如何实现可穿戴设计的蓝牙连接

可穿戴设备的兴起以多种不同方式对系统设计人员构成了重大挑战。无线连接对于设计至关重要，但要保持尽可能长的电池寿命仍然存在挑战，同时仍然提供响应系统，可在后台无缝安全地更新，以适应不断增加的可穿戴设计。

蓝牙®的新一代规范提供了大部分功能。 4.0和4.1的蓝牙智能规范提供了对安全和电源管理的特定支持，以及支持一系列配置文件，这些配置文件为特定应用程序提供代码，例如健身和运动监视器，热量和血压监测，信息更新和通知。智能手表，甚至是解锁家园和车辆门的钥匙的能力。

市场研究公司CCS Insight看到2014年可穿戴设备的出货量增加了三倍，达到2900万台，高于970万台。一年前，预计2015年将进一步增加至7500万辆。这是由健身乐队和智能手表推动的。到2018年，该公司预计该市场每年将达到1.72亿部，其中可穿戴式相机和眼镜被添加到产品组合中。

图1 ：可穿戴设备市场预计到2018年将增长到1.75亿台，同时使用单芯片收发器和主机处理器的系统将大幅增长。资料来源：CCS Insight

所有这些都是由新系列的单芯片蓝牙无线收发器实现的。它们将高性能RF前端与广泛的电源管理和低功耗32位或16位RISC处理器内核相结合，以实现蓝牙协议栈。它们还在芯片上具有额外的存储空间来运行应用程序，特别是对于诸如健身追踪器的单功能设计。通过多个I/O引脚和薄芯片级封装，这些引脚可用作系统的控制器以及用于简单应用（如跟踪器或密钥）的通信链路。然而，对于更复杂的设计，例如智能手表，必须实现更复杂的用户界面，这些单芯片设计还与主机控制器连接，并且这些设计具有不同的开发策略。

DA14583例如，来自Dialog Semiconductor的蓝牙智能全集成无线电收发器和基带处理器。它可以用作独立的应用处理器或主机控制器的无线接口，并支持灵活的存储器架构，用于存储蓝牙配置文件和自定义应用程序代码，以及通过SPI +引脚与主机控制器的接口。

图2：Dialog Semiconductor的DA14583的方框图显示了必须控制的不同处理模块。

该设备支持纽扣电池单元典型电压为3.0 V，包括一个10位模数转换器（ADC），用于精确测量电池电压。对于无屏幕可穿戴设计，它有24个通用数字接口，可以直接连接到传感器以简化系统设计，以及一个四通道10位ADC来处理模拟传感器。

完全集成的2.4 GHz CMOS收发器使用单线天线，无需RF匹配或发送/接收切换。这有助于简化空间至关重要的可穿戴应用的电路板设计。

合格的蓝牙智能协议栈存储在专用ROM中。所有软件都通过简单的调度程序在16 MHz ARM ® Cortex ® -M0处理器上运行，固件包括L2CAP服务层协议，安全管理器（SM），属性实现各种蓝牙服务和建立无线链路所需的协议（ATT），通用属性配置文件（GATT）和通用访问配置文件（GAP）。这些包含在Bluetooth SIG发布的配置文件中，并且该设备支持通过SmartSnippets蓝牙软件平台开发自定义配置文件的功能。这包括芯片上的合格单模堆栈以及用于消费者健康，运动，健身，安全和邻近应用的一系列配置文件。

图3：在Dialog的SmartSnippets开发环境中将驱动程序与硬件抽象层（HAL）中的应用程序分离。

设计人员可以开发其他客户配置文件，因为软件开发环境基于Keil的uVision开发工具。这些都是成熟且经过良好测试的，包含嵌入式模式的示例应用程序代码。

应用程序是用C语言编写的，并通过SmartSnippets编译并传送到设备。这是开发套件不可或缺的部分，有三种类型，从基本版到专业版，专家版，每个版本都将I/O映射到扩展连接器，以便轻松链接到其他传感器。套件上提供了一个调试器，通过UART或JTAG端口进行链接，以编程和测试应用程序。

SmartSnippets通过入门工具包实现，链接到SPI，UART或JTAG引脚。基本套件是一块板，所有DA14580的I/O都可用并映射到扩展连接器上。对于PRO套件，主板可以与几个子板中的一个组合使用，具体取决于所使用的封装类型，无论是芯片级WL-CSP34，四通道QFN40还是四通道QFN48。板载调试芯片可以访问芯片上的专用电路，使开发人员能够分析和微调正在开发的应用程序的功耗。

专家套件旨在通过SMA连接器评估芯片的RF性能。 PRO和Expert套件均可用于通过SPI连接分析器件中不同模块的功耗。这允许开发人员直接访问调整代码，以最大限度地延长设计的电池寿命。

无线收发器和芯片内控制器之间的连接是此优化的关键领域，而STMicroelectronics拥有这一优势。使用BlueNRG-MS设备进行改进。

BlueNRG-MS提供了使用SPI传输层与外部微控制器连接的选项，其中ST开发了自己的协议。这定义了一种软件协议，提供访问嵌入式蓝牙堆栈层提供的所有服务的功能，并提供ARM Cortex-M0控制器和芯片内收发器的更多可见性。这使开发人员能够更准确地分析在主处理器上运行的应用程序代码，从而实现更高效的操作和更长的电池寿命。

图4：意法半导体的BlueNRG-MS实现了专用的应用控制器接口（ACI），以改善对收发器和片上处理内核的访问。

应用控制器接口（ACI）使用以8 MHz运行的标准SPI从接口作为传输层，并使用五条线：两条控制线（时钟和从机选择）;两条数据线，全双工串行移出（MOSI和MISO）;和一条线指示从机的数据可用性，ST使ACI命令可供开发人员使用。

图5：ACI接口位于主处理器上的蓝牙智能配置文件和单芯片收发器上运行的协议栈之间。

这意味着在主处理器上运行的应用程序可以通过SPI连接发送ACI命令来控制BlueNRG-MS但关键是ACI接口也支持现有的HCI命令。如果收到命令，ACI将检查该命令是用于主机还是用于控制器。如果该指令是ARM控制器的HCI命令，则ACI将转发该指令，并将其从主机旁路。这有两个好处：这意味着主机可以在不使用HCI命令的情况下控制链路层或PHY，从而提高性能;用户应用程序仍然可以单独测试控制器或使用HCI命令设置一些低级硬件参数，而无需通过主机。

剑桥硅无线电，现在是高通公司的一部分，使用自定义16位于CSR1013单模蓝牙低功耗芯片中的控制器称为XAP的RISC处理器。这提供了创建蓝牙低能耗产品所需的一切，其中包括合格的蓝牙v4.1规格堆栈以及在单个芯片上运行高达50 KB的客户应用程序。

图6：高通公司的CSR1013有自己的专有指令，通过其软件开发套件与收发器和控制器连接。

芯片级WLCSP封装允许CSR1013适合薄型可穿戴设备设计和支持锂聚合物电池，直接连接到4.4 V电源电压，无需外部稳压器。

CSR的μEnergy软件开发工具包（SDK）使用其带有断点，可变查看和内存查看的xIDE图形代码开发环境，为应用程序提供了完整的图形代码开发环境。 SDK基于XAP核心的GCC编译器工具链，其命令行构建和制作工具可用于快速开发和回归构建。

SDK还包括一个编程工具，用于通过加载和配置设备SPI系列还支持生产线编程，测试，蓝牙地址配置和晶体振荡器微调。设置设备只需要更改工具中.keyr文件中的蓝牙地址和水晶微调（随每个设备提供）和设备名称。

图7：对于CSR1013等设备，应用程序位于GAP和GATT固件之上，与蓝牙服务一起。

SDK中的示例应用程序和配置文件符合Bluetooth SIG标准，开发人员可以使用此代码作为蓝牙认证过程的一部分，以最大限度地降低软件开发的复杂性。

CSR1013还使用SPI作为调试接口，这在SPI从模式下可用，使外部控制器能够访问和控制设备，通常通过CSR提供的库和工具。但是，此接口的协议是专有的，用于在生产中使用16位数据和直接进入控制器的16位地址编程来配置和调试器件。即使不用于开发，也必须将四条SPI线路连接到测试点或标头，以便它们可用于生产测试。

结论

芯片制造商增加了显着的功能，可以帮助开发人员实现可穿戴设计的蓝牙连接。智能手表的发展意味着通过各种方法分离对无线收发器和控制器的访问，将为开发人员提供更多选择，以优化代码并最大限度地降低功耗。