使用無線模組構建可穿戴裝置

　　能夠將連線性和處理能力整合到可穿戴裝置對許多設計來說已經變得越來越重要，並且採用最新智慧藍芽 4.0 協議的模組為可穿戴系統設計人員提供了一種快速簡單的方法來實現合適的連線性。

　　預認證型模組如 Panasonic PAN1326 和 BlueGiga BLE112，使得設計的無線元件可以直接輕鬆地處理，而無需經過複雜的天線設計和認證過程。 雖然這些模組可能不適合最小的空間受限型可穿戴裝置，但它們在許多領域都發揮著重要作用，比如可穿戴式心率監測儀、血壓感測器和手機配件。 這些模組的設計人員還通過嵌入式軟體優化了電源管理和無線介面，以便將功耗降到最低。 此優化為開發過程節省了大量寶貴時間。

　　可穿戴裝置還要走外觀設計階段，因此，能夠輕鬆變更設計以符合最新外觀要求而無需走認證過程，就顯得十分重要。

　　低功耗藍芽 (BLE) 標準旨在通過建立快速連線並傳輸少量資料來降低功耗。 利用這些技術，可以將功耗降至傳統藍芽的十分之一。 低功耗藍芽裝置可以進入休眠模式，在發生事件活動時啟用，例如傳送檔案到閘道器、PC 或手機時。 採用例如 PAN 1326 這樣的模組優化電源管理，可實現最大功耗不超過 15 mA，且平均功耗只有 1 µA。 因此，一顆小型鈕釦電池(例如 CR2032)即可支援可穿戴裝置工作長達 10 年之久。

　　

　　圖 1：Panasonic PAN1326 藍芽模組。

　　PAN1326/1316 主機控制介面 (HCI) 系列還可以以一種簡單易用的方式使用 Texas Instruments 的 CC2564，含天線時的基底面僅為 85.5 mm²。 這些模組可以容納 1.3 mm 焊盤間距、至少為兩層結構的 PCB，從而簡化了實現和製造過程。

　　使用模組可以無需重新設計系統即可在可穿戴裝置中實現不同的效能水平。 例如，PAN131x 模組系列支援傳統藍芽、低功耗藍芽 (BLE) 和具有藍芽及 ANT 低功耗協議的雙模式，它們具有同樣的引腳佈局，因此可以輕鬆替換為新的模組。

　　類似地，PAN132x 系列支援含天線在內的同樣多的功能。

　　系列描述相容性

　　PAN1315ABT Classic100% 引腳相容

　　PAN1316BT 和 BLE

　　PAN1317雙模 BT 和 ANT

　　PAN1325A具有天線的 BT Classic100% 引腳相容

　　PAN1326具有天線的 BT 和 BLE

　　PAN1327具有天線的雙模 BT 和 ANT

　　圖 2：引腳相容模組能讓可穿戴裝置設計人員輕鬆實現多種功能。

　　ANT 選件通過 Texas Instruments 和 Nordic Semiconductor 的矽元件實現，其目標針對運動表現監測可穿戴裝置的個人區域網。 像藍芽一樣，它使用 2.4 GHz 頻帶和極小佔空比技術以及深度休眠模式，確保實現極低功耗。

　　每個 ANT 節點可作為主/從裝置執行，且能夠傳送和接收資料並可用作中繼器，因此擴大了節點應用範圍，並且，協議通過分時多路複用技術對多個節點使用單個 1 MHz 通道。 每個節點以其自有時隙傳送訊息，基本訊息長度為 150 µs，訊息速率，即為傳送間隔時間，範圍為 0.5 Hz 到 200 Hz，每條訊息帶有 8 位元組有效載荷。

　　不過，這是 GPS 公司 Garmin 的子公司 Dynastream Innovations 開發的專有協議，而不是象有多種不同裝置支援的藍芽這樣的開放規範。 但擁有能夠輕鬆支援該協議的模組，就可以幫助開發人員儘可能多地為可穿戴式設計提供連線性選擇。

　　像 BlueGiga 的 BLE112 這樣的模組的價值即在於，它們提供所有的低功耗藍芽特性，包括適用客戶應用的無線電、堆疊、框架和應用空間，因此無需使用外部處理器。 模組還提供靈活的硬體介面，能夠將感測器和簡單使用者介面，甚至是螢幕直接連線到該模組，讓開發人員有了更多的可穿戴式設計選擇。 處於最低功耗休眠模式時，該模組僅消耗 400 nA，喚醒只需幾百 µs，因此，它可以用標準 3 V 鈕釦電池或一對 AAA 電池直接供電，幫助減少可穿戴裝置所需的空間。

　　

　　圖 3：BlueGiga BLE112 藍芽模組框圖。

　　使用此類模組設計裝置時有許多問題要考慮，多數問題圍繞佈局和製造。 天線將安裝在一個特定位置並具有特定輸出特性曲線，在可能的情況下，這個問題是可穿戴式設計一定要考慮的。 如果終端裝置設計成將天線埋入材料之中，則無線效能將會降低。 這意味著需要更多的電池功率來補償，而且影響裝置可靠性。

　　雖然模組已經制造完成並通過認證，但它仍然需要安裝在印刷電路板上並與其它設計元件相連。 這意味著在製造階段需要考慮相應的迴流要求，確保模組經過最終組裝階段後保持全部功能完好。

　　射頻前端

　　為了幫助設計人員節省時間，避免在其自己的前端實現射頻功能，BLE112 中的射頻前端包括了配套的平衡-不平衡轉換器和低通濾波器以及與網路匹配的陶瓷貼片天線。 這樣既實現了匹配優化，又針對極低帶內雜散輻射和諧波提供了有效低通濾波器，並有助於可穿戴式設計使用較少的空閒空間。 另外還有一個選擇，為連線外部天線，射頻既可以被追蹤到嵌入式聯結器，也可以被追蹤到模組射頻引腳。

　　佈局

　　為了獲得天線效能優化，BlueGiga 建議，將模組安裝在 PCB 板的一角，這樣其周圍沒就有任何金屬走線甚至是塑料或其它介電材料，因為這樣做可以讓天線失諧至更低的頻率。 但是這在外形尺寸小的可穿戴式設計中很難實現，而且還可能會有織物纏繞。

　　全部接地引腳需要直接連線到固態接地平面，通孔要儘可能靠近接地引腳。 採用好的佈局做法可以避免訊號線或供電電壓線路產生任何過度噪音，而造成效能損失和功耗增加。

　　組裝

　　BLE112 模組有意相容工業標準迴流焊規範，以實現無鉛焊接。 迴流焊規範的使用取決於整塊組裝好的 PCB 的熱質、烘箱的熱傳遞效率和所用焊膏的特定型別。

　　由於迴流焊規範的使用與工藝和佈局相關，因此最佳規範應根據具體情況進行分析，而且要考慮規範配置使用的特定焊膏並避免使用迴流焊多於一次。 焊點可靠性和元件自對準能力取決於焊膏量，建議使用 150 µm 最小模版厚度，且篩孔尺寸與焊盤採用同樣的尺寸。

　　

　　圖 4：BlueGiga BLE112 藍芽模組。

　　總結

　　模組為可穿戴式設計增加無線連線提供了簡單易用的方法。 預認證型模組能夠讓設計人員專注於硬體和軟體的增值環節，採用更小的外形和使用者介面，而不是將精力放在無線連線上。 由於供應商已經優化了功率和射頻前端，所以這些模組能夠實現更長久的電池壽命和更可靠的連線，無需增加成本或開發時間即可增強可穿戴裝置的功能。 甚至可以直接換上引腳相容的替代模組，從而提供不同級別的藍芽連線，從傳統的流媒體式到低功耗資料傳輸，甚至是專屬協議藍芽連線。 所有這一切讓可穿戴裝置設計人員擁有更多的靈活性，而且不用擔心無線連線的具體實現過程。