目前国内最典型的手环方案是MCU+G-Sensor+BT，部分配备显示屏，实现计步、久坐提醒以及睡眠监测、心率监测等功能。内部搭载低功耗蓝牙功能模块，可以方便连接手机APP软件，实现动态个人健康数据监测功能。

　　为了实现多功能且更智能化的手环，本文将介绍一款智能手环完整的低功耗解决方案(MCU+Sensor+动态心率算法)。本方案的主控芯片采用Silicon Labs的低功耗MCU EFM32JG/PG，BT采用Silicon labs的超小封装蓝牙模块，模拟电路处理采用SGMicro的OP及锂电池管理芯片。该智能手环方案可直接输出心率值，且具有低功耗、小体积等特点，是目前典型方案中的质优方案。

【EFM32JG】

EFM32 Jade Gecko MCU 是全球最节能的微控制器。

EFM32JG1 采用了强大的 32 位 ARM® Cortex®-M3 以及广泛的外围设备选择，包括支持

AES、ECC 和 SHA 的独特加密硬件引擎。这些功能结合超低电流有源模式，再加上能够从

节能模式快速唤醒，使得 EFM32JG1 微控制器既适用于任何电池供电的应用，也适合有着

高性能和低能耗要求的其他系统。

应用示例：

节能

• ARM Cortex-M3(功率为 40 MHz)

• 极低能耗操作：

• 在 EM3 停止模式下，电流为 2.1 μA(CRYOTIMER 运行，状态/RAM 保留)

• 在 EM2 深度睡眠模式下，电流为 2.5μA(RTCC 运行，状态/RAM 保留)

• 在能源模式 0 (EM0) 下，运行功耗为63 μA/MHz

• 支持 AES、ECC 和 SHA 的硬件加密引擎

• 集成直流对直流转换器

• CRYOTIMER 运行低至 EM4 模式

• 5V 容限 I/O

• 物联网设备和传感器

• 健康和健身设备

• 智能附件

• 住宅自动化和安全

• 工业及工厂自动化

EFM32JG1 的重要功能如下所列。

• ARM Cortex-M3 CPU 平台

• 32-位高性能处理器(高达 40 MHz)

• 存储器保护单元

• 唤醒中断控制器

• 灵活的电能管理系统

• 能源模式 0 (EM0) 下，运行耗能为 63 μA/MHz

• 在 EM2 深度睡眠模式(RTCC 运行，状态/ARM 保留)下，电流为 2.5 μA

• 在 EM4H 休眠模式(RAM 保留 128 字节)下，电流为 0.58μA

• 高达 256 kB 闪存程序存储器

• 32 kB RAM 数据存储器

• 多达 32 个通用 I/O 引脚

• 可配置的推挽、开漏、上拉/下拉、输入滤波器和驱动强度

• 可配置的外围设备 I/O 位置

• 异步外部中断

• 输出状态保留和从关机模式唤醒

• 硬件加密

• AES 128/256-位秘钥

• ECC B/K163、B/K233、P192、P224、P256

• SHA-1 和 SHA-2 (SHA-224 和 SHA-256)

• 定时器/计数器

• 2 个 16 位定时器/计数器

• 3 + 4 比较/捕获/PWM 通道

• 1 个 32-位实时计数器和日历

• 1 个 32-位超低耗能 CRYOTIMER，可从任何能源模式定期唤醒

• 16-位低耗能计时器，用于生成波形

• 16-位脉冲计数器，带有异步操作

• 监视程序定时器，配有专用 RC 振荡器

• 8 信道 DMA 控制器

• 12 信道外围设备反射系统 (PRS)，用于 外围设备之间自主传输信号

• 通信接口

• 2 个通用同步/异步接收器/ 发射器

• UART/SPI/SmartCard (ISO 7816)/IrDA/I2S/LIN

• 三重缓冲全双工/半双工操作(带流量控制)

• 低功耗 UART

• 在深度睡眠模式下利用 DMA 进行自主操作

• I2C 接口(带 SMBus 支持)

• 停止模式 (EM3) 下的地址识别功能

• 超低功耗精密模拟外围设备

• 12 位 AD 转换器(1 M 样本/s)

• 2 个模拟比较器

• 数字模拟电流转换器

• 多达 32 个引脚，连接至模拟比较器、ADC 和 IDAC 共用的模拟信道 (APORT)

• 超高效加电复位和欠压检测器

• 调试接口

• 2 引脚串行线调试接口

• 1 引脚串行线查看器

• JTAG(仅用于编程)

• 较宽工作范围

• 单电源供电 1.85 V 至 3.8 V

• 集成直流对直流，输出电压低至 1.8 V，系统负载电流高达200 mA

• 标准温度等级(-40 °C 至 85 °C TAMB)和扩展温度等级(-40 °C 至 125 °C TJ)可供选择

• 封装

• 7 mm × 7 mm QFN48

• 5 mm × 5 mm QFN32

• 预编程 UART 引导装载程序

• 完整软件支持

• CMSIS 寄存器定义

• 低功耗硬件抽象层 (HAL)

• 便携式软件组件

• 第三方中间件

• 可免费获取的代码示例

　　图1：智能手环方案框图

　　一颗"芯"的重要性，低功耗舍我其谁

　　智能手环作为可穿戴的标志性产品，待机时长、电池的使用寿命是其永远也推不开的话题点。其中作为智能手环核心器件的MCU责任重大，需首当其冲为实现智能手环的低功耗贡献其重要的一份力。本方案采用的EFM32JG/PG具备超低功耗，其运行功耗为60uA/MHz，在睡眠模式下功耗更是低至1.4μA。如此低的功耗对延长智能手环的电池使用寿命是极具重要作用的。

　　此外推荐使用EFM32PG/JG还有一个重要原因是，这款MCU采用QFN32封装尺寸大小仅为5 mm×2 5 mm。对于智能手环这样空间极其有限的产品来说，空间就是金钱，可谓寸土寸金，所以这样的小体积MCU在设计时可为工程师带去诸多的方便及好处。

　　大数据时代，为您健康记录每一天

　　智能手环已不单单是实现手表的计时功能，它还能使用户可以记录日常生活中的锻炼、睡眠、部分还有饮食等实时数据，并将这些数据与手机、平板、ipod touch同步，起到通过数据指导健康生活的作用。智能手环最重要的功能非运动监测莫属。对于普通的运动监测需求，智能手环需要做到动态心率功能，及能实时的长时监测心率，并且需要在运动过程中能较好地排除由运动造成的心率信号干扰。鉴于此，在其数据采集单元的心电采样监测推荐了光传感器+OP方案。这是一款低成本方案，定位专业级的心率检测，甚至可与Polar心率带子媲美。

　　智能手环实现运动监测，会经常性随着人体的律动而运动，甚至是剧烈抖动。在此情况下，想要实现精准的数据采集并非易事。光传感器推荐使用的是Silicon labs的Si1143-AAGX，因为该传感器在运动状态下仍能维持较高的精确度。上文我们也提及到功耗作为智能手环的软肋，是极其重要的，如此单靠MCU的一己之力又难免有点势单力薄。所以采用待机功耗小于500nA的Si1143-AAGX也是为降低智能手环的功耗加码，且其动态心率检测功耗650μA ，相比其他同类型的产品低几倍功耗。此外，这款传感器将绿光LED和SENSOR封装在一起集成度极高。

【Si1141/Si1142/Si1143】

PROXIMITY/AMBIENT LIGHT SENSOR IC WITH I2C INTERFACE

Features

> Integrated infrared proximity detector

》Proximity detection adjustable fromunder 1 cm up to 200 cm

》Three independent LED drivers

》15 current settings from 5.6 mA to360 mA for each LED driver

》25.6 µs LED driver pulse width

》50 cm proximity range with singlepulse (<3 klx)

》15 cm proximity range with singlepulse (>3 klx)

》Operates at up to 128 klx (directsunlight)

》High reflectance sensitivity< 1 µW/cm2

》High EMI immunity without shieldedpackaging

> Integrated ambient light sensor

》100 mlx resolution possible,allowing operation under dark glass

》1 to 128 klx dynamic range possibleacross two ADC range settings

》Accurate lux measurements with IRcorrection algorithm

> Industry's lowest power consumption

》1.71 to 3.6 V supply voltage

》9 µA average current (LED pulsed25.6 µs every 800 ms at 180 mAplus 3 µA Si114x supply)

》< 500 nA standby current

》25.6 µs LED “on” time keeps totalpower consumption duty cycle lowwithout compromising performanceor noise immunity

》Internal and external wake support

》Built-in voltage supply monitor andpower-on reset controller

> Serial communications

》Up to 3.4 Mbps data rate

》Slave mode hardware addressdecoding (0x5A)

> Small-outline 10-lead 2x2 mm QFN

> Temperature Range

》–40 to +85 °C

Applications

> Handsets

> Heart rate monitoring

> Pulse oximetry

> Wearables

> Audio products

> Security panels

> Tamper detection circuits

> Dispensers

> Valve controls

> Smoke detectors

> Touchless switches

> Touchless sliders

> Occupancy sensors

> Consumer electronics

> Industrial automation

> Display backlighting control

> Photo-interrupters

Description

The Si1141/42/43 is a low-power, reflectance-based, infrared proximity and ambientlight sensor with I2C digital interface and programmable-event interrupt output. Thistouchless sensor IC includes an analog-to-digital converter, integrated highsensitivityvisible and infrared photodiodes, digital signal processor, and one, two, orthree integrated infrared LED drivers with fifteen selectable drive levels. The Si1141/42/43 offers excellent performance under a wide dynamic range and a variety of lightsources including direct sunlight. The Si1141/42/43 can also work under dark glasscovers. The photodiode response and associated digital conversion circuitry provideexcellent immunity to artificial light flicker noise and natural light flutter noise. Withtwo or more LEDs, the Si1142/43 is capable of supporting multiple-axis proximitymotion detection. The Si1141/42/43 devices are provided in a 10-lead 2x2 mm QFNpackage and are capable of operation from 1.71 to 3.6 V over the –40 to +85 °Ctemperature range.

　　OP模拟心率检测部分则采用的是SGMicro的SGM3130/SGM8044。这两款运算放大器带4路运放，具有超小封装。

　　听懂你才是最重要的交互

　　作为用智能开头的手环，没点交互功能又怎好意思说自己是智能的。甚至，说交互功能是智能手环的灵魂所在都不为过。

　　在智能手环方案中，世强代理的SGMicro品牌提供有一系列可供人机交互单元使用的升压DC-DC、背屏驱动IC和LED驱动IC，具体产品型号分别为可产生驱动电压的功耗低以及电压纹波小的SGM6607、稳定性高且极具价格优势的SGM3733B、使用AMOLED驱动的稳定性高且驱动能力强的SGM38041。

　　火柴棒头大小，智能手表的大小它来决定

　　作为可穿戴产品，智能手环追求小巧轻便，因此在保证通信能力的前提下对通信单元的器件的体积也有所要求。Silicon Labs火柴棒头大小的智能蓝牙模块BGM121/BGM123，可满足智能手环小体积设计需求。除了体积优势外，该款蓝牙模块集成度高，自带天线，在通信能力上是目前同类产品的佼佼者。其可缩短智能手环的研发时间，为其快速上市提供可能。

　　当然Silicon Labs的另一款智能蓝牙SOC EFR32BG，在智能手环应用中也颇受青睐。该芯片内部集成EFM32 超低功耗MCU(63uA/MHz运行功耗，1.4μA睡眠功耗)，可支持BLE 4.1/4.2蓝牙协议。而且其采用QFN32封装体积超小，仅5x5mm，可为智能手环的小型化设计提供极具优势的帮助。

【EFR32BG】

EFR32BG 2.4 GHz 10.5 dBm Radio Board BRD4100A Reference Manual

The EFR32BG family of Wireless SoCs deliver a high performance,low energy wireless solution integrated into a small form factor package.

By combining a high performance 2.4 GHz RF transceiver with an energy efficient 32-bitMCU, the family provides designers the ultimate in flexibility with a family of pin-compatibledevices that scale from 128/256 kB of flash and 16/32 kB of RAM. The ultra-lowpower operating modes and fast wake-up times of the Silicon Labs energy friendly 32-bit MCUs, combined with the low transmit and receive power consumption of the 2.4 GHz radio, result in a solution optimized for battery powered applications.

To develop and/or evaluate the EFR32 Blue Gecko, the EFR32BG Radio Board can beconnected to the Wireless Starter Kit Mainboard to get access to display, buttons andadditional features from Expansion Boards.

RADIO BOARD FEATURES

• Wireless SoC:EFR32BG1P232F256GM48

• CPU core: ARM Cortex-M4 with FPU

• Flash memory: 256 kB

• RAM: 32 kB

• Operation frequency: 2.4 GHz

• Transmit power: 10.5 dBm

• Integrated PCB antenna, UFL connector(optional).

• Crystals for LFXO and HFXO: 32.768 kHz and 38.4 MHz.

1. Introduction

The EFR32 Blue Gecko Radio Boards provide a development platform (together with the Wireless Starter Kit Mainboard) for the SiliconLabs EFR32 Blue Gecko Wireless System on Chips and serve as reference designs for the matching network of the RF interface.

The BRD4100A Radio Board is designed to operate in the 2400-2483.5 MHz band with the RF matching network optimized to operatewith 10.5 dBm output power.

To develop and/or evaluate the EFR32 Blue Gecko, the BRD4100A Radio Board can be connected to the Wireless Starter Kit Mainboard to get access to display, buttons and additional features from Expansion Boards and also to evaluate the performance of the RFinterface.

2. Radio Board Connector

2.1 Introduction

The board-to-board connector scheme allows access to all EFR32BG1 GPIO pins as well as the RESETn signal. For more information on the functions of the available pin functions, see the EFR32BG1 data sheet.

2.2 Radio Board Connector Pin Associations

The figure below shows the pin mapping on the connector to the radio pins and their function on the Wireless Starter Kit Mainboard.

3. Radio Board Block Summary

3.1 Introduction

This section gives a short introduction to the blocks of the BRD4100A Radio Board.

3.2 Radio Board Block Diagram

The block diagram of the EFR32BG Radio Board is shown in the figure below.

3.3 Radio Board Block Description

3.3.1 Wireless MCU

The BRD4100A EFR32 Blue Gecko Radio Board incorporates an EFR32BG1P232F256GM48 Wireless System on Chip featuring 32-bitCortex-M4 with FPU core, 256 kB of flash memory and 32 kB of RAM and a 2.4 GHz band transceiver with output power up to 10.5dBm. For additional information on the EFR32BG1P232F256GM48, refer to the EFR32BG1 Data Sheet.

3.3.2 LF Crystal Oscillator (LFXO)

The BRD4100A Radio Board has a 32.768 kHz crystal mounted.

3.3.3 HF Crystal Oscillator (HFXO)

The BRD4100A Radio Board has a 38.4 MHz crystal mounted.

3.3.4 Matching Network for 2.4 GHz

The BRD4100A Radio Board incorporates a 2.4 GHz matching network which connects the 2.4 GHz TRX pin of the EFR32BG1 to theone on-board printed Inverted-F antenna. The component values were optimized for the 2.4 GHz band RF performace and current consumptionwith 10.5 dBm output power.For detailed description of the matching network, see Chapter 4.2.1 Description of the 2.4 GHz RF Matching.

3.3.5 Inverted-F Antenna

The BRD4100A Radio Board includes a printed Inverted-F antenna (IFA) tuned to have close to 50 Ohm impedance at the 2.4 GHz

band.

For detailed description of the antenna see Chapter 4.5 Inverted-F Antenna.

3.3.6 UFL Connector

To be able to perform conducted measurements, Silicon Labs added an UFL connector to the Radio Board. The connector allows an external 50 Ohm cable or antenna to be connected during design verification or testing.

Note: By default the output of the matching network is connected to the printed Inverted-F antenna by a series component. It can be connected to the UFL connector as well through a series 0 Ohm resistor which is not mounted by default. For conducted measurements through the UFL connector the series component to the antenna should be removed and the 0 Ohm resistor should be mounted (see Chapter 4.2 Schematic of the RF Matching Network for further details).

3.3.7 Radio Board Connectors

Two dual-row, 0.05” pitch polarized connectors make up the EFR32BG Radio Board interface to the Wireless Starter Kit Mainboard. For more information on the pin mapping between the EFR32BG1P232F256GM48 and the Radio Board Connector, refer to Chapter 2.2 Radio Board Connector Pin Associations.

　　极佳的时钟和电池管理

　　除了上述的单元外，智能手环的时钟单元和锂电池管理单元也是设计中不能忽略的部分。在世强的智能手环方案中推荐使用EPSON品牌的产品，RTC实时时钟RX-8130CE和晶体FC-135/FA-20H都是不错选择。大品牌产品品质有保证，供货资源充足，且RX-8130CE拥有全球最小封装(3.2*2.5)，FC-135/FA-20H是典型的32.768KHz晶体具有极高的精度，频率范围12~60MHz，同样也拥有小封装尺寸2.5*2.0mm。

　　在锂电池管理方面，世强推荐使用SGMICRO的充电管理芯片SGM40561、电压管理芯片SGM4073。SGM40561是一款小容量锂电池充电管理芯片，可编程，内置电流传感器，带过压保护。SGM4073又叫电池脱离开关，可实现系统死机复位、延长电池待机时间。所以这两款作为锂电池保护模块的产品，有效实现电池充电监管、系统死机复位功能，延长电池待机时间。

　　智能手环是一种穿戴式智能设备。通过这款手环，用户可以记录日常生活中的锻炼、睡眠、部分还有饮食等实时数据，并将这些数据与手机、平板、ipod touch同步，起到通过数据指导健康生活的作用。

　　智能手环作为目前备受用户关注的科技产品，其拥有的强大功能正悄无声息地渗透和改变人们的生活。其内置的电池可以坚持10天，振动马达非常实用，简约的设计风格也可以起到饰品的装饰作用。

　　智能手环这种设计风格对于习惯佩戴首饰的用户而言，颇具有诱惑力。更重要的是，手环的设计风格堪称百搭。而且，别看小小手环个头不大，其功能还是比较强大的，比如它可以说是一款高档的计步器，具有普通计步器的一般计步，测量距离、卡路里、脂肪等功能，同时还具有睡眠监测、高档防水、蓝牙4.0数据传输、疲劳提醒等特殊功能。