ワイヤレスモジュールを使用したウェアラブルデバイスの構築

装着するデバイスに接続と処理を統合できることは、多くの設計のますます重要な要素となっており、最新のBluetooth 4.0 Smartプロトコルを使用したモジュールは、正しいコネクティビティを実装する迅速でかつ容易な方法をウェアラブルシステムの設計者に提供します。

Panasonicが提供するPAN1326およびBluegigaが提供するBLE112などのあらかじめ認証済みのモジュールにより、複雑なアンテナ設計および認証プロセスを経る必要なく、設計のワイヤレス要素の処理を直接かつ容易に行うことができます。 これは最小でスペースに制約のあるウェアラブルデバイスに適切ではないかもしれない一方で、モジュールは、ウェアラブル心拍数モニタ、血圧センサおよびモバイルアクセサリなどの多くの分野で強力な役割を担っています。 これらのモジュールの設計者はまた、最小の電力実装を実現するために、組み込みソフトウェアで電源管理およびワイヤレスインターフェースを最適化してきました。 この最適化により、開発プロセスにおける時間を大幅に節約します。

ウェアラブルデバイスはまた、流行の段階を経るため、認証プロセスを経る必要なく、最新の流行要件を満たすために設計を容易に変更できることは重要です。

Bluetooth Low Energy（BLE）規格は、非常に高速の接続を確立し、少量のデータを転送することで、消費電力を低減するように設計されています。 これらの技法を使用すると、エネルギー消費は、Classic Bluetoothの10分の1に低減されます。 Bluetooth Low Energyデバイスは、スリープモードに入り、ゲートウェイ、PCまたは携帯電話へのファイルの送信などのイベントアクティビティのためにアクティブ化することができます。 PAN1326などのモジュールにおける電源管理の最適化は、15mA未満の最大消費電力と、わずか1µAの平均消費電力を実現します。 これにより、CR2032などの小型のコイン電池は、最大10年間ウェアラブルデバイスを給電することができます。


PAN1326/1316ホスト制御インターフェース（HCI）シリーズはまた、アンテナを含めわずか85.5mm²のフットプリントを備えた使いやすいモジュール形式でTexas InstrumentsのCC2564を使用しています。 これらのモジュールは、容易な実装および製造のためにわずか2つのレイヤを備えた1.3mmのパッドピッチのPCBに適合するように設計されています。

モジュールの使用により、システムを再設計する必要なく、ウェアラブルデバイスに追加される異なるレベルの性能を実現します。 たとえば、PAN131xファミリ モジュールは、Classic Bluetooth、Bluetooth Low Energy（BLE）、およびBluetoothとANT低電力プロトコルを備えたデュアルモードをサポートし、これらのモジュールはすべて同じピン配列を備えているため、新しいモジュールを容易にドロップインできます。

同様に、PAN132xファミリは、アンテナを付属し、同じ範囲の機能をサポートします。

シリーズ	説明	互換性
PAN1315A	BT Classic	100%ピン互換
PAN1316	BTおよびBLE
PAN1317	BTとANTのデュアルモード
PAN1325A	アンテナ付きのBT Classic	100%ピン互換
PAN1326	アンテナ付きのBTおよびBLE
PAN1327	アンテナを備えた、BTとANTのデュアルモード

ANTオプションは、Texas InstrumentsおよびNordic Semiconductorのシリコンで実装され、スポーツパフォーマンス測定ウェアラブル機器におけるパーソナルエリアネットワークを対象としています。 Bluetoothと同様に、それは、非常に低い電力消費を確保するために、2.4GHz帯域、非常に短いデューティサイクル技術およびディープスリープモードを使用します。

各ANTノードはスレーブまたはマスターとして動作し、送受信を行うとともにリピータとして機能することが可能であるため、より長い距離がもたらされ、プロトコルは、時分割多重化技術を介して複数のノード用の単一の1MHzチャンネルを使用します。 各ノードは、基本的なメッセージ長さの150µsを備えた独自のタイムスロットで送信する一方で、送信間の時間であるメッセージレートは、0.5Hz～200Hzの範囲で、1つのメッセージにつき8バイトのペイロードを含みます。

しかし、それは、広範な異なるデバイスによってサポートされているBluetoothなどのオープン仕様ではなく、GPS企業のGarminの子会社であるDynastream Innovationsが開発した独自のプロトコルです。 しかし、それを容易にサポートできるモジュールを有することは、開発者がウェアラブル設計向けにコネクティビティオプションを最大化するのに寄与します。

Bluegigaが提供するBLE112などのモジュールの価値は、外部プロセッサが不要となるように、お客様のアプリケーション向けの無線、スタック、プロファイルおよびアプリケーションスペースを含むすべてのBluetooth Low Energy機能をそれらが提供することにあります。 このモジュールはまた、センサおよびシンプルなユーザーインターフェース、またはディスプレイをもモジュールに直接接続するために、柔軟なハードウェアインターフェースを提供し、ウェアラブル設計向けのより多くのオプションを開発者にもたらします。 最小電力スリープモードにおいて、それはわずか400nAの電流しか消費せず、標準3Vコイン電池またはAAA電池のペアで直接給電可能なように、数百マイクロ秒でウェイクアップするため、ウェアラブル機器に必要なスペースの削減に役立ちます。


こうしたモジュールを使用した機器の設計において考慮すべき問題があり、これらのほとんどがレイアウトおよび製造を中心にしています。 アンテナは、特定の出力プロファイルで特定の位置で実装済みであるでしょう。そして、これを、可能であればウェアラブル設計で考慮に入れる必要があります。 最終機器が、材料にアンテナが埋め込まれた状態になっていれば、ワイヤレス性能が低減される可能性があります。 これは、補償のためにより多くのバッテリ電力が必要となることを意味する可能性があり、デバイスの信頼性に打撃を与えます。

モジュールはすでに構築および認証済みであるものの、依然として、それをプリント回路基板に配置し、残りの設計に接続する必要があります。 これは、最終アセンブリ段階後にモジュールが完全に機能している状態を維持していることを確保するために、製造段階中に適切なリフロー要件を考慮に入れる必要があることを意味します。

RFフロントエンド

設計者が独自のフロントエンドを実装する必要性を省くために、BLE112でのRFフロントエンドには、組み合わされた整合済みバランおよびローパスフィルタ、そしてマッチングネットワークを備えたセラミックチップアンテナが含まれています。 これは、効果的なローパスフィルタと組み合わされて、非常に低い帯域内スプリアス発射および高調波向けに最適なマッチングを提供し、余分なスペースをほんのわずかに抑えたウェアラブル設計に寄与します。 外部アンテナを取り付けるために、モジュールの組み込みコネクタか、またはRFピンのどちらかに対してRFをトレースできるオプションがあります。

レイアウト

アンテナの最適な性能のために、Bluegigaは、金属トレースまたはコンポーネント、またはプラスチックやその他の誘電材料をも近くにない状態でPCBの隅にモジュールを配置することを推奨しています。その理由は、金属トレースまたはコンポーネント、またはプラスチックやその他の誘電材料が近くにあると、アンテナを離調して周波数を低減するためです。 これは、スモールフォームファクタを有し、ファブリックに囲まれている可能性があるウェアラブル設計では困難である可能性があります。

すべてのグランドピンは、ビアがGNDピンにできるだけ近い状態で、ソリッドなGND面に直接接続される必要があります。 良好なレイアウトプラクティスの使用は、性能を低減し、消費電力を押し上げる、信号ラインまたは電源電圧ラインへのいかなる過度のノイズカップリングをも回避するでしょう。

アセンブリ

BLE112モジュールは、鉛フリーはんだ用の産業標準リフロープロファイルに対応しています。 使用されるリフロープロファイルは、全体の実装PCBのサーマルマス、オーブンの熱伝達効率、および使用されるはんだペーストの特定のタイプに依存します。

使用されるリフロープロファイルがプロセスおよびレイアウトに依存するため、最適なプロファイルを個々の場合に応じて検討する必要がありますが、プロファイル構成用の特定のはんだペーストを考慮し、2つ以上のフローを使用することを回避してください。 はんだ接合の信頼性およびコンポーネントの自己アラインメントは、はんだのボリュームに依存しますが、開口部サイズがパッドと同じサイズでの150µmの最小ステンシル厚さが推奨されます。


結論

モジュールは、ウェアラブル設計にワイヤレスコネクティビティを追加する容易な方法を提供します。 あらかじめ認証済みのモジュールにより、設計者は、ワイヤレスコネクティビティではなく、ハードウェアおよびソフトウェアの付加価値要素に焦点を当て、小型形状およびユーザーインターフェースで作業を行うことができます。 サプライヤによって電力およびRFフロントエンドが最適化されている状態で、これらのモジュールは、余分なコストまたは余分な開発時間を追加することなく、ウェアラブル機器の機能を高める長い電池寿命および信頼できるコネクティビティを提供します。 従来のストリーミングから、低電力データ転送および独自のプロトコルに至るまで、異なるレベルのBluetooth接続を提供するために、ピン互換交換用モジュールをドロップインすることもできます。 このすべてにより、ウェアラブル機器の設計者は、ワイヤレスコネクティビティの詳細な実装について心配する必要なく、より多くの柔軟性を得ることができます。