可穿戴设备的蓝牙解决方案

对于追随制造商社区的人来说，可穿戴技术的概念并不是什么新鲜事。像Arduino Lilypad这样的平台使制造商能够开发各种各样的可穿戴系统，从艺术电子编织成衬衫和裙子，再到告诉我们有多少未读电子邮件的T恤。这些项目中的大多数都具有与之相关的乐趣或自我表达元素，但越来越多的工程师被要求为可穿戴产品开发电子产品。第一波消费类设备一直由智能手表主导，即使是大牌行业也在努力将设计，显示和电池寿命结合起来。随着各种众筹网站的更新，很明显可穿戴传感器领域正在进行大量创新。例如，在健康领域，在Kickstarter上推出了一个名为Violet的项目。紫罗兰是一种可穿戴的传感器，可以测量我们接触到多少UVA和UVB辐射，让我们享受阳光来获取维生素D，但在暴露之前“霜状”会对我们的健康产生不利影响。 LEO的另一个项目是在运动期间穿在小腿肌肉周围的传感系统，并在Indiegogo上进行推广。使用3D运动，心率和肌肉活动传感器，该设备允许用户改善他们的锻炼方式并避免潜在的伤害。

这两种产品的背后是类似的核心技术，可实现节能数据收集和信息共享通过无线链接。通过使用用户的智能手机和适当的应用程序来显示结果，可以避免电源消耗显示。仔细查看Violet Kickstarter活动页面上的照片，可以看出蓝牙低功耗（BLE）正在推出这些新产品。

最初由诺基亚推出的Wibree，Bluetooth SIG将这种低功耗无线技术合并到2010年蓝牙核心规范版本4.0.BLE作为蓝牙智能销售给消费者，遗憾的是它不能与4.0版之前的蓝牙设备向后兼容。然而，由于许多蓝牙芯片组具有可编程元件，因此一些用户可能仅需要固件升级以获得支持。这是可能的，因为BLE使用与蓝牙基本速率（BR）和增强日期速率（EDR）相同的无线电和基带技术，尽管具有不同的调制方案。在消费者心目中建立蓝牙作为手机的标准功能后，将BLE添加到规范中可以更容易地启动耗电配件并在智能手机市场的成功基础上进行，而不是必须开发解决方案来实现适用于此类产品的电池寿命。

通道宽度通道数据速率

空中数据吞吐量连接延迟

（来自未连接）BLE 2 MHz 40 1 Mbps 0.27 Mbps 6 ms蓝牙

BR/EDR 1 MHz 79 1-3 Mbps 0.7-2.1 Mbps~100 ms

表1：关键蓝牙BR/EDR和蓝牙低功耗参数的简要比较。

BLE提供低功耗无线链路，适用于与其他设备（主要是智能手机）交换小数据包。短连接延迟也有助于节省能源。例如，新的配置文件，GATT或通用属性配置文件允许智能手机询问BLE设备并发现它可用的服务。支持BLE的产品（例如前面描述的那些产品）在无线链路中扮演服务器的角色。因此，它们按照其配置文件中的描述“提供”小数据包。这些可以是通常商定的数据类型，例如温度，压力或心率，从而简化通信。智能手机扮演客户角色，就像网络浏览器一样，定期询问BLE服务器是否有新数据。通过链路传输的数据包在蓝牙规范中称为“特性”。以健康温度计配置文件或HTP为例，定义了“温度测量”和“测量间隔”的特征，使双方能够轻松地就无线温度测量传感器所期望的基本功能达成一致。

图1：TI在应用报告SWRA420中提供了合适的无线电设计指南。对于开发人员而言，在支持BLE的设计的解决方案和分区方面有很多选择。 br》德州仪器（TI）的CC256XQFNEM评估模块是基于其CC256x蓝牙和双模控制器系列的参考设计。这些设备提供符合蓝牙4.0标准的解决方案，直至主机控制器接口（HCI）层。这意味着无线电，链路控制器和基带以及链路管理器在片上实现，并且可以使用标准蓝牙HCI协议通过硬件UART接口进行配置。蓝牙堆栈的其余部分（L2CAP，RFCOMM，SCO管理器）和所需的配置文件需要链接到主机控制器的应用程序代码中。为了便于入门，该评估板可与TI的MSP 430器件配对，例如MCP430F5438实验板，TI还提供免版税的蓝牙堆栈。这也意味着CC256x器件可与任何支持UART的微控制器配对，该微控制器可运行合适的蓝牙堆栈。参考设计显示了获得合格解决方案所需的外部组件很少; 13个电容器，26 MHz晶体，带通滤波器和铜迹线天线。当使用500 ms连接间隔作为BLE主机连接时，这些器件在3.6 V电源下的功耗低于200 uA。

对于那些寻求覆盖各种蓝牙应用的平台的用户，TI的音频应用辅助模式可能是出于兴趣。这些允许CC256x使用硬件音频编解码器处理音频数据的传输，而无需主机MCU的干预。基本上，主机建立音频连接，然后可以将蓝牙堆栈的处理放在较低的优先级。然后可以使用没有I²S接口的简单微控制器。

图2：nRF51822提供所有传统MCU接口以及集成无线电。

Nordic Semiconductor，with其nRF51822采用单芯片方式，将无线基带和微控制器集成到单个6 x 6 mm QFN或3.5 x 3.8 mm WLCSP封装中。 BLE堆栈是预编译的二进制文件，允许使用它的应用程序代码独立编译。根据配置，可用的256/128 kB内存中仍可提供介于40 kB和180 kB闪存之间的闪存。此外，还有一个16 kB的RAM连接到低功耗32位ARM Cortex-M0 MCU。为了简化与传感器和其他系统的集成，可提供标准串行接口（SPI/UART/2线）和10位ADC，以及128位AES协处理器 - 这对于实现安全数据至关重要连接。为了支持低功耗，nRF51822具有以下项目：EasyDMA用于RAM映射FIFO;和可编程外设接口（PPI），允许片上模块相互自动触发。这两个功能都有助于确保设备能够完成常规任务，而CPU无需持续干预nRF51822-DK为评估这些产品提供了出色的起点。该套件包括两个评估板，一个带有芯片天线，另一个带有SMA连接器，可简化RF性能测量。还包括一个J-Link lite调试器，可以与Keil MDK-ARM Lite开发环境（单独提供）一起使用。还有一个无线开发加密狗，可以在套件开发过程中作为对等设备测试无线链接。

图3：CSR的参考模块紧凑，适合这个合格的入门套件目标板。

对于替代的，完全集成的方法，值得一看CSR的CSR1010μEnergy设备。它采用5 x 5 x 0.6 mm，32引脚QFN封装，为用户应用提供64 kB ROM和64 kB RAM，在启动时通过支持DMA的SPI接口从外部SPI或I²C串行EEPROM加载时间。 CSR1010还集成了对平衡 - 不平衡转换器的需求，因为它集成在芯片内部。 DK-CSR1010开发套件包括一个带有参考设计模块的紧凑型电路板。包括印刷的PCB天线，完整的BLE模块可以小至25.5 x 18.0 mm，除了已经提到的串行EEPROM之外，仅需要19个电容器，3个电感器，1个电阻器和16 MHz/32 kHz晶体。如果需要，有12个数字I/O以及访问10位ADC和DAC的选项。该套件还包括CSR的μEnergySDK及其GCC工具链和xIDE开发环境。

那么，从哪里开始？如果您有一个值得信赖的首选低功耗MCU供应商和工具链，TI CC256x与蓝牙堆栈配对是一个很好的起点。对于完全集成，Nordic Semiconductor nRF51822应该在列表中名列前茅。 CSRsμEnergy缺乏传统微控制器供应商所期望的各种接口。然而，将这种蓝牙解决方案与小型低功耗MCU绑定在一起，以配合μEnergy设备的高无线集成是非常合理的。因此，如果您考虑到BLE应用程序，则可以尝试其中一种解决方案并进行编织。