原标题：Microchip PIC16LF171X MCU+RN4020 BLE计步器开发方案

　　可穿戴健身与医疗器械逐渐成为个人健身计划和医疗服务供给不可或缺的一部分。这些设备测量各种生命体征，提供药物治疗、存储/发送数据，与智能手机、平板电脑、PC和家庭保健中心同步。根据用户或患者的需求，可穿戴设备可包含多种传感器、致动器、存储和加密组合。

　　图1 计步器应用演示图

　　不断争取实现低功耗、低成本、高性能设计让医疗或健身器械设计者的工作举步维艰。Microchip Technology的产品攻克了这一挑战，具有超低功耗能力、无忧连接、智能模拟集成、更高的处理能力、更短的代码长度、可靠的安全/验证功能和创新型触摸与输入感应解决方案。广泛的产品与解决方案组合为设计者提供了创造新一代可穿戴设备所需的一切，包括活动跟踪器、便携式ECG记录仪、连续血糖监控器和他们甚至还未想到的。

　　低功耗是可穿戴设备设计的一个重要因素。具有低运行电流、多种低功耗休眠模式、灵活唤醒源和智能电源管理的微控制器(MCU)是设计取得成功的关键。降低产品功耗让可穿戴监控器能够使用更小的电池，延长运行时间，提供更小的总管脚。超低功耗(XLP)技术PIC®微控制器产品组合的休眠电流仅为9nA，运行电流更低至30µA/MHz。

　　计步器演示/可穿戴活动跟踪器开发板

　　计步器开发板主要特色

　　可穿戴用户步数测量

　　用于开发更先进的活动跟踪器功能的平台

　　LED显示器用于演示独立可穿戴设计功能

　　BTLE模块用于演示智能手机/平板电脑连接的可穿戴设计功能

　　由于集成度高，所以总体BOM成本低

　　低功耗运行

　　采用超低功耗PIC16LF1718 MCU

　　无用户运动会让MCU进入休眠模式，利用活动唤醒

　　无用户运动会让Bosch加速度计进入休眠模式，利用活动唤醒

　　由单个3V纽扣电池供电

　　加速度计采用Bosch Sensortec开发的脚步检测固件库

　　可以利用其它Microchip参考设计计步器演示板添加其它生物测量功能

　　Microchip计步器演示板可以像手镯/手表一样戴在手腕上。板载RN4020 BLE模块让计步器演示板能够与智能手机或平板电脑通信，从而跟踪用户的运动计划。计步器演示板由单个3V纽扣电池(CR2032)供电。

　　Microchip计步器演示板利用Bosch 10位三轴数字加速度计(BMA250E)检测佩戴者的活动。Microchip计步器演示板固件在PIC16LF1718微控制器内运行，包含一个由Bosch Sensortec开发的脚步检测算法库。该库内的脚步检测函数定期被用户应用调用。调用脚步检测函数时，微控制器会通过I2C接口从加速度计中读取X/Y/Z轴的加速度数据。然后，脚步检测函数会分析积累的加速度数据，通过使用模式识别决定采用的步数。积累的步数可在3个数字7段LED显示器或者在与RN4020 BLE模块配对的智能手机/平板电脑内运行的BLE应用上显示。

　　低功耗蓝牙(BLE)通信

　　RN4020 BLE模块符合蓝牙核心规范v4.1的要求。RN4020支持13个公共协议和17个基于通用属性协议(GATT)的公共服务。在支持的公共协议中，有4个是与健康设备有关的规范：心率监视器、健康体温计、血糖仪和血压监测仪。

　　RN4020还支持用户定义的专用协议/服务，能够准确满足用户特定应用的需求。该演示板为计步器应用定义了专用服务。所有配置均保存在RN4020的板载非易失性存储器(NVM)中，所以用户只需设置模块一次。在通过按下板载按钮启用BLE通信时，微控制器会激活RN4020。然后，RN4020就能够与支持BLE的智能手机或平板电脑配对。配对成功后，微控制器会通过UART接口向RN4020定期发送步数。然后，RN4020将步数发送给配对的智能手机或平板电脑，这里可以利用兼容的BLE应用显示步数。

　　由于Apple HealthKit-iOS8的新特性符合BLE GATT规范的要求，所以采用RN4020的心率和血压监测仪、温度计和血糖仪自然得到了HealthKit的支持。这就意味着，设备制造商可以跳过开发针对其产品的配套应用的步骤，转而在它与RN4020 BLE配对时让HealthKit自动控制设备/配件。

　　人机界面

　　单个按钮能够通过电平变化中断(IOC)接口为计步器演示板实现快速功能控制

　　要开/关LED显示器，请按下按钮，然后在1秒钟内迅速放开即可。

　　要启用/禁用BLE通信，请按下按钮，保持1秒钟以上、4秒钟以下即可。

　　要归零步数，请按下按钮，保持4秒钟以上，然后放开即可

　　电源

　　计步器演示板由单个3V纽扣电池(CR2032)供电。10秒钟之后，LED显示器会自动关闭以节省电量

　　UART通信的波特率设为2400Kbps，这样在没有UART数据通信时，RN4020 BLE模块就可保持深度休眠模式

　　若16秒没有运动，则微控制器会通过IOC接口从加速度计处获得一个无运动中断。发生无运动中断时，微控制器会将加速度计重新配置成高g中断，然后让它进入低功耗模式1。然后，微控制器也会进入休眠模式，进而让整个系统进入最低功耗模式。在低功耗模式1下，加速度计会定期在休眠阶段和唤醒阶段之间转换。在休眠阶段，加速度计的整个模拟电路掉电。在唤醒阶段，加速度计正常运行，高g中断功能运行以确定何时从低功耗模式唤醒。

　　在佩戴者的运动超过高加速度活动(例如步行、拾起计步器或者在空中挥舞或旋转计步器)的预设阈值时，加速度计会产生高g中断来唤醒微控制器。然后，计步器在唤醒之后继续正常运行。

　　图2 计步器演示板外形图

　　作为那些希望增加体育活动和增强体质的人的每日运动测量与激励工具，具有计步和低功耗蓝牙(BTLE)功能的可穿戴活动跟踪器逐渐普及。Microchip的计步器演示板是基本的可穿戴活动跟踪器，可以利用加速度计来检测人体的运动，进而计算步数。它可以像手镯或手表一样戴在手腕上。Microchip的计步器演示板还可用作更先进的活动跟踪器功能设计的开发平台。板载RN4020 BLE模块让计步器能够与智能手机或平板电脑通信，从而跟踪用户的运动计划。计步器演示板由单个3V纽扣电池供电。

　　Microchip的计步器演示板演示了如何利用Microchip PIC16LF1718采用超低功耗(XLP)技术的、Microchip RN4020蓝牙4.1低功耗模块和Bosch Sensortec BMA250E数字三轴加速度计的经济型8位微控制器，实现低功耗蓝牙数字计步器。

　　计步器演示板主要元件介绍

　　PIC16LF1718 MCU

　　PIC16(L)F1717/8/9微控制器结合智能模拟集成和低成本超低功耗(XLP)，适于各种一般应用。这些28引脚和40引脚器件提供了片上运算放大器、核心独立外设(CLC、NCO和COG)、外设引脚选择和过零检测，从而提高了设计灵活性。

　　核心特性

　　C编译器优化RISC架构

　　只有49条指令

　　运行速度：

　　0MHz-32MHz时钟输入

　　125ns最小指令周期

　　中断功能

　　16级深硬件堆栈

　　8位定时器多达4个

　　1个16位定时器

　　加电复位(POR)

　　加电定时器(PWRT)

　　低功耗掉电复位(LPBOR)

　　高达256s的可编程看门狗定时器(WDT)

　　可编程代码保护

　　存储器

　　高达16K字的Flash程序存储器

　　高达2048字节的数据SRAM存储器

　　直接、间接和相对寻址模式

　　工作特性

　　工作电压范围：

　　1.8V~3.6V(PIC16LF1717/8/9)

　　2.3V~5.5V(PIC16F1717/8/9)

　　温度范围：

　　工业：-40℃~85℃

　　扩展：-40℃~125℃

　　超低功耗(XLP)特性

　　休眠模式：50nA@1.8V，典型值

　　看门狗定时器：500nA @ 1.8V，典型值

　　次级振荡器：500nA @ 32kHz

　　工作电流：

　　8µA @ 32kHz，1.8V，典型值

　　32µA/MHz @ 1.8V，典型值

　　数字外设

　　可配置逻辑单元(CLC)：

　　集成式组合与时序逻辑

　　双向输出发生器(COG)：

　　上升/下降沿死区控制/消隐

　　数控振荡器(NCO)：

　　产生真正的线性频率控制和更高的频率分辨率

　　输入时钟：0Hz分辨率：FNCO/220

　　采集/比较/PWM(CCP)模块

　　PWM：2个10位脉宽调制器

　　串行通信：

　　SPI、I2C、RS-232、RS-485、LIN兼容

　　自动波特率检测、启动自动唤醒

　　I/O引脚多达35个和1个输入引脚：

　　独立可编程上拉

　　转换速率控制

　　电平变化中断和边缘选择

　　外设引脚选择(PPS)：

　　实现了数字I/O的引脚映射

　　智能模拟外设

　　运算放大器：

　　2个可配置轨到轨运算放大器

　　可选内部和外部通道

　　2MHz增益带宽积

　　高速比较器：

　　2个比较器

　　响应时间：50ns

　　轨到轨输入

　　10位模数转换器(ADC)：

　　外部通道多达28个

　　休眠时转换

　　温度指示器

　　过零检测器(ZCD)：

　　引脚上的AC信号超过地面时检测

　　8位数模转换器(DAC)：

　　外部提供输出

　　内部连至比较器、运算放大器、固定电压参考(FVR)和ADC

　　内部电压参考模块

　　时钟结构

　　16MHz内部振荡器模块：

　　校准精度：±1%

　　可选频率范围：0MHz~32MHz

　　31kHz低功耗内部振荡器

　　外部振荡器模块，具有：

　　3个频率高达20MHz的晶体/谐振器模式

　　2个频率高达20MHz的外部时钟模式

　　故障安全时钟监视器

　　双速振荡器启动

　　振荡器启动定时器(OST)

　　编程/调试特性

　　集成式片上在线调试

　　高级调试的仿真报头：

　　提供跟踪、后台调试和32个硬件断点

　　通过2个引脚进行在线串行编程(ICSP)

　　图3 PIC16(L)F1718 MCU框图

　　图4 PIC16(L)F1718 MCU内核裁框图

　　RN4020 BTLE模块

　　Microchip RN4020低功耗蓝牙模块为低功耗蓝牙4.1提供了高集成度解决方案。高级命令接口可以让产品快速面市。

　　RN4020模块符合蓝牙规范4.1的要求，它集成了RF、基带控制器和命令API处理器，使其成为完整的低功耗蓝牙解决方案。

　　RN4020也可以和面向智能低功耗蓝牙应用的低成本微控制器一起使用。对于简单的传感器应用，RN4020内部脚本处理功能让我们无需外部主MCU或软件开发工具即可实现基本功能。

　　RN4020 BTLE模块的主要特性

　　符合蓝牙4.1规范要求的模块

　　板载低功耗蓝牙4.1堆栈

　　通过UART实现ASCII命令接口API

　　外形小巧：11.5mm×19.5mm×2.5mm

　　碟形SMT垫实现了轻松、可靠的PCB安装

　　环境友好、符合RoHS指令要求

　　认证：FCC、IC、CE和QDID

　　通过UART或空中(OTA)进行器件固件升级(DFU)

　　Microchip面向串行数据应用的低功耗数据协议(MLDP)通过空中远程命令操作

　　工作电压：3.0V~3.6V(典型值：3.3V)

　　温度范围：-30℃~85℃

　　功耗低

　　简单的UART接口

　　集成式晶体、内部电压调节器、匹配电路、存储器放大器和PCB天线

　　多个面向控制和状态的IO

　　UART接口、GPIO和ADC

　　64KB内部串行闪存

　　RF/模拟特性

　　ISM频段2.402GHz~2.480GHz操作

　　通道0-39

　　Rx灵敏度：-92.5dBm,0.1%BER

　　Tx功率：+7dBm

　　RSSI监控器

　　MAC/基带/提高层特性

　　安全AES128加密

　　GAP、GATT、SM、L2CAP和集成式公共协议

　　利用命令API创建定制服务

　　键盘I/O验证

　　软件可配置成外设或中心、客户端或伺服器

　　RN4020 BTLE模块应用

　　健康/医疗器械

　　血糖仪

　　心率

　　体重计

　　体育运行和健身

　　计步器

　　码表

　　心率

　　零售

　　POS

　　资产标记与跟踪

　　广告

　　信标应用

　　物联网传感器标签

　　遥控

　　键盘鼠标

　　AV控制台、游戏控制器

　　可穿戴智能设备和配件

　　工业控制

　　专用(定制)服务

　　低带宽电缆换索

　　智能能源/智能家居

　　图5 RN4020框图

　　图6 计步器演示板框图

　　图7 计步器演示板固件流程图