智能设备设计理念及其在小型医疗、可穿戴与娱乐设备中的开发应用

 

随着科技的发展，电子产品的体积越来越小，并被赋予更多智能功能，与网络连接也成为基本功能，像是小型蓝牙医疗保健设备与可穿戴设备、智能娱乐设备和增强现实（AR）和虚拟现实（VR）解决方案等产品，已经逐步改变人类的生活样貌。本文将为您介绍设计这类电子产品的设计概念，以及由SiliconLabs（芯科科技）所推出相关解决方案的产品特性。

 

设计更智能、更小巧的蓝牙医疗保健和可穿戴设备

想要构建外形小巧且要求严格的蓝牙医疗保健设备，不仅仅是从市场上挑选最小的硬件组件，您还可以通过优化物料表（BOM）来减小产品尺寸，使用集成的蓝牙SoC和模块，并包括医疗保健应用中所需的各种外围功能和特性，可以节省大量PCB尺寸，提高设计灵活性，并降低成本。

想要设计蓝牙医疗保健设备，可以通过以下几个设计概念，来加速产品的开发与集成更多的功能。首先，蓝牙医疗保健设备可采用集成式AI/ML加速器，来增进设备的智能控制功能，通过机器学习（ML）可允许根据现有模型处理大量传感器数据，以识别异常情况，并确定需要将哪些数据传输回云。如今的无线设备可将所有收集到的数据传输回云进行处理和分析。通过识别设备上的关键数据，只需要传输回某些数据子集，将可节省宝贵的资源并延长电池寿命。

人工智能（AI）也可以用于原居安老等应用，在这些应用中，监测生命体征、查看数据变化、观察步态等，以及通常识别非正常模式，可以为提供者提供关键的诊断数据，并向护理人员和亲人触发救生警报，从而大大改善、甚至挽救患者的生命。

此外，这些产品需要集成更多的模拟外围器件，像是ADC可用于许多无线医疗保健设备和可穿戴设备，以实现传感器测量和电池电源监控。对于采用基于分离模拟前端（AFE）解决方案的连续血糖监测（CGM）和其他便携式医疗保健设备制造商而言，ADC和DAC是可在芯片上使用的两种关键功能。

低功耗以提高能源效率和电池寿命

DC-DC转换器则是电池供电医疗保健设备的一项重要功能，升压转换器允许SoC使用碱性和氧化银等低压电池，输入范围为0.8至1.7 V，使蓝牙SoC能够在较低的电源电压下工作。降压转换器允许SoC使用其他的3V电池，例如锂钮扣电池，它用于提高能源效率和电池寿命或减小电池尺寸。

为了预测和防止在关键健康应用的使用过程中出现意外电池耗尽，库仑计数器这种电荷计量器可准确跟踪电池电量，以增强用户的安全和体验。此外，低频RC振荡器也是蓝牙低功耗（LE）2.4 GHz应用的关键器件，蓝牙低功耗SoC需要满足±500 ppm的指定睡眠时钟精度。

由于医疗保健设备和可穿戴设备使用的功率级别较低，这意味着在匹配网络时，需要减少设计中的PCB层和器件数量，同时保持可接受的射频（RF）性能，并将蓝牙设备的功耗降至最低，使设备制造商能够减小设备外形尺寸。

全球AR/VR设备市场前景看好

目前的消费者越来越以家庭为中心——工作、教育、医疗保健、购物和娱乐必须能够在家中进行，凭借AR/VR技术，真实世界和数字世界的界限也在相互交织。您可以戴上AR/VR头戴式显示器（HMD），拿起一对手持控制器，真正地沉浸在3D游戏或电影中。或者您可以直接在家中进入一个逼真的虚拟购物中心，试穿新衣服，或者查看新沙发的外观。AR/VR应用可以增强消费者体验，使我们的生活更加高效，而到2027年，全球AR/VR设备市场中AR/VR应用的复合年增长率（CAGR）预计将达到26%。

可穿戴AR/VR设备带来了独特的无线设计挑战，它们必须非常节能，以最大限度地延长电池寿命和充电间隔，并尽可能减少电池重量，同时处理高带宽视频以带来自然的视觉体验。VR控制器和HMD之间的延迟至关重要，其必须以最小的延迟进行通信，以便对手势和动作做出及时响应。

AR和VR应用有三个关键无线要求：低功耗、低延迟和稳定的连接。其中的能效对于改善VR控制器、智能眼镜和AR/VR头戴设备等电池供电和可充电设备的用户体验至关重要。此外，安全是联网设备用户最关心的问题之一，HMD和VR控制器都可以成为家庭网络遭受恶意攻击的大门。

 

Silicon Labs针对蓝牙无线连接与控制应用，推出了多款的SoC与模块，以下将为您介绍一些代表产品的功能与特性。

EFR32BG22系列2蓝牙低功耗SoC是一款具有行业前沿的能效和接收器（RX）灵敏度的SoC，适用于节能型智能娱乐设备。这款SoC仅有4 x 4 mm的小尺寸，并支持Secure Vault安全功能。EFR32BG22和EFR32BG22E蓝牙低功耗无线SoC解决方案是Wireless Gecko Series 2平台的一部分。这些器件的设计高度注重能源效率，提供一流的超低传输功率和接收功率，高性能、低功耗ArmCortex -M33内核提供业界领先的能源效率，可将钮扣电池寿命延长长达十年。

Silicon Labs的BG22能够协助创建节能应用，而BG22E（“E”表示节能）通过延长电池寿命和支持完全无需电池的设计，进一步增强了节能优势。BG22和BG22E系列是适用于环境物联网或能量收集设备的市场领先的理想SoC，目标应用包括蓝牙网状网络低功耗节点、智能门锁、个人医疗保健和健身设备。

EFR32BG27系列2蓝牙低功耗SoC则是采用WLCSP（2.3 x 2.6 mm）和QFN封装的紧凑型超低功耗SoC，支持高性能蓝牙低功耗。DCDC升压可实现宽电压范围，库仑计数器可准确跟踪电池电量，支持PSA 2级安全性。EFR32BG27系列无线SoC使用钮扣电池即可运行，从而开创了新的可能性。现在，设备制造商可以在不牺牲性能和安全性的情况下，满足极小封装应用的需求。

BG27蓝牙SoC集成DCDC升压功能，可在低至0.8伏的电压下工作，支持单节碱性和1.5伏钮扣电池。此外，BG27的唤醒引脚可使仓库或运输途中的产品数月保持关闭状态，功耗不到20 nA，确保电池保持电量可供使用。集成式库仑计数器能够精确监控电池电量，避免关键应用出现意外电池耗尽。目标应用包括互联医疗保健设备、可穿戴设备、传感器、开关、智能门锁以及商用和LED照明。

EFR32BG24系列2蓝牙低功耗SoC -EFR32BG24是具有高性能无线和低功耗SoC，适用于电池高效型智能可穿戴设备，具有集成AI/ML加速器和获得最高PSA 3级认证的Secure Vault安全功能。EFR32BG24无线SoC是使用蓝牙低功耗和蓝牙网状网络实现物联网无线连接的理想选择，适用于智能家居、照明和便携式医疗保健产品。

EFR32BG24凭借高性能2.4 GHz RF、低电流消耗、AI/ML硬件加速器和Secure Vault等关键功能，物联网设备制造商可以创建智能、稳健、节能的产品，避免远程和本地网络攻击。ARMCortex -M33运行高达78 MHz，具有1.5 MB的闪存和256kB的RAM，可为要求苛刻的应用提供资源，同时为未来增长留出空间。目标应用包括网关／集线器、传感器、开关、门锁、智能插头、LED照明、灯具、血糖仪和脉搏血氧计。

满足超低功耗物联网无线设备需求的解决方案

EFR32FG22（FG22）系列2专有无线2.4 GhzSoC是具有行业前沿的能效和接收器（RX）灵敏度的SoC，适用于节能型智能娱乐设备，仅有4 x 4 mm的小尺寸和支持Secure Vault安全功能。EFR32FG22和EFR32FG22E专有无线2.4 GhzSoC解决方案是Wireless Gecko Series 2平台的一部分。

FG22 SoC将38.4MHz Arm Cortex-M33内核与TrustZone以及接收灵敏度达-102.3dBm的高性能无线电集成在一起。FG22让您能够创建节能应用，而FG22E（“E”表示节能）通过延长电池寿命和支持完全无需电池的设计，进一步增强了节能优势。这款SoC将超低传输和接收功率（+6 dBm下为8.2 mA TX，3.6 mA RX）、1.2 µA深度睡眠模式功率，以及诸如RFSense之类创新低功耗功能组合在一起，提供业界领先的能源效率，可延长电池有限或能量收集选项的产品的运行寿命。

Silicon Labs RS9116无线模块则是带集成天线的超低功耗RF认证Wi-Fi 4 SiP模块（802.11 b/g/n），支持蓝牙低功耗、经典蓝牙（BluetoothClassic）和安全网络协议栈，具有4.63 x 7.90 x 0.9 mm的紧凑尺寸。RS9116无线模块是单波段和双波段模块，可提供全面的多协议无线连接解决方案，包括Wi-Fi和双模蓝牙5。无线模块具有功率优化性能，可提供高数据吞吐量和扩展的范围，无线模块并已通过FCC、IC和ETSI/CE认证。

SiWx917 Wi-Fi 6和蓝牙低功耗5.4无线SoC是一款支持低功耗Wi-Fi 6与蓝牙低功耗的SoC，适用于需要节能的智能设备，内置高达8 MB的闪存和外部PSRAM。SiWx917 SoC是SiliconLabs功耗最低的Wi-Fi 6 SoC，是使用Wi-Fi、蓝牙、Matter和IP网络实现安全云连接的超低功耗物联网无线设备的理想之选，非常适合于开发需由使用时间较长的电池供电的设备。

SiWx917 SoC包括超低功耗Wi-Fi 6及蓝牙低功耗5.4无线CPU子系统，以及集成微控制器（MCU）应用子系统、安全功能、外围器件和电源管理子系统，所有这些都集成在一个尺寸为7 x 7 mm的QFN封装中。无线子系统由运行速度高达160 MHz的多线程处理器、基带数字信号处理、模拟前端、2.4 GHz RF收发器和集成功率放大器组成。

SiWx917的应用子系统由运行频率高达180 MHz的ARMCortex-M4F、嵌入式SRAM、闪存和传感器集线器组成。ARM Cortex-M4F专门用于外围器件和应用相关处理，而网络无线处理器在独立线程上运行无线和网络协议栈，因此可提供完全集成的解决方案，可直接用于各种嵌入式无线物联网应用。目标应用场景包括智能家居、消费者健康和可穿戴设备、医疗保健、工业、零售、智能建筑和城市、资产跟踪。

结语

在当前快速变迁的科技环境中，开发智能设备不仅仅是技术创新，更是满足用户需求与提升生活质量的重要途径。在设计智能设备的过程中，设计者可通过运用先进的传感技术、大数据分析与人工智能等现代科技，智能设备能够实现更高效、更智能的互动方式，为用户带来更加便利和舒适的生活体验。SiliconLabs拥有完整的产品解决方案与技术支持服务，将是您开发相关产品的最佳合作伙伴之一。