如何将可穿戴设备与蓝牙智能物联网?

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如何将可穿戴设备与蓝牙智能物联网?

　　可穿戴设备的兴起给系统设计师带来了许多不同的挑战。无线连接对设计是至关重要的，但是要保持尽可能长的电池寿命，同时还要提供一个快速响应的系统，使其能够在越来越多的可穿戴设计的背景下无缝、安全地更新，这是一个挑战。

　　新一代的规格从蓝牙®提供了此功能。蓝牙智能4.0和4.1规范提供特定的安全与电源管理的支持,以及使一系列的配置文件提供代码的具体应用,如健身和运动监测、热量和血压监测、信息更新和通知在一个智能手表,甚至能够作为房屋和车辆开启大门的关键。

　　市场研究公司CCS Insight预计，2014年可穿戴设备的出货量将从去年的970万台增至2900万台，并有望在2015年再增加到7500万台。这是由健身带和智能手表驱动的。该公司预计，到2018年，市场将达到1.72亿部，其中可穿戴式相机和眼镜将增加产品组合。

　　到2018年，可穿戴设备市场预计将增长到1.75亿部，同时使用单芯片收发机和主机处理器的系统将有显著增长。CCS Insight来源:

　　图1:可穿戴设备市场预计到2018年将增长到1.75亿部，同时使用单芯片收发器和主机处理器的系统将有显著增长。CCS Insight来源:

　　所有这些都是由单片蓝牙无线收发器的新家庭所支持的。这些结合高性能射频前端与广泛的电源管理和一个低功率32位或16位的RISC处理器核心来实现蓝牙协议栈。在芯片上还有额外的内存空间来运行应用程序，特别是对于诸如健康追踪器之类的单一功能设计。有多个I/O大头针和薄的芯片封装，这些可以作为系统的控制器，也可以作为一个简单应用程序的通信链接，比如跟踪器或密钥。然而，对于更复杂的设计，如智能手表，必须实现更复杂的用户界面，这些单片机设计也与主机控制器接口，这些设计有不同的开发策略。

　　例如，对话半导体的DA14583是一个完全集成的无线电收发器和蓝牙智能的基带处理器。它可以作为一个独立的应用程序处理器，或者作为主机控制器的无线接口，支持灵活的内存架构，通过SPI+ pin将蓝牙配置文件和自定义应用程序代码与主机控制器的接口连接起来。

　　对话半导体的DA14583的框图显示了需要控制的不同处理块。

　　图2:对话半导体的DA14583的框图显示了需要控制的不同处理块。

　　该设备支持具有典型电压3.0 V的硬币电池单元，包括一个10位模数转换器(ADC)，用于精确的电池电压测量。对于无屏幕的可穿戴设计，它有24个通用的数字接口，可以直接连接到传感器来简化系统设计，以及一个4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，不需要射频匹配或传输/接收转换。这有助于简化可穿戴应用程序的板设计，因为空间是至关重要的。

　　合格的蓝牙智能协议栈存储在一个专用的ROM。所有的软件运行在16兆赫手臂®皮层®m0处理器通过一个简单的调度程序和固件包括L2CAP服务层协议,安全管理器(SM)、属性协议(ATT),通用属性配置文件(关贸总协定)和通用访问配置文件(GAP)来实现各种蓝牙服务和建立无线连接。这些都包含在蓝牙SIG发布的概要文件中，该设备支持通过SmartSnippets蓝牙软件平台开发定制配置文件的能力。这包括在芯片上的一个合格的单模堆栈，以及一系列的个人资料，用于消费者健康，运动，健身，安全和接近的应用。

　　在对话框的SmartSnippets开发环境中，驱动程序与硬件抽象层(HAL)中的应用程序分离。

　　图3:在对话框的SmartSnippets开发环境中，驱动程序与硬件抽象层(HAL)中的应用程序分离。

　　由于软件开发环境是基于Keil的uVision开发工具，所以设计师可以开发更多的客户配置文件。这些都是成熟的、经过良好测试的，并包含嵌入式模式的示例应用程序代码。

　　应用程序是用C编写的，通过SmartSnippets编译并交付给设备。这是开发工具包的一个组成部分，它有三种类型，从基本的到专业的，每一个都有I/Os映射到扩展连接器上，以方便地链接到其他传感器。在通过UART或JTAG端口链接到程序并测试应用程序的工具包上提供了一个调试器。

　　SmartSnippets通过初学者工具包实现，链接到SPI、UART或JTAG大头针。基本工具包是一个包含所有DA14580的I/Os的板，并映射到扩展连接器上。对于PRO kit，主板可以与多个子板之一结合，这取决于所使用的包的类型，无论是一个chipscale WL-CSP34, quad QFN40还是quad QFN48。一块板上的调试芯片可以访问芯片上的专用电路，使开发者可以对正在开发的应用程序的功耗进行配置和微调。

　　专家试剂盒的目的是通过一个SMA连接器来评估芯片的射频性能。PRO和Expert工具包都可以通过SPI连接来配置设备中不同块的功耗。这使开发人员可以直接访问调整代码，以最大化设计的电池寿命。

　　无线收发器与芯片内的控制器之间的连接是这一优化的关键领域，而STMicroelectronics通过BlueNRG-MS设备进行了改进。

　　BlueNRG-MS提供了使用SPI传输层与外部微控制器交互的选项，在这里ST已经开发了自己的协议。这定义了一个软件协议，它提供了访问嵌入式蓝牙栈层所提供的所有服务的功能，并提供了ARM Cortex-M0控制器和芯片内的收发器的更多可见性。这使得开发人员能够更准确地配置在主机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。

　　来自STMicroelectronics的BlueNRG-MS实现了一个专用的应用程序控制器接口(ACI)，用于改进对收发器和芯片处理核心的访问。

　　图4:来自STMicroelectronics的BlueNRG-MS实现了一个专用的应用程序控制器接口(ACI)，用于改进对收发器和芯片处理核心的访问。

　　应用程序控制器接口(ACI)使用一个标准的SPI从接口运行在8兆赫兹作为传输层，并使用5根电线:两个控制线(时钟和从属选择);采用全双工的串行移出(MOSI和MISO)的两根数据线;还有一根线表示从奴隶那里获得的数据可用性，并且ST使ACI命令可供开发人员使用。

　　ACI接口位于主机处理器的蓝牙智能配置文件和在单芯片收发器上运行的协议栈之间。

　　图5:ACI接口位于主机处理器的蓝牙智能配置文件和在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发送ACI命令来控制在SPI连接上的BlueNRG-MS，但是关键的一点是ACI接口也支持现有的HCI命令。如果接收到一个命令，ACI将检查该命令是否为主机或控制器。如果指令是ARM控制器的HCI命令，ACI将会将指令转发给主机。这有两个优点: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，或者使用HCI命令设置一些底层硬件参数，而不必通过主机。

　　现在高通公司(Qualcomm)旗下的Cambridge Silicon Radio使用了一个自定义的16位RISC处理器，该处理器在其CSR1013单模蓝牙低能量芯片中被称为XAP。这提供了创建一个蓝牙低能量产品所需的一切，该产品具有合格的蓝牙v4.1规范栈和在单个芯片上运行最多50个Kbytes的客户应用程序。

　　来自高通的CSR1013有自己的专有指令，可以通过其软件开发工具包对收发器和控制器进行接口。

　　图6:来自高通的CSR1013通过其软件开发工具包，有自己的专有指令，可以通过它与收发器和控制器进行交互。

　　芯片级WLCSP封装使CSR1013适合于薄的可穿戴设计，并支持li -聚合物电池，直接连接4.4 V供电电压，无需外部调节。

　　CSRµEnergy软件开发工具包(SDK)提供了一个完整的图形化代码为应用程序开发环境使用与断点,希德图形代码开发环境变量观察和记忆查看。该SDK基于GCC编译器工具链，使用命令行构建XAP核心，并提供用于快速开发和回归构建的工具。

　　该SDK还包括一个编程工具，用于通过SPI线加载和配置设备，还支持生产线编程、测试、蓝牙地址配置和晶体振荡器的微调。设置该设备只需要改变蓝牙地址和水晶装饰(每个设备都提供了)和设备名称。工具中的keyr文件。

　　对于像CSR的CSR1013这样的设备，应用程序可以在“GAP”和“GATT固件”的基础上与蓝牙服务一起使用。

　　图7:对于像CSR1013这样的设备，应用程序位于GAP和GATT固件的顶部，并与蓝牙服务一起。

　　示例应用程序和SDK中的概要文件是蓝牙SIG，开发人员可以将此代码作为蓝牙认证过程的一部分，以最小化软件开发的复杂性。

　　CSR1013还使用SPI作为调试接口，这在SPI的从属模式中可用，以使外部控制器能够访问和控制设备，通常是通过CSR提供的库和工具。然而，该接口的协议是专有的，用于在生产中使用16位数据和16位地址编程直接对控制器进行配置和调试。即使这不是用于开发，也必须将4个SPI线带到测试点或标头中，这样它们就可以用于生产测试了。

　　结论

　　芯片制造商已经增加了重要的能力来帮助开发者实现可穿戴设计的蓝牙连接。智能手表的发展意味着，通过多种方式将无线收发器和控制器的访问分离开来，将给开发者提供更多的选择来优化代码，并减少电力消耗。