藍(lán)牙無(wú)線電支持BLE的遠(yuǎn)程信標(biāo)實(shí)現(xiàn)方案

　　Beacon 技術(shù)旨在向短距離內(nèi)的用戶提供信息，例如在零售店或購(gòu)物中心。雖然新興的基于位置的應(yīng)用程序依賴于在數(shù)百米范圍內(nèi)傳輸信標(biāo)的能力令人興奮，但開發(fā)人員受到傳統(tǒng)藍(lán)牙低功耗 （BLE） 無(wú)線電范圍的限制。

　　為了應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)程信標(biāo)應(yīng)用中出現(xiàn)的新機(jī)遇，開發(fā)人員需要能夠提供顯著更高發(fā)射功率輸出的 BLE 解決方案，以及能夠加速這些設(shè)計(jì)開發(fā)的開發(fā)工具。Cypress Semiconductor 和Silicon Labs的藍(lán)牙收發(fā)器通過(guò)將藍(lán)牙無(wú)線電和功率放大器組合在一個(gè)封裝中來(lái)滿足這一需求。

　　本文將描述什么是信標(biāo)，討論設(shè)計(jì)選項(xiàng)，并提供一些解決方案來(lái)幫助開發(fā)人員快速啟動(dòng)并運(yùn)行支持 BLE 的遠(yuǎn)程信標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

　　信標(biāo)為簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程實(shí)施招手

　　信標(biāo)技術(shù)為構(gòu)建鄰近感知服務(wù)提供了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)制。通過(guò)定期傳輸唯一標(biāo)識(shí)符和其他數(shù)據(jù)，信標(biāo)在某些有限的物理區(qū)域內(nèi)宣傳它們的存在。通過(guò)使用藍(lán)牙無(wú)線通信，信標(biāo)應(yīng)用程序可以利用智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備對(duì)藍(lán)牙的幾乎普遍支持。在這些移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行的應(yīng)用程序開發(fā)人員可以利用特定信標(biāo)信號(hào)的存在來(lái)呈現(xiàn)與移動(dòng)用戶的物理位置相關(guān)的信息。例如，在零售店內(nèi)，應(yīng)用程序可以使用信標(biāo)來(lái)檢測(cè)個(gè)人何時(shí)接近商店內(nèi)的特定區(qū)域或柜臺(tái)并顯示相關(guān)的商店優(yōu)惠券。

　　盡管這些短程零售應(yīng)用是信標(biāo)的首批應(yīng)用之一，但遠(yuǎn)程信標(biāo)機(jī)會(huì)正在更廣泛的領(lǐng)域出現(xiàn)，包括資產(chǎn)管理、運(yùn)輸、公共交通、航空航站樓、大型活動(dòng)以及鄰近感知服務(wù)可以創(chuàng)造更高效率的任何領(lǐng)域車輛、包裹或個(gè)人的移動(dòng)。然而，在服務(wù)于廣泛的物理區(qū)域時(shí)，合適的信標(biāo)硬件設(shè)計(jì)需要能夠在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出零售信標(biāo)支持范圍的范圍內(nèi)進(jìn)行廣告宣傳。然而，硬件設(shè)計(jì)人員在擴(kuò)展其無(wú)線系統(tǒng)的范圍時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些基本限制。

　　設(shè)計(jì)選項(xiàng)

　　硬件工程師發(fā)現(xiàn)用于擴(kuò)展無(wú)線通信范圍的設(shè)計(jì)選項(xiàng)數(shù)量有限。在給定范圍 （r） 上，接收器檢測(cè)到的功率 （Pr） 與發(fā)射功率 （Pt） 成正比，如 Friis 傳輸方程所述：

　　其中G r和G t分別為接收和發(fā)射天線增益，λ 為波長(zhǎng)。

　　專有網(wǎng)絡(luò)的新無(wú)線設(shè)計(jì)通?？梢宰杂梢苿?dòng)到較低頻率以增加接收功率，從而允許更遠(yuǎn)范圍的操作。對(duì)于針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率和協(xié)議（如藍(lán)牙）的設(shè)計(jì)，可用的選項(xiàng)很有限。對(duì)于針對(duì)已安裝的接收器基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，例如智能手機(jī)和其他無(wú)線電靈敏度和天線有限的移動(dòng)設(shè)備，選項(xiàng)的選擇會(huì)進(jìn)一步減少。由于部署位置對(duì)天線尺寸和配置的限制，遠(yuǎn)程信標(biāo)設(shè)計(jì)人員可用的選項(xiàng)往往僅限于增加發(fā)射功率。

　　直到最近，增加藍(lán)牙設(shè)計(jì)的發(fā)射功率意味著射頻工程師需要設(shè)計(jì)定制的功率增益級(jí)，以遵循廣泛可用的現(xiàn)成藍(lán)牙收發(fā)器。即使在構(gòu)建這些電源電路方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，工程師仍面臨著在不增加噪聲的情況下優(yōu)化信號(hào)路徑的持續(xù)挑戰(zhàn)。然而，RF 前端模塊 （FEM） 的出現(xiàn)現(xiàn)在為開發(fā)人員提供了一種更簡(jiǎn)單的替代方案。

　　FEM 將功率放大器 （PA）、低噪聲放大器 （LNA） 或兩者結(jié)合在不同的設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)優(yōu)化以增加發(fā)射器功率輸出或接收器無(wú)線電靈敏度，而不會(huì)增加系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)復(fù)雜性。例如，Skyworks Solutions SKY66111-11 BLE FEM 將 PA 與用于雙向通信的簡(jiǎn)單開關(guān)網(wǎng)絡(luò)集成在一起（圖 1a）。

　　圖 1a

　　圖 1b

　　圖 1：開發(fā)人員可以將 MCU GPIO 連接到 Skyworks Solutions SKY66111-11 BLE FEM 上的 CRX 和 CTX，以在通過(guò)功率放大器的 TX 輸出或通過(guò)低插入損耗路徑 （A） 的 RX 輸入之間切換，同時(shí)修改 VBIAS 上的電壓電平設(shè)置發(fā)射機(jī)功率輸出電平 （B）。（圖片來(lái)源：Skyworks Solutions）

　　為了擴(kuò)展藍(lán)牙發(fā)射器或收發(fā)器的范圍，開發(fā)人員只需將藍(lán)牙設(shè)備的 RF I/O 端口連接到 FEM 輸入并添加最少數(shù)量的無(wú)源組件。BLE 設(shè)備制造商在范圍擴(kuò)展器參考設(shè)計(jì)中使用這種方法。例如，Dialog Semiconductor在其自己的范圍擴(kuò)展器 BLE 參考設(shè)計(jì)中將其DA14580 BLE SoC 與 Skyworks SKY66111-11 FEM 配對(duì)（圖 2）。

　　圖 2：使用 FEM 實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展范圍藍(lán)牙設(shè)計(jì)只需要從藍(lán)牙收發(fā)器 RF I/O 引腳連接到 FEM，如 Dialog Semiconductor 的此參考設(shè)計(jì)所示。（圖片來(lái)源：對(duì)話半導(dǎo)體）

　　盡管 FEM 簡(jiǎn)化了功能設(shè)計(jì)，但它們對(duì)物理實(shí)現(xiàn)也提出了自己的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員必須確保印刷電路板、模塊或封裝的物理設(shè)計(jì)提供有效的散熱，以確保長(zhǎng)期的可靠性和性能。為了解決這個(gè)問題，3.3 x 3.0 mm Skyworks SKY66111-11 等 FEM 采用外露中心焊盤封裝以促進(jìn)散熱。此外，Skyworks 為多個(gè)銅 PC 板通孔的放置和焊料覆蓋提供了具體指南，以增強(qiáng)導(dǎo)熱性并促進(jìn)封裝的熱流（圖 3）。

　　圖 3：諸如 Skyworks Solutions SKY66111-11 之類的 FEM 包含一個(gè)外露的中心焊盤以促進(jìn)散熱，并且需要一條互補(bǔ)的導(dǎo)熱路徑，該路徑包括內(nèi)置在 PC 板上的多個(gè)銅通孔。（圖片來(lái)源：Skyworks Solutions）

　　除了熱管理和電路板設(shè)計(jì)，元件選擇和布局也很關(guān)鍵。如果不仔細(xì)關(guān)注每一個(gè)細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)無(wú)意中引入可能降低性能的寄生效應(yīng)和阻抗失配。集成 BLE 收發(fā)器和 FEM 的解決方案的出現(xiàn)使開發(fā)人員能夠在很大程度上避免這些細(xì)節(jié)，依賴于模塊制造商優(yōu)化設(shè)備的能力。

　　擴(kuò)展范圍 BLE 模塊

　　Cypress Semiconductor CYBLE-202007-01 BLE 模塊為擴(kuò)展范圍的 BLE 無(wú)線提供單一封裝解決方案。15 x 23 x 2 mm 模塊通過(guò)了全球大多數(shù)地區(qū)的認(rèn)證，通過(guò)結(jié)合賽普拉斯可編程片上無(wú)線電 （PRoC）、Skyworks Solutions RFX2401C射頻前端、無(wú)源元件和晶體振蕩器，提供完整的遠(yuǎn)程 BLE 子系統(tǒng)。CYBLE-202007-01 模塊包括一個(gè)板載天線，以及一個(gè)用于外部天線（如Antenova B4844-01或Pulse Electronics W1030 ）的 U.FL 連接。

　　由于集成了 PA，Skyworks RFX2401C FEM 具有高達(dá) 22 dBm 的輸出功率，還在其接收路徑中添加了一個(gè) LNA，并包括一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)。該模塊的 PRoC 本身就是一個(gè)復(fù)雜的集成系統(tǒng)，將 32 位 ARM ? Cortex ? -M0 內(nèi)核與專用藍(lán)牙子系統(tǒng)、多個(gè)存儲(chǔ)器以及完整的模擬和數(shù)字外設(shè)集成在一起（圖 4）。

　　圖 4：Cypress Semiconductor 可編程片上無(wú)線電 （PRoC） 將低功耗 ARM Cortex-M0 內(nèi)核、內(nèi)存和外設(shè)與完整的藍(lán)牙子系統(tǒng)相結(jié)合，以提供能夠支持典型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備要求的無(wú)線 MCU。（圖片來(lái)源：賽普拉斯半導(dǎo)體）

　　藍(lán)牙堆棧在內(nèi)置于 PRoC 的專用子系統(tǒng)中運(yùn)行。因此，集成工作量很小。賽普拉斯建議設(shè)計(jì)人員在電源和模塊之間放置一個(gè)或兩個(gè)外部鐵氧體磁珠，例如Murata BLM21PG331SN1D，并盡可能靠近模塊。在許多情況下，設(shè)計(jì)人員可能只需要添加適當(dāng)?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器即可完成無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)計(jì)。由于該模塊引出了 PRoC 的許多引腳，因此設(shè)計(jì)人員可以使用 PRoC 的集成 ADC 進(jìn)行信號(hào)采集，甚至在需要時(shí)利用 PRoC GPIO 的驅(qū)動(dòng)能力來(lái)提供傳感器激勵(lì)源。

　　開發(fā)套件

　　賽普拉斯在其模塊的CYBLE-202007-EVAL評(píng)估板中演示了CYBLE-202007-01模塊的非常簡(jiǎn)單的接口要求。除鐵氧體磁珠外，該評(píng)估板還包括四個(gè)連接器，用于引出模塊引腳（以及相應(yīng)的 PRoC 引腳）。

　　為進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)人員將評(píng)估板插入賽普拉斯CY8CKIT-042-BLE-A基板。除了開發(fā)板，賽普拉斯還提供了一個(gè)全面的開發(fā)包，包括其 PSoC Creator 和 PSoC Programmer 工具，以及套件設(shè)計(jì)文件、文檔和軟件示例。Cypress 開發(fā)包和GitHub 上的 C 語(yǔ)言軟件包括分別演示 BLE 模塊和 PRoC 應(yīng)用程序的示例軟件。

　　在開發(fā)包中，一個(gè)示例應(yīng)用程序演示了基本 Eddystone 信標(biāo)的軟件設(shè)計(jì)模式（清單 1）。在這里，主循環(huán)以初始化例程開始，該例程啟動(dòng) BLE 軟件組件并注冊(cè) EddystoneEventHandler 函數(shù)，該函數(shù)為應(yīng)用程序提供來(lái)自 BLE 組件的事件。

　　int main（）

　　{

　　/* Enable global interrupt mask */

　　CyGlobalIntEnable;

　　/* This function will initialize the system resources such as BLE and ADC */

　　Initialization（）;

　　while （1）

　　{

　　/* BLE stack processing state machine interface */

　　CyBle_ProcessEvents（）;

　　/* Process BLESS states */

　　IncrementAdvPacketCount（）;

　　/* Update the TLM Adv packets with “advPacketCount” and

　　* “SecCnt” */

　　UpdateTLMAdvPacket（）;

　　/* Put CPU and BLESS to low power mode */

　　LowPower（）;

　　if（stopAdv && （CyBle_GetState（） == CYBLE_STATE_ADVERTISING））

　　{

　　/* Reset the stop advertisement flag. */

　　stopAdv = false;

　　/* Stop advertisement. */

　　CyBle_GappStopAdvertisement（）;

　　}

　　}

　　}

　　清單 1：賽普拉斯 BLE 開發(fā)包中的示例軟件演示了信標(biāo)應(yīng)用程序的基本設(shè)計(jì)模式，包括此處顯示的主循環(huán)。（代碼來(lái)源：賽普拉斯半導(dǎo)體）

　　當(dāng)該 BLE 組件啟動(dòng)時(shí)，事件處理程序配置廣告數(shù)據(jù)包并通過(guò)對(duì)CyBle_GappStartAdvertisement（）（清單 2）的簡(jiǎn)單調(diào)用來(lái)啟動(dòng)廣告。開發(fā)者可以通過(guò)配置與廣告包關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)來(lái)控制廣告時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)用程序指示需要時(shí)，開發(fā)人員只需調(diào)用CyBle_GappStopAdvertisement（）。

　　void EddystoneEventHandler（uint32 event， void* eventParam）

　　{

　　CYBLE_API_RESULT_T apiResult;

　　/* To prevent compiler warning. */

　　eventParam = eventParam;

　　switch （event）

　　{

　　/**********************************************************

　　* General Events

　　***********************************************************/

　　/* This event is received when component is Started */

　　case CYBLE_EVT_STACK_ON：

　　/* Configure WDT counter 0 with 2 second interval */

　　WDT_Initialize（CY_SYS_WDT_COUNTER0， TWO_SECOND_INTERRUPT_COUNT）;

　　/* Enable WDT counter 0 */

　　WDT_EnableCounter（CY_SYS_WDT_COUNTER0_MASK）;

　　/* Ignore the initial delay. Start counter to track the time since

　　* power ON. */

　　SetEnableSecCnt（true）;

　　beaconCurrentRole = eddystoneImplenmentation;

　　ConfigureAdvPacket（）;

　　/* Start advertisement */

　　apiResult = CyBle_GappStartAdvertisement（CYBLE_ADVERTISING_CUSTOM）;

　　if（apiResult ！= CYBLE_ERROR_OK）

　　{

　　CYASSERT（0）;

　　}

　　break;

　　清單 2：賽普拉斯 BLE 開發(fā)包中的這段代碼片段演示了信標(biāo)的事件處理，這里顯示了初始啟動(dòng)事件的處理程序，它初始化廣告數(shù)據(jù)包并啟動(dòng)廣告序列。（代碼來(lái)源：賽普拉斯半導(dǎo)體）

　　片上有限元法

　　雖然很難實(shí)現(xiàn)，但集成趨勢(shì)預(yù)示著無(wú)線 MCU 開始在片上添加 FEM，Silicon Labs 已經(jīng)通過(guò)其EFR32BG13P732F512GM48 Blue Gecko BLE SoC 實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。在其無(wú)線電子系統(tǒng)中，Silicon Labs 在 SoC 的 2.4 GHz 和 sub-GHz 路徑中集成了單獨(dú)的 PA 和 LNA 模塊（圖 5）。除了遠(yuǎn)程無(wú)線電子系統(tǒng)外，BLE SoC 還結(jié)合了 ARM Cortex-M4 與片上閃存和 RAM，以及一整套模擬和數(shù)字外設(shè)。其他模塊提供硬件加密功能和一套復(fù)雜的電源管理功能。

　　圖 5：如完整框圖的這個(gè)有限部分所示，Silicon Labs Blue Gecko BLE SoC 集成了前端射頻組件，包括功率放大器和低噪聲放大器，以增強(qiáng) 2.4 GHz 和 sub-GHz 的功率輸出和無(wú)線電靈敏度無(wú)線電操作。（圖片來(lái)源：Silicon Labs）

　　作為首批藍(lán)牙 5 SoC 之一，該設(shè)備充分利用了藍(lán)牙 5 規(guī)范中規(guī)定的增加功率輸出。使用其片上 PA，Silicon Labs 的 BLE SoC 可以實(shí)現(xiàn)超過(guò) 19 dBm 的輸出功率。盡管 SoC 在沒有無(wú)線電活動(dòng)的活動(dòng)模式下僅消耗 70 μA/MHz，但在高功率 TX 期間功耗當(dāng)然會(huì)顯著上升。在其最大 19.5 dBm 輸出時(shí)，該器件消耗大約 131 mA（典型值）。

　　與其他高度集成的設(shè)備一樣，Silicon Labs BLE SoC 只需很少的外部組件即可提供完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。少數(shù)推薦的組件中的一些組成了一個(gè)四元素匹配網(wǎng)絡(luò)，用于在 2.4 GHz 時(shí)超過(guò) 13 dBm 的發(fā)射功率輸出（圖 6）。

　　圖 6：開發(fā)人員可以實(shí)施基于 Silicon Labs Blue Gecko BLE SoC 的無(wú)線設(shè)計(jì)，除了推薦用于超過(guò) 13 dBm 的 2.4 GHz 功率輸出的四元素匹配網(wǎng)絡(luò)之外，幾乎沒有其他組件。（圖片來(lái)源：Silicon Labs）

　　該公司在其SLWRB4104A Blue Gecko 無(wú)線電板中包含此匹配網(wǎng)絡(luò)以及所需的其他最小組件集。對(duì)于開發(fā)，工程師只需將無(wú)線電板直接插入SLWSTK6020B BLE 入門套件即可。對(duì)于軟件開發(fā)，Silicon Labs 提供其 Simplicity Studio 和藍(lán)牙軟件開發(fā)套件 （SDK），以幫助加快遠(yuǎn)程信標(biāo)設(shè)計(jì)的開發(fā)。

　　結(jié)論

　　遠(yuǎn)程藍(lán)牙信標(biāo)技術(shù)在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中獲得認(rèn)可。為了構(gòu)建遠(yuǎn)程信標(biāo)設(shè)備，直到最近，工程師還需要設(shè)計(jì)定制的功率級(jí)來(lái)提高功率輸出。集成 FEM 的可用性簡(jiǎn)化了這些設(shè)備的基本功能設(shè)計(jì)，但工程師仍面臨熱管理、寄生和阻抗匹配方面的挑戰(zhàn)。

　　具有集成 FEM 的藍(lán)牙收發(fā)器的出現(xiàn)，使開發(fā)人員能夠輕松添加遠(yuǎn)程藍(lán)牙功能，依靠設(shè)備制造商優(yōu)化這些設(shè)計(jì)的能力。今天，開發(fā)人員可以找到 FEM 集成藍(lán)牙模塊和 SoC，它們能夠加快設(shè)計(jì)的開發(fā)，能夠向數(shù)百米外的移動(dòng)設(shè)備提供信標(biāo)信號(hào)。