SEK | EUR | USD

Konstruera bärbara enheter som alltid är på: del 3 – Optimera trådlös Bluetooth-anslutning

By Bill Giovino

Contributed By Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

Redaktörens anmärkning: Det här är del 3 i en serie med tre delar om att konstruera batteridriven bärbar elektronik som alltid är på, med fokus på tre områden där du kan optimera effekten. Del 1 beskrev hur du konfigurerar microcontrollern för att utöka batterilivslängden och minska antalet laddningar. Del 2 undersökte hur batteriet bäst kan underhållas för att utöka tiden mellan laddningar. Del 3 undersöker trådlösa nätverk för bärbara enheter och hur man optimerar den trådlösa anslutningen för låg effekt.

Bärbara enheter tänjer på konstruktörernas gränser när det gäller deras förmåga att optimera för utrymme och låg effekt. Varje kvadratmillimeter spelar roll och varje bortkastad milliampere bidrar till kortare batteritid, vilket obevekligen leder till en sämre användarupplevelse. En av de största batterislukarna i en bärbar enhet är det trådlösa gränssnittet, och många lösningar dyker upp för att hjälpa konstruktörer att minimera dess batteriförbrukning.

Den här artikeln diskuterar hur trådlösa anslutningar fungerar för en bärbar enhet och hur man konfigurerar det trådlösa gränssnittet för att minimera batteriförbrukningen. Den undersöker sedan trådlösa chip från Dialog Semiconductor och diskuterar hur man korrekt konfigurerar en Bluetooth-anslutning för en bärbar enhet.

Trådlös kommunikation i bärbara enheter

Bärbara enheter ansluts vanligtvis till en mobil enhet som kör en app utvecklad av tillverkaren. Även om bärbara enheter kan fungera oberoende av en ansluten mobil enhet, är det vanligaste driftsättet att synkronisera med en mobil enhet vid ett inställt intervall när den är inom räckhåll. Denna synkronisering behöver inte vara i realtid, vilket är en kritisk faktor för effektoptimering.

En bärbar träningsenhet synkroniserar till exempel data med appen, inklusive en logg över hjärtfrekvens, steg och avstånd över tid. Även om användaren tränar, behöver dessa data inte vara i realtid. Ett uppdateringsintervall på från en till fem sekunder kan vara acceptabelt, och ofta kan intervallet konfigureras av användaren. Den bärbara enheten mottar också varningar från den mobila enheten, inklusive inkommande samtal och textmeddelanden. Dessa varningar sker på begäran och endast vid behov.

Det finns många trådlösa gränssnitt som konstruktörer kan använda för att ansluta till en bärbar enhet. För driftskompatibilitetens skull kan emellertid få konkurrera med Bluetooth, vilket ger en direkt anslutning mellan den bärbara enheten och den mobila enheten. Wi-Fi kan också användas för att ansluta den bärbara enheten till internet när mobilen är utom räckhåll. Den bärbara enheten kan sedan konfigureras för att ansluta till ett allmänt eller något annat nätverk som den har åtkomstbehörighet till. Data kan sedan utbytas i båda riktningarna. Till exempel kan data överföras från den bärbara enheten över Wi-Fi-nätverket till den bärbara enhetens tillverkares moln, varifrån de kan skickas över mobilnätet till den mobila enheten. Samtidigt kan den mobila enheten uppdatera den bärbara enheten om relevanta lokala förhållanden samt med e-post eller textmeddelanden.

Eftersom Wi-Fi är sällsynt i en bärbar enhet på grund av den ökade effekten och kostnaderna, och eftersom bärbara enheter nästan alltid är nära deras anslutna mobila enhet kommer den här artikeln att fokusera på Bluetooth.

Bluetooth för bärbara enheter

Bluetooth utvecklades ursprungligen för peer-to-peer-anslutningar för strömning av data med en datahastighet på 1 till 3 megabit per sekund (Mbit/s). Denna ursprungliga Bluetooth-specifikation kallas idag Bluetooth 3.0 eller Bluetooth Classic. Samtidigt som dessa tidiga versioner av Bluetooth var användbara för att strömma ljud- och multimediafiler, var deras design alltför effektslukande för intermittenta styrsignaler och sensordata med låg datahastighet och låg effekt. För dessa tillämpningar utvecklades Bluetooth 4.0.

Bluetooth 4.0, nu allmänt känd som Bluetooth Low Energy (LE), kan överföra data så långsamt som 125 kilobit per sekund (Kbit/s). Dessutom är Bluetooth LE-chips större delen av sin tid i viloläge och slukar minimal effekt tills det behövs. Detta är perfekt för en bärbar enhet med låg effekt med ett litet batteri.

För att implementera en Bluetooth LE-radio på en bärbar enhet kan en utvecklare antingen använda en microcontroller med en integrerad radio eller en extern radio. Systemkraven avgör vilket som kan vara det lägsta effektalternativet.

Om Bluetooth LE-radion till exempel är integrerad som en kringutrustning i microcontrollern kan den spara dyrbart PC-kortutrymme. Det kräver emellertid att microcontrollern åtminstone delvis är strömsatt för att möjliggöra drift av radiokringutrustning.

Alternativt kan Bluetooth LE-radion vara extern i förhållande till microcontrollern. Även om detta kräver ytterligare PC-kortutrymme, har det fördelen att det endast krävs att radiochippet är aktivt medan microcontrollern kan vara i ett lågeffektläge. Detta har också den extra fördelen av att vara en modulär konstruktionsmetod för bärbara enheter. Detta gör att värdmicrocontrollern kan bytas ut för att bli kraftfullare i en ny design medan Bluetooth LE-radiochippet förblir detsamma. Det kan också påskynda designcykeln eftersom Bluetooth-radion och stacken inte behöver kodas in i microcontrollern.

Använda ett externt Bluetooth-chip

Ett externt Bluetooth-chip för en bärbar enhet bör ha ett enkelt gränssnitt till microcontrollern som inte ökar effektförbrukningen väsentligt och bör också kunna väcka microcontrollern från viloläge. En enhet som är lämplig för bärbara enheter är Dialog Semiconductor DA14585 Bluetooth SoC som visas i bild 1.

DA14585 är baserad på en Arm® Cortex®-M0-kärna som förbrukar 128 kilobyte (Kbyte) av fabriksprogrammerad ROM. Den innehåller också 64 Kbyte av ett engångsprogrammerbart (OTP) minne för anpassning. Detta möjliggör utveckling av den anpassade Bluetooth-tillämpningens fasta programvara för DA14585. Denna fasta programvara har också åtkomst till ytterligare kringutrustning på chippet, inklusive:

  • En fyrkanalig 10-bitars analog-till-digitalomvandlare (ADC) som kan användas för batteriövervakning
  • En kvadraturavkodare kan användas som gränssnitt till en treaxlad mänsklig gränssnittsanordning (HID) som till exempel en stegräknare med riktning
  • Kringutrustning i form av en tangentbordsstyrenhet kan användas för att ansluta till och avstudsa tryckknappar

Diagram över Dialog Semiconductor DA14585 komplett Bluetooth SoC-lösningBild 1: Dialog Semiconductor DA14585 är en komplett Bluetooth SoC-lösning med en fullständig Bluetooth 5.0-stack, en 2,4 gigahertz (GHz) radiosändtagare och ytterligare hårdvara för att anpassa en Bluetooth-kringutrustning. (Bildkälla: Dialog Semiconductor)

DA14585 integrerar också en 2,4 GHz-sändtagare, basbandsprocessor och en kvalificerad Bluetooth LE 5.0-stack för att minimera den tid en utvecklare måste ägna åt att lära sig nyanserna i Bluetooth-halvledardesign. Den stöder upp till åtta samtidiga Bluetooth LE-anslutningar, även om en bärbar enhet normalt bara kräver en.

Chippet kan ansluta till en microcontroller med hjälp av ett UART-, SPI-, eller I2C-gränssnitt. Medan enheten innehåller fast programvara som standard för värdkommunikation, stöder Dialog utvecklaranpassning av värdkommunikation med hjälp av on-chip OTP för en mer effektiv bärbar systemdesign. UART-enheterna stöder datahastigheter på upp till 1 Mbit/s med hårdvaruflödeskontroll, så värdmicrocontrollern måste stödja ett kompatibelt UART-gränssnitt.

DA14585 är också liten. Den levereras i en 34-polig WLCSP som bara är 5 mm x 5 mm vilket ger ett minimalt kortavtryck. Den har en profil på 0,9 mm, vilket gör den lämplig för ultratunna bärbara enheter.

Bluetooth LE-kärnan och stacken är helt kompatibla med Bluetooth-specifikationen v5.0 (bild 2). En fördel med att ha stacken i DA14585 istället för microcontrollern är när Bluetooth-specifikationen uppdateras. Dialog kan helt enkelt uppdatera stacken i DA14585. Den bärbara enheten fungerar fortfarande som tidigare, medan utvecklaren har möjlighet att uppdatera den fasta applikationsprogramvaran för värdmicrocontrollern för att dra fördel av alla ändringar i specifikationen.

Diagram över Dialog Semiconductor DA14585Bild 2: Dialog Semiconductor DA14585 kräver minimalt med externa komponenter. Den implementerar en komplett Bluetooth v5.0-kärna och radio så att utvecklaren inte behöver lära sig detaljerna för att bygga en Bluetooth-halvledarlösning. (Bildkälla: Dialog Semiconductor)

Bluetooth-radion kräver få externa komponenter. Den stöder alla klasser och pakettyper med Bluetooth-enheter. Radion kan dessutom stängas av för att spara energi. Den ses som en AHB-busskringutrustning av Cortex-M0-kärnan.

Dialog Semiconductor har även DA14586, som har samma ROM, OTP och kringutrustning som DA14585, men med tillägg av 2 Mbit flashminne. Även om flashminnet kan programmeras flera gånger och OTP bara en gång, förbrukar OTP betydligt mindre ström jämfört med flash. DA14585 fungerar också från 0,9 till 3,6 volt, medan DA14586 kräver 1,8 till 3,3 volt.

Implementera en bärbar Bluetooth-enhet med låg effekt

Bluetooth-kärnan på DA14585 har två driftlägen: Aktivt och Djupt viloläge. I aktivt läge sänder och tar radion emot över den trådlösa Bluetooth-anslutningen; Djupt viloläge inaktiverar kärnan och kopplar eventuellt bort strömmen från radion. Eftersom en bärbar enhet i bästa fall är en nära realtidsenhet kan kärnan och radion programmeras för en periodisk vila och aktivering för att spara ström.

Bluetooth-kärnan kan till exempel programmeras för att gå in i Djupt viloläge under en tid, sedan aktiveras till Aktivt läge, hantera alla meddelanden eller aviseringar till eller om användaren (dvs. e-postmeddelanden, hjärtfrekvensuppdateringar) och sedan gå tillbaka till Djupt viloläge. Utvecklaren bestämmer perioden för denna cykel. Ju längre kärnan är i Djupt viloläge, desto mer batteri sparas. Djupt viloläge kan dock resultera i försenade Bluetooth-meddelanden. Kärnan kan programmeras för att vara i Aktivt läge längre för att minska latens och responstider, men detta förbrukar mer energi. Utvecklaren bör experimentera med olika perioder av Djupt viloläge och Aktivt läge för strömoptimering i förhållande till responstiden för bästa användarupplevelsen.

Den huvudsakliga Arm Cortex-M0-processorn för DA14585 stöder fyra strömlägen: Aktivt läge, Viloläge, Utökat viloläge och Djupt viloläge. Observera att dessa strömlägen inte ska förväxlas med strömlägena för Bluetooth-kärnan. Bluetooth-kärnan kan vara i sitt aktiva läge medan Arm-kärnan och kringutrustningen är i sitt eget utökade viloläge.

  • I aktivt läge körs Arm-kärnan och kringutrustningen och de är även aktiva. Detta är läget som DA14585 är i under en aktiv Bluetooth-dataförbindelse. I aktivt läge, med DA14585 som drivs med en 3-voltsförsörjning, förbrukar enheten 5,3 milliampere (mA) vid mottagande och 4,9 mA vid överföring.
  • I viloläge är Arm-kärnan inaktiverad, men dess tillstånd bibehålls. Detta sparar ström när Bluetooth är aktiv, och Arm-kärnan väntar på att överföringen ska slutföras för hantering av data. Strömförbrukningen i viloläge varierar beroende på vilken kringutrustning som är aktiv.
  • I utökat viloläge är Arm-kärnan inaktiv tillsammans med utvald kringutrustning. Det här läget kan användas för att spara ström när Bluetooth-kärnan är i sitt eget djupa viloläge och även under långa perioder med Bluetooth-inaktivitet. Bluetooth-kringutrustningen och värdgränssnittet kan vara aktiva och en av dem kan aktivera Arm-kärnan med ett interrupt vid detekterad aktivitet. Detta läge förbrukar minimalt med ström. I utökat viloläge förbrukar DA14585 3,3 mikroampere (µA) med 64 kbyte RAM-minne.
  • Det lägsta effektläget för Arm-kärnan och kringutrustningen är det djupa viloläget. Detta stänger av allt inklusive Bluetooth-radion. Detta kan vara användbart om användaren beslutar att stänga av Bluetooth och ingen DA14585-kringutrustning behövs. I djupt viloläge kan DA14585 förbruka så lite som 610 nanoampere (nA) eller 1,4 μA om 16 kbyte RAM måste behållas.

Vid grundläggande drift skulle den DA14585-baserade bärbara Bluetooth-kärnan tillbringa större delen av sin tid i sitt djupa viloläge, medan Arm-kärnan är antingen i viloläge eller utökat viloläge. Bluetooth-kärnan aktiveras sedan regelbundet med ett programmerat intervall till sitt aktiva läge för att kontrollera om det finns trådlösa data, medan Arm-kärnan aktiveras till sitt aktiva läge och kommunicerar data med värdmicrocontrollern. När överföringen är klar går Bluetooth-kärnan till djupt viloläge medan Arm-kärnan går till viloläge eller utökat viloläge. Detta ger en aktiv och tillförlitlig anslutning till den mobila enheten samtidigt som du sparar ström.

Komma igång med DA14585

För att komma igång med DA14585, erbjuder Dialog grundutvecklingskitet DA14585-00ATDEVKT-B Bluetooth DA14585 (bild 3).

Bild av Dialog Semiconductor DA14585 grundläggande utvärderingskortBild 3: Dialog Semiconductor DA14585 grundläggande utvärderingskort ansluts till en dator via ett USB-gränssnitt och innehåller allt som en utvecklare behöver för att testa och felsöka drivrutiner för microcontrollern och fast applikationsprogramvara för enheten. (Bildkälla: Dialog Semiconductor)

DA14585-grundutvecklingskitet stöder full felsökning via ett USB-gränssnitt. Det styrs av en värdmicrocontroller från Microchip Technology som använder externt flashprogramminne. Den fasta applikationsprogramvaran för microcontrollern kan laddas i flashminnet via USB-gränssnittet. Utvecklaren kan ladda exempelprogrammen som ingår i satsen och använda dem till gränssnitt till en annan Bluetooth-enhet, som t.ex. en PC. Utvecklarens egna fasta programvara kan sedan laddas och felsökas.

Slutsatser

Konstruktörer av bärbara enheter måste optimera för minimal effektförbrukning för bästa användarupplevelse, samtidigt som de bör ta hänsyn till utvecklingstiden och kostnaden. Ett trådlöst gränssnitt kan konsumera en stor del av effektbudgeten. Detta kan dock mildras kraftigt genom ett noggrant val och implementering av gränssnitt.

Som visas kan användning av ett externt Bluetooth-chip med en värdmicrocontroller påskynda utvecklingstiden, så att utvecklare kan skapa en bärbar enhet utan att designa ett Bluetooth-gränssnitt från början. Lämplig användning av tillgängliga lägen med låg effekt kan förlänga den bärbara enhetens batterilivslängd samtidigt som man säkerställer tillförlitlig drift.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Bill Giovino

Bill Giovino arbetar som elektronikingenjör och har kandidatexamen i elektroteknik från Syracuse University. Han är en av få personer som med framgång har bytt karriär från konstruktör via fältapplikationsingenjör till att arbeta med marknadsföring av teknik.

I mer än 25 år har Bill arbetat med att marknadsföra ny teknik för en publik både med och utan tekniska kunskaper för många företag (bland dem kan nämnas STMicroelectronics, Intel och Maxim Integrated). På STMicroelectronics var Bill en av de drivande personerna i att leda företagets framgångar på den nya branschen för mikrostyrenheter. På Infineon drev Bill konstruktionen av prisvinnande mikrostyrenheter för bilindustrin i USA. I sin roll som marknadsföringskonsult för CPU Technologies har Bill hjälpt många företag att omvandla mindre framgångsrika produkter till framgångshistorier.

Bill var tidig med att använda sakernas internet, bland annat genom att placera den första kompletta TCP/IP-stacken på en mikrostyrenhet. Bill tror mycket på att försäljning ska bedrivas genom utbildning och att det är allt viktigare med tydlig, välskriven kommunikation för att marknadsföra produkter online. Han är moderator för den populära gruppen Linkedin Semiconductor Sales & Marketing och kan allt om B2E.

Om utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer