從芯片組到協(xié)議棧再到模塊的低功耗藍(lán)牙解決方案

低功耗藍(lán)牙或 BLE——又稱(chēng)為智能藍(lán)牙——已成為互聯(lián)可穿戴設(shè)備、智能電器和接近標(biāo)簽的關(guān)鍵促進(jìn)因素。 短程無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)旨在通過(guò)更快的連接降低功耗，從而以較低的延時(shí)，傳輸較少量的數(shù)據(jù)。

智能藍(lán)牙旨在僅使用傳統(tǒng)藍(lán)牙連接約十分之一的功耗，這表明需要采用大量的技術(shù)工作才能將這一無(wú)線連接機(jī)制用于外形尺寸較小的應(yīng)用（圖 1）。

智能藍(lán)牙采用 1Mbit/s 的鏈接比特率以及 800 Kbit/s 的應(yīng)用吞吐量。 其中，相比傳統(tǒng)藍(lán)牙規(guī)格的 100 ms，下降的比特率被下降至 6 ms 的延時(shí)所抵消。 這些創(chuàng)新讓智能藍(lán)牙從智能手表和腕帶等常用可穿戴設(shè)計(jì)的連接方式，進(jìn)入更廣泛的可穿戴和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用。

圖 1：智能藍(lán)牙或 BLE 已從現(xiàn)有協(xié)議演變，以服務(wù)于可穿戴和 IoT 設(shè)備（Aislelabs 供圖）。

例如，虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 運(yùn)動(dòng)游戲平臺(tái)中的可穿戴傳感器目前正使用智能藍(lán)牙連接以最低延時(shí)向無(wú)線耳機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。 還有助聽(tīng)器，它們采用 BLE 連接進(jìn)行聲音調(diào)節(jié)、發(fā)出警報(bào)、檢查電池狀態(tài)、以及通過(guò)智能手機(jī)進(jìn)行音色變換。

智能藍(lán)牙技術(shù)還在其他領(lǐng)域流行，如信標(biāo)，遠(yuǎn)程傳感器和可穿戴生物特征護(hù)照，在這些領(lǐng)域中它正在促成眾多移動(dòng)廣告和商務(wù)、票務(wù)、門(mén)禁和其他安全應(yīng)用。 在此，采用智能藍(lán)牙的設(shè)備——智能手機(jī)、筆記本等——能在 5 米或 30 米半徑范圍內(nèi)監(jiān)控任何帶標(biāo)簽設(shè)備的位置、加速度和距離。

現(xiàn)在，最新版的藍(lán)牙 v4.2 規(guī)格可讓更多設(shè)備或“物體”在超連接世界中相互連接，為下一代可穿戴和 IoT 應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 作為第一步，它將最高數(shù)據(jù)速率擴(kuò)展到 800 Kbit/s，速度比之前的版本快 2.6 倍，并且允許更快地從傳感器獲得數(shù)據(jù)日志和支持更快的固件更新。

簡(jiǎn)化 BLE 設(shè)計(jì)

新興端到端 BLE 解決方案——將芯片應(yīng)用推廣到軟件堆棧再到模塊——正在為 BLE 設(shè)計(jì)帶來(lái)從連接性、安全性到功耗的關(guān)鍵改進(jìn)。 由于已經(jīng)清楚它對(duì) IoT 而言是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因此我們先從安全性著手。

藍(lán)牙 v4.2 帶來(lái)大量安全升級(jí)，同時(shí)也讓通過(guò)藍(lán)牙連接對(duì)設(shè)備進(jìn)行追蹤變得更加困難。 首先，它為傳統(tǒng)藍(lán)牙級(jí)別帶來(lái)驗(yàn)證機(jī)制，并且僅在連接完全安全時(shí)才允許進(jìn)行設(shè)備配對(duì)。

其次，它提供自動(dòng)配對(duì)和雙模塊通信，這使得開(kāi)放模式下的配對(duì)更加容易，并且在封閉模式下需要更高的數(shù)據(jù)傳輸安全性。 在安全性和功率效率之間，另一個(gè)關(guān)鍵特性要求信標(biāo)或接近標(biāo)簽必須從要通信的設(shè)備獲得權(quán)限。

這種隱私和篩選特性讓智能藍(lán)牙芯片組僅在識(shí)別為可信任的物體出現(xiàn)在用戶(hù)附近時(shí)才被喚醒。 并且，新的 BLE 子系統(tǒng)消耗增量功率，同時(shí)它們?cè)诓皇褂脮r(shí)將自動(dòng)關(guān)閉，從而節(jié)能。

圖 2：高度集成的藍(lán)牙 SoC 和模塊允許您快速將 BLE 鏈路加入到您的可穿戴和 IoT 設(shè)計(jì)中。 （圖片來(lái)源：Cypress Semiconductor）

現(xiàn)在，智能藍(lán)牙芯片組能在各種電源模式（活動(dòng)、睡眠、深度睡眠、休眠和停止）下切換以保持功耗控制。 例如，藍(lán)牙芯片清楚當(dāng) CPU 關(guān)閉時(shí)何時(shí)讓設(shè)備進(jìn)入“深度睡眠”模式，但 BLE 連接仍然活動(dòng)。

當(dāng)處于深度睡眠模式時(shí)，智能藍(lán)牙芯片消耗不到 500 nA，同時(shí)仍在保留存儲(chǔ)器中保持?jǐn)?shù)據(jù)。 另一方面，休眠和停止模式斷開(kāi)連接，同時(shí)允許芯片消耗納安級(jí)的電流。

如前所述，開(kāi)發(fā)成本和電路板空間是 BLE 設(shè)計(jì)面臨的另外兩大挑戰(zhàn)。 在此，單芯片藍(lán)牙解決方案和兼容最新版藍(lán)牙規(guī)范的高度集成模塊將幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化電路板空間，并通過(guò)更低的 BOM 和更少的開(kāi)發(fā)時(shí)間節(jié)省成本。

單芯片 BLE 解決方案

從資產(chǎn)和功率效率而言，采用多芯片與 BLE 設(shè)計(jì)背道而馳，因此需要考慮超低功耗片上系統(tǒng) (SoC)，它結(jié)合了創(chuàng)新處理器架構(gòu)與多協(xié)議無(wú)線電路，可降低成本、基底面和功耗。

在這些 SOC 中，板載處理器可處理控制功能，如在特定時(shí)間執(zhí)行符合特定需求的功率模式。 然后，借助充足的存儲(chǔ)器容量，它可運(yùn)行符合條件的智能藍(lán)牙協(xié)議棧，其中包括安全性協(xié)議棧和多個(gè)配置文件。 單 IC 也可為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和客戶(hù)應(yīng)用軟件提供存儲(chǔ)空間。 將這些功能都在電路板上實(shí)現(xiàn)，就不需要第二個(gè)微控制器，并可消除相關(guān)成本、功耗和數(shù)據(jù)接口功率損失。

接下來(lái)，多協(xié)議藍(lán)牙無(wú)線電允許設(shè)計(jì)人員優(yōu)化關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?BLE 鏈路，并同時(shí)支持低延時(shí)應(yīng)用，如采用 2.4 GHz 專(zhuān)有協(xié)議的音頻流。 信號(hào)強(qiáng)度提升和多種數(shù)據(jù)傳輸方法可幫助您降低電池壽命消耗，同時(shí)又可保持傳輸范圍穩(wěn)定。

當(dāng)然，若您在藍(lán)牙或 RF 設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)有限，高度集成的 SoC 可幫助您解決常見(jiàn)設(shè)計(jì)難題，并可以方便地將 BLE 連接加入到您的設(shè)計(jì)中。 并且，藍(lán)牙 SoC 可提供更好的無(wú)線電靈敏度、更大的范圍，最重要的是，它還具有全自動(dòng)功率管理系統(tǒng)。

圖 3：Cypress 低功耗藍(lán)牙 SoC 面向基于傳感器的可穿戴和 IoT 應(yīng)用。

Cypress Semiconductor 的 PSoC 4 BLE 芯片組就是很好的例子。 它集成了模擬前端、數(shù)字邏輯、智能藍(lán)牙無(wú)線電以及稱(chēng)作 CapSense 的電容式傳感器。 該芯片組基于 ARM? Cortex?-M0 處理器，也包含與藍(lán)牙 4.2 規(guī)范兼容的免費(fèi) BLE 協(xié)議棧。

Cypress 從模塊開(kāi)始，致力于打造圍繞 PSoC 4 的全套設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)，從而為您提供便利。 EZ-BLE PSoC 模塊包括打造即插即用藍(lán)牙子系統(tǒng)所需的 PSoC 4 BLE 芯片、天線、晶體和所有必要的無(wú)源元件。

圖 4：Cypress Semiconductor 的 EZ-BLE 模塊包括全系列完全集成的認(rèn)證型可編程模塊，帶有板載晶體、追蹤天線、擴(kuò)展板和無(wú)源元件，可簡(jiǎn)化并加快設(shè)計(jì)。 10 x 10 x 1.80 mm 模塊看上去比美分硬幣還要小。

此外，Cypress 可提供評(píng)估板，允許工程設(shè)計(jì)人員在 EZ-BLE PSoC 模塊上進(jìn)行開(kāi)發(fā)并評(píng)估應(yīng)用。 通過(guò)將 GPIO 布線到像 CapSense、LED 和開(kāi)關(guān)之類(lèi)元器件，評(píng)估板可幫助您輕松創(chuàng)建原型。 基于此，它還包括 PSoC Creator 快速設(shè)計(jì)圖形用戶(hù)界面（圖 5）。

圖 5：Cypress PSoC Creator 工具有助于加快設(shè)計(jì)速度，此例為帶有自定義模擬前端 (AFE) 的 BLE 心率監(jiān)視器。 （圖片來(lái)源：Cypress Semiconductor）

該工具可通過(guò)在圖形界面以拖放方式提供預(yù)建元件，設(shè)計(jì)完成后，即可為原理圖中每個(gè)元器件生成一套應(yīng)用編程接口 (API)。 BLE 元器件可簡(jiǎn)化堆棧和配置文件的配置。

模塊：完整的 BLE 子系統(tǒng)

Atmel、Cypress 和 Silicon Labs 等智能藍(lán)牙 SoC 提供商也提供各種模塊，這對(duì)設(shè)計(jì)人員很有幫助。 這對(duì)提供商也有益處，因?yàn)樗鼈冃枰獙?duì) IC 進(jìn)行創(chuàng)新，并在成本、封裝和節(jié)能方面為您提供更多價(jià)值。 正因如此，在為可穿戴和 IoT 產(chǎn)品交付全套硬件子系統(tǒng)方面，BLE 模塊真正走在了未來(lái)設(shè)計(jì)的前沿。

這類(lèi)模塊包含開(kāi)發(fā)基于 BLE 的應(yīng)用所需的全部硬件和固件。 它們結(jié)合了含天線的智能藍(lán)牙 SoC 以及連接外設(shè)和傳感器的接口。 這些模塊都已預(yù)先經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，允許設(shè)計(jì)人員繞過(guò)復(fù)雜的天線設(shè)計(jì)和批準(zhǔn)流程。

這就是說(shuō)，通過(guò)藍(lán)牙天線處理 RF 通信仍然比較棘手。 因?yàn)樾枰诰唧w位置通過(guò)具體輸出配置文件進(jìn)行實(shí)施，因此天線設(shè)計(jì)在藍(lán)牙中非常關(guān)鍵。 否則，若天線被放置在電路板上的錯(cuò)誤位置，則會(huì)嚴(yán)重影響性能（輸出輻射功率和接收靈敏度），繼而影響電池壽命。

現(xiàn)在，大量 BLE 模塊與前端集成，其中結(jié)合了陶瓷芯片天線、低通濾波器以及匹配的平衡不平衡轉(zhuǎn)換器。 平衡不平衡轉(zhuǎn)換器通過(guò)在平衡和非平衡模式之間轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行天線匹配。 這可顯著降低雜散發(fā)射和諧波，反過(guò)來(lái)，讓可穿戴設(shè)計(jì)降低整體設(shè)計(jì)封裝。

例如，Skyworks Solutions 的 SKY66111-11 前端模塊 (FEM) 包含 TX/RX 和天線開(kāi)關(guān)、濾波器和放大器（圖 6）。 該模塊常見(jiàn)于 Nordic Semiconductor、Dialog Semiconductor、Texas Instruments 和其他廠商出品的藍(lán)牙無(wú)線電。 前端模塊消除了與主機(jī)藍(lán)牙 IC 的連接不良，并將 +10 dBm 下的功耗降至 10 mA。

圖 6：Skyworks Solutions 的 SKY66111-11 是 RF 前端模塊 (FEM) 的一個(gè)良好示例，您可將其加入到 SoC 以擴(kuò)展范圍。 它看上去簡(jiǎn)單，卻高度集成。具體表現(xiàn)為，可在 RF 領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。

Cypress EZ-BLE 模塊尺寸為 10 x 10 mm，Skyworks FEM 僅增加 3.3 x 3.0 mm，甚至帶了 20 個(gè)引腳。 其工作電壓范圍從 1.8 到 5 V，并且睡眠電流低于 1 μA。 使用時(shí)應(yīng)當(dāng)心，不要對(duì)輸入端施加過(guò)多 RF，以免使開(kāi)關(guān)過(guò)載。 而應(yīng)是，從輸入功率 -20 dBm 開(kāi)始，并逐漸提高。

接下來(lái)，采用 Silicon Labs 的 Blue Gecko BGM113 低功耗模塊，它結(jié)合了 2.4 GHz Blue Gecko 無(wú)線芯片組和高效芯片天線，可最大程度減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和工作量。 該模塊帶有兼容藍(lán)牙 4.1 的軟件堆棧，但軟件可升級(jí)到藍(lán)牙 4.2。 此外，Silicon Labs 還提供開(kāi)發(fā)工具，如 Energy Profiler 和 Packet Trace。

圖 7：Silicon Labs 的 Blue Gecko BGM113 模塊是預(yù)先組裝并通過(guò)測(cè)試的平臺(tái)，帶有板載堆棧、天線和認(rèn)證書(shū)。

BGM113 配備自有 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，也注重安全性，采用自主硬件加密加速器和真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 (TRNG)。

結(jié)論

顯然，在快速可靠占有市場(chǎng)方面，智能藍(lán)牙模塊和相應(yīng)的前端模塊是通向成功的絕佳路徑。 設(shè)計(jì)人員了解它，供應(yīng)商和生產(chǎn)商也了解它，并且在提供必要的支持系統(tǒng)和軟件生態(tài)系統(tǒng)，以推動(dòng)更快的創(chuàng)新。 當(dāng)涉及到創(chuàng)新的可穿戴設(shè)備、互聯(lián)家居和大量其它 IoT 應(yīng)用時(shí)，綜合考慮布局、匹配元器件和軟件開(kāi)發(fā)的細(xì)節(jié)，您就能勝券在握。