BlueNRG-LP支持128個(gè)并發(fā)連接的藍(lán)牙低功耗SoC

ST推出的BlueNRG-LP，這是首款支持 128 個(gè)并發(fā)連接的藍(lán)牙低功耗 SoC。它也是我們第一款獲得藍(lán)牙低功耗 5.2 認(rèn)證的設(shè)備。BlueNRG-LP 支持遠(yuǎn)程、2 Mbps 傳輸和廣告擴(kuò)展等功能，僅舉幾例。此外，它借鑒了以前的架構(gòu)，在 ST 藍(lán)牙芯片上提供了最廣泛的動(dòng)態(tài)范圍。為了達(dá)到這樣的性能和優(yōu)化水平，我們的團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于 SoC 的無(wú)線電和微控制器。后者現(xiàn)在是運(yùn)行在 64 MHz 的 Cortex-M0+，它使用 64 KB 的 RAM。相比之下，BlueNRG-1 和BlueNRG-2 依賴于 32 MHz 的 Cortex-M0 和 24 KB 的 RAM. 出于安全目的，新設(shè)備還具有一次性可編程存儲(chǔ)區(qū)。

BlueNRG-LP：其他任何事情之前的第一步

STEVAL-IDB011V1 評(píng)估板和更新的 BlueNRG 軟件

流程工程團(tuán)隊(duì)選擇藍(lán)牙 SoC 的過(guò)程通常很復(fù)雜。許多因素可能會(huì)影響決策，從成本到過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)、性能和易用性。因此，為了幫助團(tuán)隊(duì)更快地評(píng)估 BlueNRG-LP，我們還發(fā)布了軟件和開(kāi)發(fā)工具的更新。例如，開(kāi)發(fā)人員可以將新的STEVAL-IDB011V1 BlueNRG-LP 評(píng)估板與BlueNRG Navigator GUI一起使用。該軟件可以上傳示例應(yīng)用程序，從而幫助管理人員了解我們對(duì)新 SoC 的期望。

BlueNRG Navigator GUI 提供的演示項(xiàng)目數(shù)量非常多。在大約20 個(gè)應(yīng)用程序中，開(kāi)發(fā)人員可以快速測(cè)試 SoC連接多達(dá) 128 個(gè)設(shè)備的能力。他們還可以嘗試通過(guò)廣播到八個(gè)頻道而不是傳統(tǒng)的三個(gè)頻道來(lái)進(jìn)行廣告擴(kuò)展。同樣，一個(gè)項(xiàng)目展示了更高的可用吞吐量，而另一個(gè)項(xiàng)目則提供了更長(zhǎng)的范圍能力。因此，工程師擁有大量應(yīng)用程序啟動(dòng)器，可以極大地加快其概念驗(yàn)證的開(kāi)發(fā)。

ST還發(fā)布了新版BlueNRG電流消耗工具。該實(shí)用程序以令人信服的圖形表示我們新設(shè)備的低功耗功能，以影響決策者。開(kāi)發(fā)人員還可以決定通過(guò)移植在以前的 BlueNRG SoC 上運(yùn)行的代碼來(lái)測(cè)試新設(shè)備。由于只是從 Cortex-M0 遷移到 Cortex-M0+ 的問(wèn)題，因此該過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。

左側(cè)是 BlueNRG 電流消耗工具。右側(cè)是展示 ST 工具精度的實(shí)際功率波形。

了解新的工業(yè)和技術(shù)挑戰(zhàn)

在選擇藍(lán)牙 SoC 時(shí)，工程師會(huì)關(guān)注正在塑造其行業(yè)的最新趨勢(shì)等。工業(yè)應(yīng)用必須將更多的傳感器節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)關(guān)。音頻處理能力變得越來(lái)越重要。藍(lán)牙 SoC 必須提供更多的處理能力，同時(shí)保持較低的材料清單和功耗。應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)絕非易事，它需要在無(wú)線電和微控制器層面進(jìn)行優(yōu)化。事實(shí)上，一次僅連接多達(dá) 128 臺(tái)設(shè)備在當(dāng)今世界上是獨(dú)一無(wú)二的，但還不夠。我們知道工程師會(huì)問(wèn)兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：“這些連接有多好？” “我能用它們做什么？” 答案在于 BlueNRG-LP 如何實(shí)現(xiàn)更大的功率、更好的安全性、更高的效率和更低的成本。

BlueNRG-LP：更強(qiáng)大、更安全、更高效的連接

高速

從事工業(yè)應(yīng)用的團(tuán)隊(duì)必須處理影響范圍或數(shù)據(jù)速率的重大限制。例如，一些系統(tǒng)必須覆蓋難以置信的長(zhǎng)距離。這種應(yīng)用的一個(gè)例子是連接到整個(gè)智能工廠的無(wú)數(shù)板的網(wǎng)關(guān)。另一方面，其他設(shè)備必須快速傳輸大量數(shù)據(jù)，例如在固件更新期間。新的 ST SoC 實(shí)現(xiàn)了兩者。通過(guò)提供 LE 2M PHY，BlueNRG-LP 可以達(dá)到高達(dá) 2 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。相比之下，之前 BlueNRG SoC 中的 LE 1M PHY 停止在 1 Mbps。正如我們?cè)贐lueNRG-2N 博客文章中解釋的那樣，更快的傳輸在一定程度上要?dú)w功于數(shù)據(jù)長(zhǎng)度擴(kuò)展的更大有效負(fù)載，以及藍(lán)牙 5.0 固有的帶寬增加。

長(zhǎng)距離

在 LE 2M PHY 的另一端，藍(lán)牙 5.0 提供更大的覆蓋范圍。不幸的是，許多工程師經(jīng)常忽視這種遠(yuǎn)程功能，因?yàn)樗麄兊凸懒怂臐摿ΑlueNRG-LP 提供 LE 編碼 PHY，可在兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的距離，而無(wú)需額外的功率放大器。ST 使用現(xiàn)有開(kāi)發(fā)板和應(yīng)用程序的實(shí)際測(cè)試達(dá)到了 1.3 公里（0.8 英里）。

范圍的增加是可能的，因?yàn)?LE 編碼 PHY 使用前向糾錯(cuò)等功能，它為每個(gè)數(shù)據(jù)包添加了額外的位。但是，數(shù)據(jù)冗余會(huì)導(dǎo)致 125 kbps 的較低帶寬。另一個(gè)有助于避免干擾的功能是頻道選擇算法#2 （CSA #2）。雖然 CSA #1 只能在 37 個(gè)頻道之間跳轉(zhuǎn)，但 CSA #2 有 65，535 個(gè)頻道可供使用。這種大選擇有助于避免碰撞和褪色效果。無(wú)論附近有很多設(shè)備，還是它們之間的距離很遠(yuǎn)，CSA #2 都能提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。最終，更遠(yuǎn)的距離是可能的，因?yàn)樗{(lán)牙 5.0 可以更好地處理在覆蓋很遠(yuǎn)距離時(shí)不可避免地困擾信號(hào)的背景噪聲。

鏈接預(yù)算

從事藍(lán)牙應(yīng)用程序的工程師總是運(yùn)行鏈路預(yù)算分析，這是一種幫助他們預(yù)測(cè)整體性能的設(shè)計(jì)輔助工具。簡(jiǎn)而言之，它確保設(shè)計(jì)人員能夠預(yù)見(jiàn)特定問(wèn)題，例如無(wú)法到達(dá)接收器的信號(hào)強(qiáng)度不足。在大多數(shù)教科書(shū)中，鏈路預(yù)算分析使用以下等式：

接收功率 （dBm） = 發(fā)射功率 （dBm） + 增益 （dB） - 損耗 （dB）。

然而，如今工程師使用的數(shù)據(jù)表幾乎總是給出發(fā)射功率 （TX） 和接收器的靈敏度水平 （RX）。因此，大多數(shù)現(xiàn)實(shí)世界的項(xiàng)目根據(jù)以下等式定義其鏈路預(yù)算：

| 鏈路預(yù)算 （dB） | = TX 功率 （dBm） – 靈敏度水平 （dBm）。

BlueNRG-LP 的 TX 功率能夠達(dá)到 +8 dBm（可按 1 dBm 步長(zhǎng)進(jìn)行編程），RX 靈敏度為 -104 dBm（125 kbps）或 -97 dBm（1 Mbps）。因此，新的 ST SoC 具有 112 dB 和 105 dB 的鏈路預(yù)算，具有業(yè)界最大的鏈路預(yù)算。因此，與鏈路預(yù)算較低的設(shè)備相比，工程師可以預(yù)期在相同功耗下具有更好的性能。

阻止黑客

安全性是工程師在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)關(guān)注的另一個(gè)重要方面。消費(fèi)者對(duì)隱私和保護(hù)免受威脅的問(wèn)題更加敏感。因此，希望構(gòu)建藍(lán)牙系統(tǒng)的團(tuán)隊(duì)會(huì)著眼于保護(hù)用戶和數(shù)據(jù)的功能。BlueNRG-LP 為這些關(guān)鍵的工程挑戰(zhàn)提供了答案。其中之一是存在一個(gè)安全引導(dǎo)加載程序，它在啟動(dòng)固件之前檢查固件的簽名。這種措施可以防止 rootkit 或低級(jí)攻擊。開(kāi)發(fā)人員還可以禁用 SWD 和 UART訪問(wèn)以保護(hù) Flash。同樣，1 KB 的內(nèi)存是一次性可編程的，以保證其完整性。因此，理論上，有權(quán)訪問(wèn)該設(shè)備的黑客將無(wú)法克隆或修改其內(nèi)容。

更高的計(jì)算吞吐量和更低的功耗

開(kāi)發(fā)人員必須找到提高性能、準(zhǔn)確性和用戶體驗(yàn)的方法。為了解決這一挑戰(zhàn)，工程師們經(jīng)常求助于具有更高計(jì)算吞吐量的設(shè)備。然而，許多藍(lán)牙終端產(chǎn)品必須具有低功耗才能保持電池壽命。因此，工程師應(yīng)該找到一種方法來(lái)調(diào)和這些看似矛盾的要求。

BlueNRG-LP 為這一挑戰(zhàn)提供了新的解決方案。由于其更高的頻率和更強(qiáng)大的架構(gòu)，SoC 現(xiàn)在支持更復(fù)雜的算法。這些建立在 MEMS 和語(yǔ)音庫(kù)之上的過(guò)程在嵌入式系統(tǒng)中非常流行。此外，意法半導(dǎo)體還免費(fèi)提供藍(lán)牙SIG認(rèn)證的Mesh stack。因此，覆蓋大面積區(qū)域并達(dá)到 126 跳或 32，000 個(gè)節(jié)點(diǎn)變得非常容易。

然而，盡管頻率更高、內(nèi)存更多，BlueNRG-LP 的功耗卻低于其前代產(chǎn)品。它的傳輸峰值電流為4.3 mA （0 dBm），而 BlueNRG-2 需要 8.3 mA （-2 dBm）。同樣，新設(shè)備的 RX 峰值為3.4 mA（在靈敏度級(jí)別），而上一代需要 7.7 mA?？臻e時(shí)功耗的改善也很顯著。BlueNRG-LP 在深度停止模式下僅需0.6 μA，并具有完整的 RAM 保留。另一方面，BlueNRG-2 需要 9.5 μA，盡管 RAM 較少。所有這些改進(jìn)都證明了我們最新的芯片優(yōu)化和改進(jìn)的實(shí)施。

BlueNRG-LP：更具成本效益的設(shè)計(jì)

降低物料清單

連接 128 臺(tái)設(shè)備的能力是獨(dú)一無(wú)二的，BlueNRG-LP 解決了許多技術(shù)挑戰(zhàn)。但是，一些工程師會(huì)非常重視總體成本。因此，新的 SoC 必須提供減少材料清單的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。解決此問(wèn)題的一種方法是將 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（或帶抽取濾波器的 16 位）與 8 個(gè)輸入通道集成。與以前的 SoC 相比，精度的提高意味著 BlueNRG-LP 現(xiàn)在可以擁有一個(gè)可編程增益放大器。PGA 將音頻信號(hào)從 0 dB 放大到 30 dB，從而允許使用模擬麥克風(fēng)。與數(shù)字麥克風(fēng)相比，模擬替代品更具成本效益，從而確保更低的物料清單。

另一種更具成本效益的系統(tǒng)的方法是減少外部設(shè)備的數(shù)量。因此，我們?cè)O(shè)計(jì) BlueNRG-LP 以嵌入更多組件并簡(jiǎn)化 PCB。例如，新的 SoC 現(xiàn)在有六個(gè)負(fù)載電容器。因此，設(shè)計(jì)人員無(wú)需在 PCB 上焊接外部電容器即可使用高速晶體。BlueNRG-LP 還集成了射頻巴倫，這意味著工程師不再需要專(zhuān)用的巴倫。這也意味著新器件只有一個(gè)射頻單端輸出引腳，簡(jiǎn)化了布局。最后，SoC 的 SMPS 具有更高的時(shí)鐘。因此，設(shè)計(jì)人員可以使用更小、更具成本效益的電感器。

價(jià)格合適

當(dāng)工程師尋找藍(lán)牙 SoC 并根據(jù)其層次結(jié)構(gòu)證明他們的選擇是合理的時(shí)，低單價(jià)至關(guān)重要。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)并保持 BlueNRG-LP 的成本效益，ST 堅(jiān)持使用 256 KB 的閃存。新設(shè)備的藍(lán)牙堆棧通常需要 80 KB 到 100 KB。因此，開(kāi)發(fā)人員有大約 120 KB 的空間用于他們的應(yīng)用程序，這對(duì)于大多數(shù)用例來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。如果設(shè)計(jì)需要更多的存儲(chǔ)空間、更強(qiáng)大的計(jì)算能力或臨時(shí)外圍設(shè)備，它們自然會(huì)傾向于BlueNRG-2N 和專(zhuān)用主機(jī) MCU。

我們通過(guò)提供三種類(lèi)型的套餐進(jìn)一步優(yōu)化了我們的定價(jià)結(jié)構(gòu)。QFN32 有 20 個(gè) GPIO，而 QFN48 和 WLCSP49 分別有 32 個(gè)和 26 個(gè)。此外，我們還提供具有一半 RAM 的 BlueNRG-LP 變體。因此，只需要 32 KB 和更少 pin 的團(tuán)隊(duì)不需要支付更多。同樣，我們提供最高可達(dá) 85 oC 的型號(hào)和最高可達(dá) 105 oC 的相同型號(hào)。工業(yè)設(shè)計(jì)會(huì)很樂(lè)意使用后者，而其他人會(huì)選擇前者并保存。

審核編輯：郭婷