如何設計低功率全時啟動穿戴式裝置：第 3 篇 – 藍牙無線連線最佳化

編者說明：我們針對電池供電式的全時啟動穿戴式電子裝置設計撰寫了三篇文章，本文是第 3 篇。此系列文章將著重在電源最佳化的三大層面。第 1 篇說明如何設定微控制器，以延長電池續航力並減少充電次數。第 2 篇探討如何安全地維護電池，以延長充電的時間間隔。本文是第 3 篇，將說明穿戴式裝置的無線網路連線，以及如何達到最佳化無線連線以降低功率。

穿戴式裝置不斷挑戰設計人員對空間與低功率最佳化的能力極限。每平方毫米的空間都至關緊要，哪怕是浪費 1 mA 都會導致電池續航力縮短，難免因此帶來不良的使用者體驗。無線介面是穿戴式裝置中消耗電池電量的主要因素之一，而目前有越來越多解決方案，可協助設計人員將穿戴式裝置的電池耗電量降至最低。

本文將探討如何在穿戴式裝置上使用無線連線，以及如何設定無線介面將電池耗電量降至最低。接著會介紹 Dialog Semiconductor 推出的無線晶片，並討論如何針對穿戴式裝置正確設定藍牙連線。

消費性穿戴式裝置的無線通訊

消費性穿戴式裝置通常會連線至行動裝置 (執行製造商開發的應用程式)。穿戴式裝置雖可獨立於所連接的行動裝置運作，但最常見的運作模式則是在連線範圍內時，依照設定的時間間隔與行動裝置進行同步。此同步作業不需要即時運作，這是功率最佳化的關鍵因素。

例如，健身穿戴式裝置會與應用程式同步資料，包括心率記錄、步數以及隨時間變化的移動距離。即便使用者正在運動，此資料亦無須即時同步。可接受一到五秒的更新間隔，使用者通常還可自行設定間隔。另外，穿戴式裝置還會接收來自行動裝置的通知，包括來電和簡訊。這些通知為隨需運作，僅在必要時發生。

設計人員可透過多種無線介面與穿戴式裝置連線，但基於互通性考量，能與藍牙競爭的介面很少，這是因為藍牙可在穿戴式裝置與行動裝置間提供直接連線。當行動裝置不在連線範圍內時，亦可使用 Wi-Fi 將穿戴式裝置連接網際網路。然後，穿戴式裝置可設定為連線至公開或其他任何已授權存取的網路。接著便可雙向交換資料。例如，資料可透過 Wi-Fi 網路從穿戴式裝置傳輸至穿戴式裝置製造商的雲端，然後再透過行動網路從雲端傳送至行動裝置。在此同時，行動裝置會將相關的本地情況以及電子郵件或簡訊通知更新到穿戴式裝置。

由於 Wi-Fi 會增加耗電和相關成本，穿戴式裝置鮮少採用 Wi-Fi。再加上穿戴式裝置幾乎總是靠近配對的行動裝置，因此本文將著重在藍牙的探討。

適用於穿戴式裝置的藍牙

藍牙最初是針對端對端連線而開發，能以每秒 1 至 3 Mbit 的數據率傳輸資料。此原始藍牙規格如今稱為藍牙 3.0 或傳統藍牙。這些早期版本的藍牙對於傳輸音訊與多媒體檔案十分實用，但其設計對於間歇性、低數據傳輸率、低功率控制訊號和感測器資料而言過於耗電。針對這些應用，藍牙 4.0 應運而生。

藍牙 4.0 目前廣泛稱為低功耗藍牙 (BLE)，其資料傳輸速率可低至每秒 125 Kbit。此外，低功耗藍牙晶片大部分時間皆處於睡眠模式，在需要操作前僅會耗費最少的電力。這非常適合使用小型電池的低功率穿戴式裝置。

若想在穿戴式裝置上實作低功耗藍牙無線電，開發人員可以使用微控制器搭配整合式無線電，或是使用外部無線電。系統需求會決定哪一個才是最低功率的選項。

例如，如果將低功耗藍牙無線電整合到微控制器中當作周邊裝置，就可以節省寶貴的 PC 板空間。但在此情況下，就至少需要對微控制器進行部分供電，以便無線電周邊裝置運作。

替代方案就是，低功耗藍牙無線電可以位於微控制器外部。雖然這需要佔用額外的 PC 板空間，但其優勢在於僅需要讓無線電晶片處於主動狀態，而微控制器可以處於低功率模式。此外，還有一個優勢就是將模組化作法帶入到穿戴式裝置的設計中。如此一來，即可在新設計中將主機微控制器更換為更強大的微控制器，同時保留原有的低功耗藍牙無線電晶片。由於不需要將藍牙無線電與堆疊編碼到微控制器中，因此還可加速設計週期。

使用外部藍牙晶片

適合穿戴式裝置的外部藍牙晶片，應具有簡單的微控制器介面，既不會明顯增加耗電，又能將微控制器從睡眠狀態中喚醒。Dialog Semiconductor 的 DA14585 藍牙 SoC 即是適合穿戴式裝置的元件，如圖 1 所示。

DA14585 以 Arm® Cortex®-M0 核心為基礎，並具有 128 KB 原廠編程 ROM。此外，還包含可自訂的 64 KB 一次性可編程 (OTP) 記憶體。因此能開發適用於 DA14585 的客製化藍牙應用韌體。此韌體亦可存取額外的晶片上周邊裝置，包括：

• 四通道 10 位元類比數位轉換器 (ADC)；可用於電池監測
• 正交解碼器；可用於介接三軸人性化介面裝置 (HID)，如帶方向指示的計步器等
• 鍵盤控制器周邊裝置；可用於連接和解除按鈕彈跳

圖 1：Dialog Semiconductor 的 DA14585 是完整的藍牙 SoC 解決方案，具備完善的藍牙 5.0 堆疊、2.4 GHz 無線電收發器，以及用於自訂藍牙周邊裝置的額外硬體。(圖片來源：Dialog Semiconductor)

此外，DA14585 還整合了 2.4 GHz 收發器、基頻處理器以及符合低功耗藍牙 5.0 規格的堆疊，能讓開發人員以最快的時間學習藍牙半導體的設計細節。雖然穿戴式裝置通常僅需要一個低功耗藍牙連線，但此元件最多可同時支援八個連線。

這款晶片可使用 UART、SPI 或 I²C 介面連線至微控制器。雖然此元件含有預設的韌體可進行主機通訊，但為了提供更具效率的穿戴式系統設計，Dialog 可支援開發人員使用晶片上 OTP 來自訂主機通訊。其 UART 具有硬體流量控制功能，且支援最高 1 Mbit/s 的數據傳輸率，因此主機微控制器必須支援相容的 UART 介面。

DA14585 的外型也十分小巧。採用 34 引腳 WLCSP 封裝，尺寸僅有 5 mm x 5 mm，因而具有最小的板覆蓋區。此元件的厚度僅有 0.9 mm，非常適合超薄的穿戴式裝置使用。

低功耗藍牙核心與堆疊完全符合藍牙規格 v5.0 (圖 2)。若將堆疊放在 DA14585 而不是微控制器上，有個優勢是當藍牙規格更新時，Dialog 只需更新 DA14585 中的堆疊即可。穿戴式裝置仍可如常運作，而開發人員可以選擇更新主機微控制器應用韌體，即可享有規格變更後的優勢。

圖 2：Dialog Semiconductor 的 DA14585 僅需極少的外部元件。其實作了完整的藍牙 v5.0 核心和無線電，因此開發人員無需了解構建藍牙半導體解決方案的細節。(圖片來源：Dialog Semiconductor)

藍牙無線電僅需少許的外部元件。可支援所有藍牙裝置類別與封包類型。另外，此無線電還可以斷電，以節省電力。Cortex-M0 核心會將其視為 AHB 匯流排周邊裝置。

Dialog Semiconductor 還推出 DA14586，具有與 DA14585 相同的 ROM、OTP 和周邊裝置組，但添加 2 Mbit 的快閃記憶體。雖然快閃記憶體可編程多次，OTP 僅可編程一次，但 OTP 的耗電量遠低於快閃記憶體。DA14585 的工作電壓為 0.9 至 3.6 V，而 DA14586 的工作電壓則為 1.8 至 3.3 V。

實作低功率藍牙穿戴式裝置

DA14585 的藍牙核心有兩種操作模式：主動與深度睡眠。在主動模式下，無線電會透過藍牙無線連線進行發射與接收；深度睡眠模式則會停用核心，並選擇性地中斷無線電電力。由於穿戴式裝置充其量只是近乎即時的裝置，因此可針對定期的睡眠與喚醒事件來編程核心及無線電，以達到省電目的。

例如，藍牙核心可編程為進入深度睡眠模式一段時間，然後再喚醒進入主動模式，以便管理發給使用者或與其相關的任何訊息或通知 (亦即電子郵件、心率更新等等)，然後再返回深度睡眠模式。開發人員可決定此週期的時間間隔。核心處於深度睡眠模式的時間越長，節省的電池電力就越多；但是，若處於深度睡眠模式的時間過久，會導致藍牙訊息延遲。您也可將核心編程為處於主動模式更久的時間，以縮短延遲與回應時間，但這會耗用更多電力。開發人員應嘗試不同的深度睡眠與主動模式間隔，在功率與回應時間之間達到最佳平衡，獲得最理想的使用者體驗。

DA14585 的主要 Arm Cortex-M0 處理器支援四種功率模式：主動、睡眠、長時間睡眠和深度睡眠。請注意，這些功率模式不應與藍牙核心的功率模式混為一談；在 Arm 核心與周邊裝置處於其專屬的長時間睡眠模式時，藍牙核心可以處於其主動模式。

• 在主動模式下，Arm 核心與周邊裝置皆會通電並處於主動狀態。在藍牙數據連線期間，DA14585 會處於此模式。在主動模式下，DA14585 將由 3 V 電源供電，在接收時會耗用 5.3 mA 電流，在發射時耗用 4.9 mA 電流。
• 在睡眠模式下，Arm 核心會閒置，但其狀態會保留。此模式可節省電力。此時，藍牙會處於主動狀態，而 Arm 核心則在等待傳輸完成以處理資料。在睡眠模式中，電流消耗量將取決於哪些周邊裝置處於主動狀態。
• 在長時間睡眠模式下，Arm 核心會隨同選定的周邊裝置一併閒置。當藍牙核心處於其深度睡眠模式且藍牙長時間無活動時，可使用此模式來節省電力。藍牙周邊裝置與主機介面可以處於主動狀態，任一個皆可在偵測到活動時透過中斷來喚醒 Arm 核心。此模式的耗電量極少。處於長時間睡眠模式時，DA14585 會消耗 3.3 µA 的電流，並保留 64 KB 的 RAM。
• 深度睡眠模式是 Arm 與周邊裝置的最低功率模式。此模式會關閉所有功能，包括藍牙無線電。若使用者想要關閉藍牙，且不需要使用 DA14585 的任何周邊裝置，就可使用此模式。在深度睡眠模式下，DA14585 僅會消耗 610 nA 電流，若需保留 16 KB 的 RAM，則僅會消耗 1.4 µA 電流。

在基本操作中，採用 DA14585 的穿戴式裝置藍牙核心大部分時間皆會處於深度睡眠模式，而 Arm 會處於睡眠或長時間睡眠模式。藍牙核心隨後會按照編程的時間間隔定期喚醒進入主動模式，以檢查無線資料，而 Arm 核心會喚醒進入主動模式，並與主機微控制器進行資料通訊。傳輸完成後，藍牙核心會進入深度睡眠模式，而 Arm 核心進入睡眠或長時間睡眠模式。這可為行動裝置提供主動可靠的連線，同時節省寶貴電力。

DA14585 使用入門

為了協助開始使用 DA14585，Dialog 提供 DA14585-00ATDEVKT-B 藍牙 DA14585 基本開發套件 (圖 3)。

圖 3：Dialog Semiconductor 的 DA14585 基本評估板可透過 USB 介面與電腦連接，並含有開發人員所需的一切，以便對元件的微控制器驅動程式及應用韌體進行測試及除錯。(圖片來源：Dialog Semiconductor)

DA14585 基本開發套件透過 USB 介面支援完整除錯功能。此套件由 Microchip Technology 的主機微控制器 (採用外部快閃程式記憶體) 所控制。此微控制器的應用韌體可透過 USB 介面，載入至快閃記憶體。開發人員可以載入套件隨附的範例程式，並使用該程式介接至另一個藍牙裝置，例如電腦。隨後即可載入開發人員的自訂韌體並執行除錯。

結論

穿戴式裝置的設計人員不僅要達到最佳化功耗，以提供最佳的使用者體驗，還要考量開發時間和成本。無線介面會耗用大量功率預算，但只要仔細選擇和實作介面即可大幅緩解此問題。

如本文所述，使用外部藍牙晶片搭配主機微控制器可加快開發速度，開發人員無需從頭開始設計藍牙介面即可打造穿戴式裝置。適當使用可用的低功率模式，可以延長穿戴式裝置的電池續航力，同時確保可靠運作。