저전력 상시 작동 웨어러블 설계 방법: 3부 – Bluetooth 웨어러블 연결 최적화

편집자 주: 전력에 최적화할 세 가지 영역을 중심으로 배터리 구동 상시 작동 웨어러블 전자 장치 설계에 관해 다루는 3부 시리즈의 3부입니다. 1부에서는 배터리 수명을 연장하고 충전 횟수를 줄일 수 있도록 마이크로 컨트롤러를 구성하는 방법을 설명하고, 2부에서는 배터리를 안전하게 유지 관리하여 충전 간격을 늘릴 수 있는 방법을 살펴보았습니다. 이제 3부에서는 저전력에 적합하게 무선 연결을 최적화하는 방법과 웨어러블용 무선 네트워킹을 살펴봅니다.

웨어러블은 공간과 저전력에 맞게 최적화할 수 있도록 설계자의 역량을 한 차원 높여줍니다. 아무리 작은 공간이나 아무리 적은 전류라도 낭비된다면 배터리 수명을 단축하여 사용자 경험이 크게 저하됩니다. 웨어러블의 주요 배터리 드레인 중 하나로 무선 인터페이스가 있으며, 설계자가 배터리 드레인을 최소화하는 데 도움이 되는 많은 솔루션이 생겨나고 있습니다.

이 기사에서는 웨어러블에서 무선 연결이 작동하는 방법과 배터리 드레인을 최소화하도록 무선 인터페이스를 구성하는 방법을 설명합니다. 그런 다음 Dialog Semiconductor의 무선 칩을 살펴보고 웨어러블에 맞게 Bluetooth 연결을 구성하는 방법을 알아봅니다.

소비자 웨어러블의 무선 통신

소비자용 웨어러블은 일반적으로 제조업체에서 개발한 앱을 실행하는 모바일 장치에 연결됩니다. 웨어러블은 연결된 모바일 장치와 독립적으로 작동할 수 있지만, 가장 일반적인 작업 모드는 설정된 간격에 따라 범위 내 모바일 장치와 동기화하는 것입니다. 이 동기화는 실시간으로 수행될 필요는 없지만 전력 최적화에서 중요한 역할을 합니다.

예를 들어 피트니스 웨어러블은 심박수, 계단 수, 시간에 따른 거리 로그와 같은 데이터를 앱과 동기화합니다. 사용자가 운동 중인 경우에도 이 데이터를 실시간으로 기록할 필요는 없습니다. 1초 ~ 5초의 업데이트 간격이 허용되며, 사용자가 간격을 구성할 수 있습니다. 또한 웨어러블은 모바일 장치에서 수신 통화, 텍스트 메시지와 같은 알림을 수신합니다. 이러한 알림은 요청 시 제공되며 필요한 경우에만 발생합니다.

설계자가 웨어러블에 연결하는 데 사용할 수 있는 많은 무선 인터페이스가 있지만, 상호 운용성을 위해 일부 무선 인터페이스는 Bluetooth와 경합하여 웨어러블과 모바일 장치를 직접 연결할 수 있습니다. 모바일이 범위를 벗어난 경우 Wi-Fi를 사용하여 웨어러블 장치를 인터넷에 연결할 수도 있습니다. 그런 다음 공용 네트워크나 액세스 권한이 부여된 다른 네트워크에 연결하도록 웨어러블을 구성할 수 있습니다. 그런 다음 양방향으로 데이터를 교환할 수 있습니다. 예를 들어 웨어러블에서 Wi-Fi 네트워크를 통해 웨어러블 제조업체의 클라우드에 데이터를 전송한 다음, 클라우드에서 셀룰러 네트워크를 통해 모바일 장치에 데이터를 전송할 수 있습니다. 동시에 모바일 장치에서 관련 로컬 조건에 따라 웨어러블을 업데이트하고 이메일 또는 텍스트 메시지를 받을 수도 있습니다.

추가되는 전력과 비용으로 인해 웨어러블에서 Wi-Fi를 지원하는 경우는 드물고 웨어러블은 거의 항상 연결된 모바일 장치에 가깝게 위치하므로 이 기사에서는 Bluetooth를 중심으로 살펴봅니다.

웨어러블용 Bluetooth

Bluetooth는 원래 1Mbits/s ~ 3Mbits/s의 데이터 전송률로 데이터를 스트리밍하기 위해 피어 투 피어 연결용으로 개발되었습니다. 이 원래의 Bluetooth 사양을 현재는 Bluetooth 3.0 또는 Bluetooth Classic이라고 합니다. 이러한 초기 버전의 Bluetooth는 오디오 및 멀티미디어 파일을 스트리밍하는 데 유용하지만, 간헐적으로 낮은 데이터 전송률, 저전력 제어 신호 및 센서 데이터를 위해 너무 많은 전력을 사용하도록 설계되었습니다. 이러한 응용 분야를 위해 Bluetooth 4.0이 개발되었습니다.

현재 Bluetooth 저에너지(LE)로 널리 알려진 Bluetooth 4.0은 125Kbits/s의 느린 속도로 데이터를 전송할 수 있습니다. 또한 Bluetooth LE 칩은 대부분의 시간을 절전 모드로 유지하여 필요할 때까지 전력 소비를 최소화합니다. 따라서 소형 배터리를 탑재한 저전력 웨어러블에 완벽하게 적합합니다.

웨어러블에서 Bluetooth LE 무선 통신을 구현하기 위해 개발자는 통합 무선 통신에 마이크로 컨트롤러를 사용하거나 외장형 무선 통신을 사용할 수 있습니다. 시스템 요구 사항에 따라 최저전력 옵션이 결정됩니다.

예를 들어 Bluetooth LE 무선 통신을 마이크로 컨트롤러에 주변 장치로 통합할 경우 소중한 PC 기판 공간을 절약할 수 있습니다. 하지만 무선 주변 장치를 작동하기 위해 마이크로 컨트롤러에 일부라도 전력을 공급해야 합니다.

또는 Bluetooth LE 무선 통신을 마이크로 컨트롤러에 외장할 수 있습니다. 이렇게 하려면 추가 PC 기판 공간이 필요하지만 마이크로 컨트롤러를 저전력 모드로 유지한 상태에서 무선 칩만 활성화하면 된다는 이점이 있습니다. 또한 웨어러블 설계에 모듈식으로 접근할 수 있는 추가 이점도 있습니다. 따라서 새 설계에서 Bluetooth LE 무선 칩은 동일하게 유지한 상태에서 호스트 마이크로 컨트롤러를 더 강력한 제품으로 교체할 수 있습니다. 또한 Bluetooth 무선 통신 및 스택을 마이크로 컨트롤러에 코딩할 필요가 없으므로 설계 주기를 가속화할 수 있습니다.

외장형 Bluetooth 칩 사용

웨어러블용 외장형 Bluetooth 칩은 전력 소비를 크게 늘리지 않으면서 마이크로 컨트롤러에 연결하는 간단한 인터페이스가 필요하며, 마이크로 컨트롤러를 절전 상태에서 해제할 수 있어야 합니다. 웨어러블에 적합한 장치로는 그림 1에 표시된 Dialog Semiconductor DA14585 Bluetooth SoC가 있습니다.

DA14585는 128Kb의 초기 프로그래밍된 ROM에서 실행되는 Arm® Cortex®-M0 코어를 기반으로 합니다. 또한 이 장치에는 맞춤 설정을 위한 64Kb의 일회성 프로그래밍 가능(OTP) 메모리가 포함되어 있습니다. 따라서 DA14585를 위한 맞춤형 Bluetooth 응용 제품 펌웨어를 개발할 수 있습니다. 이 펌웨어에서 다음과 같은 추가 온칩 주변 장치에 액세스할 수 있습니다.

• 4채널 10비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC): 배터리를 모니터링하는 데 사용 가능
• 직각 위상 디코더: 3축 휴먼 인터페이스 장치(HID, 예: 방향을 지원하는 단계 카운터)에 사용 가능
• 키보드 컨트롤러 주변 장치: 푸시 버튼에 연결하고 디바운스하는 데 사용 가능

그림 1: Dialog Semiconductor DA14585는 전체 Bluetooth 5.0 스택, 2.4GHz 무선 트랜시버 및 Bluetooth 주변 장치를 맞춤 설정하기 위한 추가 하드웨어를 지원하는 완벽한 Bluetooth SoC 솔루션입니다. (이미지 출처: Dialog Semiconductor)

또한 DA14585는 2.4GHz 트랜시버, 기저대역 프로세서 및 승인된 Bluetooth LE 5.0 스택을 통합하여 개발자가 Bluetooth 반도체 설계의 미묘한 차이를 익히는 데 걸리는 시간을 최소화합니다. 일반적으로 웨어러블에는 Bluetooth LE 연결이 하나만 필요하지만 DA14585에서는 최대 8개까지 동시 연결을 지원합니다.

이 칩은 UART, SPI 또는 I²C 인터페이스를 사용하여 마이크로 컨트롤러에 연결할 수 있습니다. 장치에는 호스트 통신을 위한 기본 펌웨어가 포함되어 있지만, 더 효과적인 웨어러블 시스템 설계를 위해 Dialog에서는 개발자가 온칩 OTP를 사용하여 호스트 통신을 맞춤 설정할 수 있도록 지원합니다. UART는 하드웨어 흐름 제어를 통해 최대 1Mbit/s의 데이터 전송률을 지원하므로, 호스트 마이크로 컨트롤러에서 호환되는 UART 인터페이스를 지원해야 합니다.

또한 DA14585는 소형이며, 크기가 5mm x 5mm에 불과한 34핀 WLCSP에 실장되어 최소한의 기판 실장 면적만 차지합니다. 0.9mm 프로파일로 초슬림 웨어러블에 적합합니다.

Bluetooth LE 코어 및 스택은 Bluetooth v5.0 사양과 완벽하게 호환됩니다(그림 2). 마이크로 컨트롤러 대신 DA14585에서 스택을 사용하면 Bluetooth 사양을 업데이트할 때 Dialog에서 DA14585의 스택만 업데이트할 수 있다는 한 가지 이점이 있습니다. 웨어러블은 이전처럼 작동하지만 개발자는 호스트 마이크로 컨트롤러 응용 제품 펌웨어를 업데이트하여 사양을 변경해 활용할 수 있습니다.

그림 2: Dialog Semiconductor DA14585에는 최소한의 외부 부품이 필요합니다. 이 칩에서 전체 Bluetooth v5.0 코어 및 무선 통신을 구현하므로 개발자는 Bluetooth 반도체 솔루션을 구축하는 세부 사항을 배울 필요가 없습니다. (이미지 출처: Dialog Semiconductor)

Bluetooth 무선 통신에는 몇 가지 외부 부품이 필요합니다. Bluetooth 통신은 모든 Bluetooth 장치 클래스와 패킷 유형을 지원합니다. 또한 무선 통신의 전력을 차단하여 에너지를 절약할 수 있습니다. Cortex-M0 코어를 통해 AHB 버스 주변 장치로 표시됩니다.

또한 Dialog Semiconductor에는 DA14585와 동일한 ROM, OTP 및 주변 장치 세트를 사용하지만 2Mb 플래시 메모리가 추가된 DA14586이 있습니다. 플래시 메모리는 여러 번 프로그래밍 가능하고 OTP는 한 번만 프로그래밍할 수 있지만 OTP는 플래시에 비해 훨씬 적은 전력을 소비합니다. 또한 DA14585는 0.9V ~ 3.6V로 작동하지만 DA14586에는 1.8V ~ 3.3V가 필요합니다.

저전력 Bluetooth 웨어러블 구현

DA14585의 Bluetooth 코어는 두 가지 작동 모드(활성 및 중간 절전)를 지원합니다. 활성 모드에서는 Bluetooth 무선 연결을 통해 무선 통신이 송수신되고, 중간 절전 모드에서는 코어를 비활성화하고 무선 통신에서 전력을 선택적으로 차단합니다. 웨어러블은 실시간 장치이므로 전력 절감을 위해 절전 및 절전 해제 이벤트를 주기적으로 실행하도록 코어 및 무선 통신을 프로그래밍할 수 있습니다.

예를 들어 일정 기간 동안 중간 절전 모드로 두었다가 해제해 활성 모드로 전환한 후 사용자에 대한 메시지 또는 알림을 관리한 다음(예: 이메일, 심박수 업데이트), 다시 중간 절전 모드로 전환하도록 Bluetooth 코어를 프로그래밍할 수 있습니다. 이 주기 기간은 개발자가 결정합니다. 코어가 중간 절전 모드로 유지되는 시간이 길수록 더 많은 배터리 전력이 절감되지만, 중간 절전 모드로 너무 오래 유지되면 Bluetooth 메시지가 지연될 수 있습니다. 활성 모드에서 오랫동안 유지하여 대기 시간과 응답 시간을 줄이도록 코어를 프로그래밍할 있지만 그러면 더 많은 전력이 소비됩니다. 개발자는 중간 절전 및 활성 모드 기간을 다양하게 실험하여 전력과 응답 시간을 최적의 상태로 조율하여 최적의 사용자 경험을 제공해야 합니다.

DA14585의 메인 Arm Cortex-M0 프로세서는 네 가지 전력 모드(활성, 절전, 확장된 절전, 중간 절전)를 지원합니다. 이 전력 모드를 Bluetooth 코어 전력 모드와 혼동해서는 안 됩니다. Bluetooth 코어는 활성 모드에 있는 상태에서 Arm 코어와 주변 장치는 자체적으로 확장된 절전 모드에 있을 수도 있습니다.

• 활성 모드에서 Arm 코어와 주변 장치는 활성화된 상태로 완전히 구동됩니다. DA14585가 활성 Bluetooth 데이터 연결 중에 이 모드에 있습니다. 활성 모드에서는 DA14585에 3V의 전력이 공급되고 장치에서 5.3mA의 수신 전류와 4.9mA의 송신 전류를 소비합니다.
• 절전 모드에서는 Arm 코어가 유휴 상태이지만 그 상태가 유지됩니다. 따라서 Bluetooth가 활성 상태이고 Arm 코어가 데이터에 조치를 취하기 위해 송신이 완료될 때까지 대기할 때 전력이 절감됩니다. 절전 모드의 전류 소비는 활성화된 주변 장치에 따라 다릅니다.
• 확장된 절전 모드에서는 Arm 코어가 선택된 주변 장치와 함께 유휴 상태로 유지됩니다. Bluetooth 코어가 중간 절전 모드에 있고 오래 동안 Bluetooth를 사용하지 않을 때 이 모드를 사용하여 전력을 절감할 수 있습니다. Bluetooth 주변 장치와 호스트 인터페이스가 활성 상태일 때 활동이 감지되면 인터럽트를 통해 Arm 코어를 절전 해제할 수 있습니다. 이 모드에서는 최소한의 전력을 소비합니다. 확장된 절전 모드에서 DA14585는 64Kb의 RAM을 유지하면서 3.3µA의 전류를 소비합니다.
• Arm 및 주변 장치의 최저전력 모드는 중간 절전 모드입니다. 이 모드에서는 Bluetooth 무선 통신을 비롯한 모든 장치가 꺼집니다. 이 모드는 Bluetooth를 끄고 DA14585 주변 장치가 필요하지 않은 경우에 유용합니다. 중간 절전 모드에서 DA14585는 610nA 또는 1.4µA(16Kb RAM을 유지해야 하는 경우)의 전류만 소비할 수 있습니다.

기본 운영에서 DA14585 기반 웨어러블의 Bluetooth 코어는 대부분의 시간을 중간 절전 모드로 유지되지만, Arm은 절전 모드 또는 확장된 절전 모드로 유지됩니다. Bluetooth 코어는 프로그래밍된 간격에 따라 주기적으로 활성 모드로 전환하여 무선 데이터를 확인하지만, Arm 코어는 활성 모드로 전환한 후 호스트 마이크로 컨트롤러를 통해 데이터를 전달합니다. 전송이 완료되면 Bluetooth 코어는 중간 절전 모드로 전환되지만 Arm 코어는 절전 또는 확장된 절전 모드로 전환됩니다. 이렇게 하여 전력을 절약하면서 모바일 장치에 활성 상태로 안정적으로 연결할 수 있습니다.

DA14585 시작하기

DA14585를 시작하기 위해 Dialog에서 DA14585-00ATDEVKT-B Bluetooth DA14585 기본 개발 키트를 제공했습니다(그림 3).

그림 3: Dialog Semiconductor DA14585 기본 평가 기판은 USB 인터페이스를 통해 PC에 연결하며, 개발자가 장치에 대한 마이크로 컨트롤러 드라이버 및 응용 제품 펌웨어를 테스트하고 디버깅하는 데 필요한 모든 기능을 포함합니다. (이미지 출처: Dialog Semiconductor)

DA14585 기본 개발 키트는 USB 인터페이스를 통한 전체 디버깅을 지원합니다. 이 개발 키트는 외장형 플래시 프로그램 메모리를 시용하는 Microchip Technology의 호스트 마이크로 컨트롤러에 의해 제어됩니다. USB 인터페이스를 통해 마이크로 컨트롤러의 응용 제품 펌웨어를 플래시 메모리로 로드할 수 있습니다. 개발자는 키트에 포함된 예제 프로그램을 로드한 후 PC와 같은 다른 Bluetooth 장치에 연결하는 데 사용할 수 있습니다. 그런 다음 개발자의 맞춤형 펌웨어를 로드하여 디버깅할 수 있습니다.

결론

웨어러블 장치 설계자는 개발 시간과 비용을 감안하여 최적화를 통해 전력 소비를 최소화하여 최적의 사용자 경험을 구축해야 합니다. 무선 인터페이스가 전력 예산의 상당 부분을 차지하지만 인터페이스를 신중하게 선택하고 구현하여 크게 완화할 수 있습니다.

그림과 같이 호스트 마이크로 컨트롤러에서 외장형 Bluetooth 칩을 사용하여 개발 시간을 가속화함으로써 개발자가 Bluetooth 인터페이스를 처음부터 설계하지 않고 웨어러블을 구축하도록 지원할 수 있습니다. 사용 가능한 저전력 모드를 적절히 활용하여 안정적인 작동을 보장하면서 웨어러블 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.