智能設備設計概念并開發(fā)小型醫(yī)療、可穿戴和娛樂設備

隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品的體積越來越小，并被賦予更多智能功能，與網(wǎng)絡連接也成為基本功能，像是小型藍牙醫(yī)療保健設備與可穿戴設備、智能娛樂設備和增強現(xiàn)實（ AR ）和虛擬現(xiàn)實（ VR ）解決方案等產(chǎn)品，已經(jīng)逐步改變?nèi)祟惖纳顦用?。本文將為您介紹設計這類電子產(chǎn)品的設計概念，以及由 Silicon Labs （芯科科技）所推出相關解決方案的產(chǎn)品特性。

設計更智能、更小巧的藍牙醫(yī)療保健和可穿戴設備

想要構建外形小巧且要求嚴格的藍牙醫(yī)療保健設備，不僅僅是從市場上挑選最小的硬件組件，您還可以通過優(yōu)化物料表（ BOM ）來減小產(chǎn)品尺寸，使用集成的藍牙 SoC 和模塊，并包括醫(yī)療保健應用中所需的各種外圍功能和特性，可以節(jié)省大量 PCB 尺寸，提高設計靈活性，并降低成本。

想要設計藍牙醫(yī)療保健設備，可以通過以下幾個設計概念，來加速產(chǎn)品的開發(fā)與集成更多的功能。首先，藍牙醫(yī)療保健設備可采用集成式 AI/ML 加速器，來增進設備的智能控制功能，通過機器學習（ ML ）可允許根據(jù)現(xiàn)有模型處理大量傳感器數(shù)據(jù)，以識別異常情況，并確定需要將哪些數(shù)據(jù)傳輸回云。如今的無線設備可將所有收集到的數(shù)據(jù)傳輸回云進行處理和分析。通過識別設備上的關鍵數(shù)據(jù)，只需要傳輸回某些數(shù)據(jù)子集，將可節(jié)省寶貴的資源并延長電池壽命。

人工智能（ AI ）也可以用于原居安老等應用，在這些應用中，監(jiān)測生命體征、查看數(shù)據(jù)變化、觀察步態(tài)等，以及通常識別非正常模式，可以為提供者提供關鍵的診斷數(shù)據(jù)，并向護理人員和親人觸發(fā)救生警報，從而大大改善、甚至挽救患者的生命。

此外，這些產(chǎn)品需要集成更多的模擬外圍器件，像是 ADC 可用于許多無線醫(yī)療保健設備和可穿戴設備，以實現(xiàn)傳感器測量和電池電源監(jiān)控。對于采用基于分離模擬前端（ AFE ）解決方案的連續(xù)血糖監(jiān)測（ CGM ）和其他便攜式醫(yī)療保健設備制造商而言， ADC 和 DAC 是可在芯片上使用的兩種關鍵功能。

低功耗以提高能源效率和電池壽命

DC-DC 轉(zhuǎn)換器則是電池供電醫(yī)療保健設備的一項重要功能，升壓轉(zhuǎn)換器允許 SoC 使用堿性和氧化銀等低壓電池，輸入范圍為 0.8 至 1.7 V ，使藍牙 SoC 能夠在較低的電源電壓下工作。降壓轉(zhuǎn)換器允許 SoC 使用其他的 3V 電池，例如鋰鈕扣電池，它用于提高能源效率和電池壽命或減小電池尺寸。

為了預測和防止在關鍵健康應用的使用過程中出現(xiàn)意外電池耗盡，庫侖計數(shù)器這種電荷計量器可準確跟蹤電池電量，以增強用戶的安全和體驗。此外，低頻 RC 振蕩器也是藍牙低功耗（ LE ） 2.4 GHz 應用的關鍵器件，藍牙低功耗 SoC 需要滿足 ±500 ppm 的指定睡眠時鐘精度。

由于醫(yī)療保健設備和可穿戴設備使用的功率級別較低，這意味著在匹配網(wǎng)絡時，需要減少設計中的 PCB 層和器件數(shù)量，同時保持可接受的射頻（ RF ）性能，并將藍牙設備的功耗降至最低，使設備制造商能夠減小設備外形尺寸。

全球 AR/VR 設備市場前景看好

目前的消費者越來越以家庭為中心 —— 工作、教育、醫(yī)療保健、購物和娛樂必須能夠在家中進行，憑借 AR/VR 技術，真實世界和數(shù)字世界的界限也在相互交織。您可以戴上 AR/VR 頭戴式顯示器（ HMD ），拿起一對手持控制器，真正地沉浸在 3D 游戲或電影中?；蛘吣梢灾苯釉诩抑羞M入一個逼真的虛擬購物中心，試穿新衣服，或者查看新沙發(fā)的外觀。 AR/VR 應用可以增強消費者體驗，使我們的生活更加高效，而到 2027 年，全球 AR/VR 設備市場中 AR/VR 應用的復合年增長率（ CAGR ）預計將達到 26% 。

可穿戴 AR/VR 設備帶來了獨特的無線設計挑戰(zhàn)，它們必須非常節(jié)能，以最大限度地延長電池壽命和充電間隔，并盡可能減少電池重量，同時處理高帶寬視頻以帶來自然的視覺體驗。 VR 控制器和 HMD 之間的延遲至關重要，其必須以最小的延遲進行通信，以便對手勢和動作做出及時響應。

AR 和 VR 應用有三個關鍵無線要求：低功耗、低延遲和穩(wěn)定的連接。其中的能效對于改善 VR 控制器、智能眼鏡和 AR/VR 頭戴設備等電池供電和可充電設備的用戶體驗至關重要。此外，安全是聯(lián)網(wǎng)設備用戶最關心的問題之一， HMD 和 VR 控制器都可以成為家庭網(wǎng)絡遭受惡意攻擊的大門。

高度集成的藍牙低功耗 SoC

Silicon Labs 針對藍牙無線連接與控制應用，推出了多款的 SoC 與模塊，以下將為您介紹一些代表產(chǎn)品的功能與特性。

EFR32BG22 系列 2 藍牙低功耗 SoC 是一款具有行業(yè)前沿的能效和接收器（ RX ）靈敏度的 SoC ，適用于節(jié)能型智能娛樂設備。這款 SoC 僅有 4 x 4 mm 的小尺寸，并支持 Secure Vault 安全功能。 EFR32BG22 和 EFR32BG22E 藍牙低功耗無線 SoC 解決方案是 Wireless Gecko Series 2 平臺的一部分。這些器件的設計高度注重能源效率，提供一流的超低傳輸功率和接收功率，高性能、低功耗 Arm? Cortex? -M33 內(nèi)核提供業(yè)界領先的能源效率，可將鈕扣電池壽命延長長達十年。

Silicon Labs 的 BG22 能夠協(xié)助創(chuàng)建節(jié)能應用，而 BG22E （ “E” 表示節(jié)能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設計，進一步增強了節(jié)能優(yōu)勢。 BG22 和 BG22E 系列是適用于環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)或能量收集設備的市場領先的理想 SoC ，目標應用包括藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡低功耗節(jié)點、智能門鎖、個人醫(yī)療保健和健身設備。

EFR32BG27 系列 2 藍牙低功耗 SoC 則是采用 WLCSP （ 2.3 x 2.6 mm ）和 QFN 封裝的緊湊型超低功耗 SoC ，支持高性能藍牙低功耗。 DCDC 升壓可實現(xiàn)寬電壓范圍，庫侖計數(shù)器可準確跟蹤電池電量，支持 PSA 2 級安全性。 EFR32BG27 系列無線 SoC 使用鈕扣電池即可運行，從而開創(chuàng)了新的可能性?，F(xiàn)在，設備制造商可以在不犧牲性能和安全性的情況下，滿足極小封裝應用的需求。

BG27 藍牙 SoC 集成 DCDC 升壓功能，可在低至 0.8 伏的電壓下工作，支持單節(jié)堿性和 1.5 伏鈕扣電池。此外， BG27 的喚醒引腳可使倉庫或運輸途中的產(chǎn)品數(shù)月保持關閉狀態(tài)，功耗不到 20 nA ，確保電池保持電量可供使用。集成式庫侖計數(shù)器能夠精確監(jiān)控電池電量，避免關鍵應用出現(xiàn)意外電池耗盡。目標應用包括互聯(lián)醫(yī)療保健設備、可穿戴設備、傳感器、開關、智能門鎖以及商用和 LED 照明。

EFR32BG24 系列 2 藍牙低功耗 SoC - EFR32BG24 是具有高性能無線和低功耗 SoC ，適用于電池高效型智能可穿戴設備，具有集成 AI/ML 加速器和獲得最高 PSA 3 級認證的 Secure Vault? 安全功能。 EFR32BG24 無線 SoC 是使用藍牙低功耗和藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)無線連接的理想選擇，適用于智能家居、照明和便攜式醫(yī)療保健產(chǎn)品。

EFR32BG24 憑借高性能 2.4 GHz RF 、低電流消耗、 AI/ML 硬件加速器和 Secure Vault? 等關鍵功能，物聯(lián)網(wǎng)設備制造商可以創(chuàng)建智能、穩(wěn)健、節(jié)能的產(chǎn)品，避免遠程和本地網(wǎng)絡攻擊。 ARM Cortex? -M33 運行高達 78 MHz ，具有 1.5 MB 的閃存和 256kB 的 RAM ，可為要求苛刻的應用提供資源，同時為未來增長留出空間。目標應用包括網(wǎng)關／集線器、傳感器、開關、門鎖、智能插頭、 LED 照明、燈具、血糖儀和脈搏血氧計。

滿足超低功耗物聯(lián)網(wǎng)無線設備需求的解決方案

EFR32FG22 （ FG22 ）系列 2 專有無線 2.4 Ghz SoC 是具有行業(yè)前沿的能效和接收器（ RX ）靈敏度的 SoC ，適用于節(jié)能型智能娛樂設備，僅有 4 x 4 mm 的小尺寸和支持 Secure Vault 安全功能。 EFR32FG22 和 EFR32FG22E 專有無線 2.4 Ghz SoC 解決方案是 Wireless Gecko Series 2 平臺的一部分。

FG22 SoC 將 38.4 MHz Arm? Cortex?-M33 內(nèi)核與 TrustZone 以及接收靈敏度達 -102.3 dBm 的高性能無線電集成在一起。 FG22 讓您能夠創(chuàng)建節(jié)能應用，而 FG22E （ “E” 表示節(jié)能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設計，進一步增強了節(jié)能優(yōu)勢。這款 SoC 將超低傳輸和接收功率（ +6 dBm 下為 8.2 mA TX ， 3.6 mA RX ）、 1.2 μA 深度睡眠模式功率，以及諸如 RFSense 之類創(chuàng)新低功耗功能組合在一起，提供業(yè)界領先的能源效率，可延長電池有限或能量收集選項的產(chǎn)品的運行壽命。

Silicon Labs RS9116 無線模塊則是帶集成天線的超低功耗 RF 認證 Wi-Fi 4 SiP 模塊（ 802.11 b/g/n ），支持藍牙低功耗、經(jīng)典藍牙（ Bluetooth Classic ）和安全網(wǎng)絡協(xié)議棧，具有 4.63 x 7.90 x 0.9 mm 的緊湊尺寸。 RS9116 無線模塊是單波段和雙波段模塊，可提供全面的多協(xié)議無線連接解決方案，包括 Wi-Fi 和雙模藍牙 5 。無線模塊具有功率優(yōu)化性能，可提供高數(shù)據(jù)吞吐量和擴展的范圍，無線模塊并已通過 FCC 、 IC 和 ETSI/CE 認證。

SiWx917 Wi-Fi 6 和藍牙低功耗 5.4 無線 SoC 是一款支持低功耗 Wi-Fi 6 與藍牙低功耗的 SoC ，適用于需要節(jié)能的智能設備，內(nèi)置高達 8 MB 的閃存和外部 PSRAM 。 SiWx917 SoC 是 Silicon Labs 功耗最低的 Wi-Fi 6 SoC ，是使用 Wi-Fi? 、藍牙、 Matter 和 IP 網(wǎng)絡實現(xiàn)安全云連接的超低功耗物聯(lián)網(wǎng)無線設備的理想之選，非常適合于開發(fā)需由使用時間較長的電池供電的設備。

SiWx917 SoC 包括超低功耗 Wi-Fi 6 及藍牙低功耗 5.4 無線 CPU 子系統(tǒng)，以及集成微控制器（ MCU ）應用子系統(tǒng)、安全功能、外圍器件和電源管理子系統(tǒng)，所有這些都集成在一個尺寸為 7 x 7 mm 的 QFN 封裝中。無線子系統(tǒng)由運行速度高達 160 MHz 的多線程處理器、基帶數(shù)字信號處理、模擬前端、 2.4 GHz RF 收發(fā)器和集成功率放大器組成。

SiWx917 的應用子系統(tǒng)由運行頻率高達 180 MHz 的 ARM? Cortex?-M4F 、嵌入式 SRAM 、閃存和傳感器集線器組成。 ARM? Cortex?-M4F 專門用于外圍器件和應用相關處理，而網(wǎng)絡無線處理器在獨立線程上運行無線和網(wǎng)絡協(xié)議棧，因此可提供完全集成的解決方案，可直接用于各種嵌入式無線物聯(lián)網(wǎng)應用。目標應用場景包括智能家居、消費者健康和可穿戴設備、醫(yī)療保健、工業(yè)、零售、智能建筑和城市、資產(chǎn)跟蹤。

結(jié)語

在當前快速變遷的科技環(huán)境中，開發(fā)智能設備不僅僅是技術創(chuàng)新，更是滿足用戶需求與提升生活質(zhì)量的重要途徑。在設計智能設備的過程中，設計者可通過運用先進的傳感技術、大數(shù)據(jù)分析與人工智能等現(xiàn)代科技，智能設備能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、更智能的互動方式，為用戶帶來更加便利和舒適的生活體驗。 Silicon Labs 擁有完整的產(chǎn)品解決方案與技術支持服務，將是您開發(fā)相關產(chǎn)品的最佳合作伙伴之一。