用SoC设计简化可穿戴设备的开发

学心率监测器的工作原理是光电容积脉搏 波（PPG）技术，它通过处理血容量的变化生成心率数据。该技术使用一个LED照亮人体组织，并使用一个光电二极管测量反射信号，后者包含血容量变化的信 息。一个跨阻放大器（TIA）将光电流转换为电压，该电压然后被一个模数转换器（ADC）转换为数字信号。这个数字信号然后在手环处理器的固件中被处理， 以去除直流偏移和高频噪声，从而检测出心率；此外，还可以使用有源滤波器在模拟域中进行过滤。

图4：手环心率监测器分析传感器处的血容量变化导致的光信号的变化。一个光电二极管读取反射信号，一个跨阻放大器将光电流转换为电压。模拟信号必需被转换为数字信号，然后经过过滤，才能获得心率数据。

完成数据分析后，设备使用一条蓝牙链路将心率数据发送到手环或支持蓝牙智能协议的设备上的蓝牙智能控制器。在某些光学心率监测器中，可穿戴设备使用一个单独的控制器处理心率数据，该控制器通过I2C/SPI/IART协议与主处理器通信。

在这些系统中，多个离散组件的使用不仅在电兼容和测试方面增加了系统的复杂性，而且还增加了功耗（因为缺乏对不使用时的AFE的控制）、BOM成本和PCB的尺寸。

SoC架构消减了设计的尺寸、BOM成本和复杂程度。

为了解决这些问题，多家厂商推出了基于片上系统（SoC）架构的设备。这些设备不仅内置一个控制器，而且还包含可用于实现大多数基本AFE和数字功 能的模拟和数字系统。其中一款控制器就是基于赛普拉斯可编程片上系统（PSoC）架构的PSoC 4 BLE。该款SoC专为可穿戴市场而设计，包含一个8-MHz ARM Cortex M0 CPU、众多可配置模拟和数字资源和一个内置的蓝牙智能子系统（参见图5）。

图5：PSoC 4 BLE在一个封装中内置了处理器、存储器件、连接器件、电源管理器件以及模拟和数字资源。

在 模拟前端，该器件配有4个未配置的运算放大器、2个低功耗比较器、1个高速SAR ADC和一个面向用户接口应用的专用电容式感应模块。在数字方面，它配有2个可用于实现I2C/UART/SPI协议的串行通信模块（SCB）、4个16 位硬件定时器计数器PWM（TCPWM）和4个可用于在硬件中实现数字逻辑（如同FPGA）的通用数字模块（UDB）。

为 了展示SoC架构的优势，让我们看一看图4所示的心率监测器使用PSoC 4 BLE后发生了哪些变化（参见图6）。在这个版本中，SoC使用其内部资源实现了所有功能。在该控制器以外，只需要几个无源组件和一个用于驱动LED、隶 属于射频匹配网络的晶体管。这种集成架构消减了BOM成本和PCB尺寸，同时还能让设计人员控制AFE的功耗。

图6：手环心率检测器的SoC架构消减了设计的尺寸、BOM成本和复杂程度。

除了这些优势之外，使用SoC架构还有助于缩短产品的上市时间，原因如下：

- 随时可用的固件IP可为系统开发提供支持。

- 由于各个模块属于同一个芯片，它们能够相互配合，而且不会产生时延。开发人员无需担忧如何对接它们、检查它们的逻辑电平或解决互操作问题。所有这些问题都已在器件内部得到解决。

- 可配置的环境可灵活地整合最后一分钟的设计变更。

在某些设计中，一个Cortex-M0内核可能不足以满足处理能力要求。在这种情况下，可以使用一个Cortex-M3内核（如PSoC 5LP）来处理系统相关功能, 使用一个蓝牙智能SoC（如PSoC 4 BLE）来控制蓝牙通信以及AFE和数字逻辑。

智 能手机等支持蓝牙智能协议的设备的日益普及以及蓝牙智能技术的低功耗优势使得蓝牙智能成为可穿戴产品的事实标准。蓝牙智能可在所有协议层实现低功耗设计， 而且作为一种标准协议，它还支持互操作性。通过利用面向可穿戴市场的SoC，嵌入式工程师可缩减设备的尺寸、功耗、BOM成本、复杂程度和上市时间，从而 能将更好的产品更快地推向市场。