用蓝牙及ARM? Cortex?微控制器打造穿戴式产品

1 蓝牙低功耗技术

低功耗无线连网功能，是穿戴式技术发展过程中一大要素。不论是活动追踪器等相对简单的单一传感器穿戴式产品，或是内建平视显示器以显示GPS/地图与距离/速度数据的滑雪护目镜等整合了众多环境传感器数据的高端产品，蓝牙低功耗技术(Bluetooth LE，或依Bluetooch SIG命名为蓝牙智能﹝Bluetooth Smart﹞)都是穿戴式科技众多元素中的重要一环。

虽然还是有其他无线技术参与竞争，蓝牙低功耗仍具备成为主流连网技术标准的条件。低功耗的特性，让穿戴式产品只须小小一个钮扣电池就能连续运作数周、数月甚至数年之久。此外，蓝牙低功耗技术已获各种新款智能手机与平板所采用。目前所有穿戴式产品都是所谓的智能配件(appcessory)，能透过蓝牙链接智能手机或平板所执行的应用程序，并借用该装置的用户接口或显示器。该应用程序多半也能链接因特网，让穿戴式产品变身物联网装置。

蓝牙低功耗装置采用的是蓝牙4.0核心规范(Bluetooth Core Specification Version 4.0)。具备独特的低延迟封包格式(联机设定与数据传输最快可在3分钟内完成)，蓝牙4.0核心规范专为少量数据的丛发(burst)所设计，不论在尖峰、一般或休眠模式下均可达到超低功耗。

只建置了低功耗功能的产品，称为单一模式装置。同时具备低功耗功能以及增强数据率(EDR)的传统蓝牙模式，则称为双模式装置或Smart Ready。根据Bluetooth SIG推估，采用iOS、Android或Windows等各类操作系统的蓝牙功能智能手机当中，有90%将在2018年以前进入Smart Ready模式。

2 低功耗微控制器

穿戴式产品设计的关键之一，在于采用小型高效率(效能/功耗)低功耗微控制器。能够时时连网、永不断线的处理器就是其中一个关键元素，以因应加速器或陀螺仪等动态传感器，或是压力、温度感应组件之类的环境传感器。当设计中包含多种传感器，处理器要能融合所有传感器数据，为用户提供质量更佳且更准确的信息。同样重要的是，这种方式能降低数据送至云端的数量。 ARM Cortex-M3处理器已经证实为这类产品设计的最佳选择之一。

ARM Cortex-M系列为领先业界的32位处理器核心产品，有超低功耗的Cortex-M0+，也有最顶级的Cortex-M4处理器，不但具备数字信号控制所须的高效率信号处理功能，还能加速执行单指令多数据(SIMD)。 Cortex-M系列已获全球各大半导体厂应用于各种通用型微控制器。不过现在有很多穿戴式产品都采用弹性超高的Cortex-M3，因为这款处理器只须极低功耗就能提供优化效能与程序代码密度。事实上，由于采用Cortex-M3的微控制器相当普遍且价格极具成本竞争力，已使得Cortex-M3在市场中无所不在，对开发人员来说极具吸引力。像意法半导体STM32微控制器系列便采用Cortex-M3，已广泛应用于Fitbit Flex活动追踪器、Pebble 智能手表等多款穿戴式产品。

内建Cortex-M0与Cortex-M0+核心的微控制器不只功耗超低效能极高，还能针对产品体积与整合提供开发人员各种优势。飞思卡尔(Freescale)Kinetis KL03微控制器就是一个很好的例子，号称全球内建ARM核心的微控制器中体积最小者。这款微控制器内建48MHz Cortex-M0+处理器，采用超小型1.6 x 2.0mm2芯片级封装(CSP)。根据飞思卡尔表示，KL03所需印刷电路板面积减少了36%，通用型输入输出(GPIO)却比性能最接近的微控制器高出60%。

Cortex-M系列处理器的差别之一在于指令集支持。Cortex-M0与Cortex-M0+的指令集规模较小，藉此降低核心复杂度(与面积)。Cortex-M3 与Cortex-M4指令集较为丰富，适合较复杂的数据处理。Cortex-M4也提供数字讯号处理指令，亦可选配单精度浮点运算器(single-precision FPU)。将能耗降至最低对穿戴式产品来说非常重要。Cortex-M处理器还具备两种架构定义休眠模式，像Cortex-M3 和Cortex-M4静态能耗便低于0.7μ W/MHz。

3 结合微控制器与蓝牙技术

采用Cortex-M核心的微控制器结合低功耗单模(蓝牙低功耗)或双模蓝牙模块，就能成为体积虽小但功能强大的穿戴式产品，不过若采用结合Cortex-M处理器核心与蓝牙低功耗收发器功能的系统单芯片(SoC)组件，或许也是一种替代方式，有助于产品高度整合并锁定更复杂的设计。

Nordic Semiconductor所推出的 nRF51822 即为一例，这款高弹性的多协议系统单芯片，最适合用在蓝牙低功耗与2.4GHz超低功耗无线应用。 nRF51822采用32位Cortex-M0核心、256kB Flash及16kB RAM。嵌入式2.4GHz收发器支持蓝牙低功耗4.0版本，还有专属2.4GHz操作协议。

第二个实例为Dialog Semicondcutor所生产的SmartBond DA14580，这款采用蓝牙低