使用无线模块构建可穿戴设备

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我是靠谱客的博主聪明小懒猪，最近开发中收集的这篇文章主要介绍使用无线模块构建可穿戴设备，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

　　能够将连接性和处理能力集成到可穿戴设备对许多设计来说已经变得越来越重要，并且采用最新智能蓝牙 4.0 协议的模块为可穿戴系统设计人员提供了一种快速简单的方法来实现合适的连接性。

　　预认证型模块如 Panasonic PAN1326 和 BlueGiga BLE112，使得设计的无线元件可以直接轻松地处理，而无需经过复杂的天线设计和认证过程。虽然这些模块可能不适合最小的空间受限型可穿戴设备，但它们在许多领域都发挥着重要作用，比如可穿戴式心率监测仪、血压传感器和手机配件。这些模块的设计人员还通过嵌入式软件优化了电源管理和无线接口，以便将功耗降到最低。此优化为开发过程节省了大量宝贵时间。

　　可穿戴设备还要走外观设计阶段，因此，能够轻松变更设计以符合最新外观要求而无需走认证过程，就显得十分重要。

　　低功耗蓝牙 (BLE) 标准旨在通过建立快速连接并传输少量数据来降低功耗。利用这些技术，可以将功耗降至传统蓝牙的十分之一。低功耗蓝牙设备可以进入休眠模式，在发生事件活动时激活，例如发送文件到网关、PC 或手机时。采用例如 PAN 1326 这样的模块优化电源管理，可实现最大功耗不超过 15 mA，且平均功耗只有 1 µA。因此，一颗小型纽扣电池(例如 CR2032)即可支持可穿戴设备工作长达 10 年之久。

　　图 1：Panasonic PAN1326 蓝牙模块。

　　PAN1326/1316 主机控制接口 (HCI) 系列还可以以一种简单易用的方式使用 Texas Instruments 的 CC2564，含天线时的基底面仅为 85.5 mm²。这些模块可以容纳 1.3 mm 焊盘间距、至少为两层结构的 PCB，从而简化了实现和制造过程。

　　使用模块可以无需重新设计系统即可在可穿戴设备中实现不同的性能水平。例如，PAN131x 模块系列支持传统蓝牙、低功耗蓝牙 (BLE) 和具有蓝牙及 ANT 低功耗协议的双模式，它们具有同样的引脚布局，因此可以轻松替换为新的模块。

　　类似地，PAN132x 系列支持含天线在内的同样多的功能。

　　系列描述兼容性

　　PAN1315ABT Classic100% 引脚兼容

　　PAN1316BT 和 BLE

　　PAN1317双模 BT 和 ANT

　　PAN1325A具有天线的 BT Classic100% 引脚兼容

　　PAN1326具有天线的 BT 和 BLE

　　PAN1327具有天线的双模 BT 和 ANT

　　图 2：引脚兼容模块能让可穿戴设备设计人员轻松实现多种功能。

　　ANT 选件通过 Texas Instruments 和 Nordic Semiconductor 的硅元件实现，其目标针对运动表现监测可穿戴设备的个人局域网。像蓝牙一样，它使用 2.4 GHz 频带和极小占空比技术以及深度休眠模式，确保实现极低功耗。

　　每个 ANT 节点可作为主/从设备运行，且能够发送和接收数据并可用作中继器，因此扩大了节点应用范围，并且，协议通过分时多路复用技术对多个节点使用单个 1 MHz 通道。每个节点以其自有时隙发送消息，基本消息长度为 150 µs，消息速率，即为发送间隔时间，范围为 0.5 Hz 到 200 Hz，每条消息带有 8 字节有效载荷。

　　不过，这是 GPS 公司 Garmin 的子公司 Dynastream Innovations 开发的专有协议，而不是象有多种不同设备支持的蓝牙这样的开放规范。但拥有能够轻松支持该协议的模块，就可以帮助开发人员尽可能多地为可穿戴式设计提供连接性选择。

　　像 BlueGiga 的 BLE112 这样的模块的价值即在于，它们提供所有的低功耗蓝牙特性，包括适用客户应用的无线电、堆栈、框架和应用空间，因此无需使用外部处理器。模块还提供灵活的硬件接口，能够将传感器和简单用户接口，甚至是显示屏直接连接到该模块，让开发人员有了更多的可穿戴式设计选择。处于最低功耗休眠模式时，该模块仅消耗 400 nA，唤醒只需几百 µs，因此，它可以用标准 3 V 纽扣电池或一对 AAA 电池直接供电，帮助减少可穿戴设备所需的空间。

　　图 3：BlueGiga BLE112 蓝牙模块框图。

　　使用此类模块设计设备时有许多问题要考虑，多数问题围绕布局和制造。天线将安装在一个特定位置并具有特定输出特性曲线，在可能的情况下，这个问题是可穿戴式设计一定要考虑的。如果终端设备设计成将天线埋入材料之中，则无线性能将会降低。这意味着需要更多的电池功率来补偿，而且影响设备可靠性。

　　虽然模块已经制造完成并通过认证，但它仍然需要安装在印刷电路板上并与其它设计元件相连。这意味着在制造阶段需要考虑相应的回流要求，确保模块经过最终组装阶段后保持全部功能完好。

　　射频前端

　　为了帮助设计人员节省时间，避免在其自己的前端实现射频功能，BLE112 中的射频前端包括了配套的平衡-不平衡转换器和低通滤波器以及与网络匹配的陶瓷贴片天线。这样既实现了匹配优化，又针对极低带内杂散辐射和谐波提供了有效低通滤波器，并有助于可穿戴式设计使用较少的空闲空间。另外还有一个选择，为连接外部天线，射频既可以被追踪到嵌入式连接器，也可以被追踪到模块射频引脚。

　　布局

　　为了获得天线性能优化，BlueGiga 建议，将模块安装在 PCB 板的一角，这样其周围没就有任何金属走线甚至是塑料或其它介电材料，因为这样做可以让天线失谐至更低的频率。但是这在外形尺寸小的可穿戴式设计中很难实现，而且还可能会有织物缠绕。

　　全部接地引脚需要直接连接到固态接地平面，通孔要尽可能靠近接地引脚。采用好的布局做法可以避免信号线或供电电压线路产生任何过度噪音，而造成性能损失和功耗增加。

　　组装

　　BLE112 模块有意兼容工业标准回流焊规范，以实现无铅焊接。回流焊规范的使用取决于整块组装好的 PCB 的热质、烘箱的热传递效率和所用焊膏的特定类型。

　　由于回流焊规范的使用与工艺和布局相关，因此最佳规范应根据具体情况进行分析，而且要考虑规范配置使用的特定焊膏并避免使用回流焊多于一次。焊点可靠性和元件自对准能力取决于焊膏量，建议使用 150 µm 最小模版厚度，且筛孔尺寸与焊盘采用同样的尺寸。

　　图 4：BlueGiga BLE112 蓝牙模块。

　　总结

　　模块为可穿戴式设计增加无线连接提供了简单易用的方法。预认证型模块能够让设计人员专注于硬件和软件的增值环节，采用更小的外形和用户接口，而不是将精力放在无线连接上。由于供应商已经优化了功率和射频前端，所以这些模块能够实现更长久的电池寿命和更可靠的连接，无需增加成本或开发时间即可增强可穿戴设备的功能。甚至可以直接换上引脚兼容的替代模块，从而提供不同级别的蓝牙连接，从传统的流媒体式到低功耗数据传输，甚至是专属协议蓝牙连接。所有这一切让可穿戴设备设计人员拥有更多的灵活性，而且不用担心无线连接的具体实现过程。