PRO和Expert套件均可用于通過(guò)SPI連接分析器件中不同模塊的功耗。這允許開(kāi)發(fā)人員直接訪問(wèn)調(diào)整代碼，以最大限度地延長(zhǎng)設(shè)計(jì)的電池壽命。

無(wú)線收發(fā)器和芯片內(nèi)控制器之間的連接是此優(yōu)化的關(guān)鍵領(lǐng)域，而STMicroelectronics擁有這一優(yōu)勢(shì)。使用BlueNRG-MS設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。

BlueNRG-MS提供了使用SPI傳輸層與外部微控制器連接的選項(xiàng)，其中ST開(kāi)發(fā)了自己的協(xié)議。這定義了一種軟件協(xié)議，提供訪問(wèn)嵌入式藍(lán)牙堆棧層提供的所有服務(wù)的功能，并提供ARM Cortex-M0控制器和芯片內(nèi)收發(fā)器的更多可見(jiàn)性。這使開(kāi)發(fā)人員能夠更準(zhǔn)確地分析在主處理器上運(yùn)行的應(yīng)用程序代碼，從而實(shí)現(xiàn)更高效的操作和更長(zhǎng)的電池壽命。

圖4：意法半導(dǎo)體的BlueNRG-MS實(shí)現(xiàn)了專用的應(yīng)用控制器接口（ACI），以改善對(duì)收發(fā)器和片上處理內(nèi)核的訪問(wèn)。

應(yīng)用控制器接口（ACI）使用以8 MHz運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)SPI從接口作為傳輸層，并使用五條線：兩條控制線（時(shí)鐘和從機(jī)選擇）;兩條數(shù)據(jù)線，全雙工串行移出（MOSI和MISO）;和一條線指示從機(jī)的數(shù)據(jù)可用性，ST使ACI命令可供開(kāi)發(fā)人員使用。

圖5：ACI接口位于主處理器上的藍(lán)牙智能配置文件和單芯片收發(fā)器上運(yùn)行的協(xié)議棧之間。

這意味著在主處理器上運(yùn)行的應(yīng)用程序可以通過(guò)SPI連接發(fā)送ACI命令來(lái)控制BlueNRG-MS但關(guān)鍵是ACI接口也支持現(xiàn)有的HCI命令。如果收到命令，ACI將檢查該命令是用于主機(jī)還是用于控制器。如果該指令是ARM控制器的HCI命令，則ACI將轉(zhuǎn)發(fā)該指令，并將其從主機(jī)旁路。這有兩個(gè)好處：這意味著主機(jī)可以在不使用HCI命令的情況下控制鏈路層或PHY，從而提高性能;用戶應(yīng)用程序仍然可以單獨(dú)測(cè)試控制器或使用HCI命令設(shè)置一些低級(jí)硬件參數(shù)，而無(wú)需通過(guò)主機(jī)。

劍橋硅無(wú)線電，現(xiàn)在是高通公司的一部分，使用自定義16位于CSR1013單模藍(lán)牙低功耗芯片中的控制器稱為XAP的RISC處理器。這提供了創(chuàng)建藍(lán)牙低能耗產(chǎn)品所需的一切，其中包括合格的藍(lán)牙v4.1規(guī)格堆棧以及在單個(gè)芯片上運(yùn)行高達(dá)50 KB的客戶應(yīng)用程序。

圖6：高通公司的CSR1013有自己的專有指令，通過(guò)其軟件開(kāi)發(fā)套件與收發(fā)器和控制器連接。

芯片級(jí)WLCSP封裝允許CSR1013適合薄型可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)和支持鋰聚合物電池，直接連接到4.4 V電源電壓，無(wú)需外部穩(wěn)壓器。

CSR的μEnergy軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）使用其帶有斷點(diǎn)，可變查看和內(nèi)存查看的xIDE圖形代碼開(kāi)發(fā)環(huán)境，為應(yīng)用程序提供了完整的圖形代碼開(kāi)發(fā)環(huán)境。 SDK基于XAP核心的GCC編譯器工具鏈，其命令行構(gòu)建和制作工具可用于快速開(kāi)發(fā)和回歸構(gòu)建。

SDK還包括一個(gè)編程工具，用于通過(guò)加載和配置設(shè)備SPI系列還支持生產(chǎn)線編程，測(cè)試，藍(lán)牙地址配置和晶體振蕩器微調(diào)。設(shè)置設(shè)備只需要更改工具中.keyr文件中的藍(lán)牙地址和水晶微調(diào)（隨每個(gè)設(shè)備提供）和設(shè)備名稱。

圖7：對(duì)于CSR1013等設(shè)備，應(yīng)用程序位于GAP和GATT固件之上，與藍(lán)牙服務(wù)一起。

SDK中的示例應(yīng)用程序和配置文件符合Bluetooth SIG標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)人員可以使用此代碼作為藍(lán)牙認(rèn)證過(guò)程的一部分，以最大限度地降低軟件開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性。

CSR1013還使用SPI作為調(diào)試接口，這在SPI從模式下可用，使外部控制器能夠訪問(wèn)和控制設(shè)備，通常通過(guò)CSR提供的庫(kù)和工具。但是，此接口的協(xié)議是專有的，用于在生產(chǎn)中使用16位數(shù)據(jù)和直接進(jìn)入控制器的16位地址編程來(lái)配置和調(diào)試器件。即使不用于開(kāi)發(fā)，也必須將四條SPI線路連接到測(cè)試點(diǎn)或標(biāo)頭，以便它們可用于生產(chǎn)測(cè)試。

結(jié)論

芯片制造商增加了顯著的功能，可以幫助開(kāi)發(fā)人員實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)計(jì)的藍(lán)牙連接。智能手表的發(fā)展意味著通過(guò)各種方法分離對(duì)無(wú)線收發(fā)器和控制器的訪問(wèn)，將為開(kāi)發(fā)人員提供更多選擇，以優(yōu)化代碼并最大限度地降低功耗。