從芯片組到協(xié)議棧再到模塊的低功耗藍牙解決方案

低功耗藍牙或 BLE——又稱為智能藍牙——已成為互聯(lián)可穿戴設(shè)備、智能電器和接近標簽的關(guān)鍵促進因素。 短程無線標準旨在通過更快的連接降低功耗，從而以較低的延時，傳輸較少量的數(shù)據(jù)。

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

智能藍牙采用 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)藍牙規(guī)格的 100 ms，下降的比特率被下降至 6 ms 的延時所抵消。 這些創(chuàng)新讓智能藍牙從智能手表和腕帶等常用可穿戴設(shè)計的連接方式，進入更廣泛的可穿戴和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用。

圖 1：智能藍牙或 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 (VR) 運動游戲平臺中的可穿戴傳感器目前正使用智能藍牙連接以最低延時向無線耳機傳輸數(shù)據(jù)。 還有助聽器，它們采用 BLE 連接進行聲音調(diào)節(jié)、發(fā)出警報、檢查電池狀態(tài)、以及通過智能手機進行音色變換。

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

現(xiàn)在，最新版的藍牙 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。

簡化 BLE 設(shè)計

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)計帶來從連接性、安全性到功耗的關(guān)鍵改進。 由于已經(jīng)清楚它對 IoT 而言是一項重大挑戰(zhàn)，因此我們先從安全性著手。

藍牙 v4.2 帶來大量安全升級，同時也讓通過藍牙連接對設(shè)備進行追蹤變得更加困難。 首先，它為傳統(tǒng)藍牙級別帶來驗證機制，并且僅在連接完全安全時才允許進行設(shè)備配對。

其次，它提供自動配對和雙模塊通信，這使得開放模式下的配對更加容易，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，另一個關(guān)鍵特性要求信標或接近標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牙芯片組僅在識別為可信任的物體出現(xiàn)在用戶附近時才被喚醒。 并且，新的 BLE 子系統(tǒng)消耗增量功率，同時它們在不使用時將自動關(guān)閉，從而節(jié)能。

圖 2：高度集成的藍牙 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)計中。 （圖片來源：Cypress Semiconductor）

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

當處于深度睡眠模式時，智能藍牙芯片消耗不到 500 nA，同時仍在保留存儲器中保持數(shù)據(jù)。 另一方面，休眠和停止模式斷開連接，同時允許芯片消耗納安級的電流。

如前所述，開發(fā)成本和電路板空間是 BLE 設(shè)計面臨的另外兩大挑戰(zhàn)。 在此，單芯片藍牙解決方案和兼容最新版藍牙規(guī)范的高度集成模塊將幫助設(shè)計人員優(yōu)化電路板空間，并通過更低的 BOM 和更少的開發(fā)時間節(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，如在特定時間執(zhí)行符合特定需求的功率模式。 然后，借助充足的存儲器容量，它可運行符合條件的智能藍牙協(xié)議棧，其中包括安全性協(xié)議棧和多個配置文件。 單 IC 也可為數(shù)據(jù)存儲和客戶應(yīng)用軟件提供存儲空間。 將這些功能都在電路板上實現(xiàn)，就不需要第二個微控制器，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，多協(xié)議藍牙無線電允許設(shè)計人員優(yōu)化關(guān)鍵任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?BLE 鏈路，并同時支持低延時應(yīng)用，如采用 2.4 GHz 專有協(xié)議的音頻流。 信號強度提升和多種數(shù)據(jù)傳輸方法可幫助您降低電池壽命消耗，同時又可保持傳輸范圍穩(wěn)定。

當然，若您在藍牙或 RF 設(shè)計方面的經(jīng)驗有限，高度集成的 SoC 可幫助您解決常見設(shè)計難題，并可以方便地將 BLE 連接加入到您的設(shè)計中。 并且，藍牙 SoC 可提供更好的無線電靈敏度、更大的范圍，最重要的是，它還具有全自動功率管理系統(tǒng)。

圖 3：Cypress 低功耗藍牙 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、智能藍牙無線電以及稱作 CapSense 的電容式傳感器。 該芯片組基于 ARM? Cortex?-M0 處理器，也包含與藍牙 4.2 規(guī)范兼容的免費 BLE 協(xié)議棧。

Cypress 從模塊開始，致力于打造圍繞 PSoC 4 的全套設(shè)計生態(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牙子系統(tǒng)所需的 PSoC 4 BLE 芯片、天線、晶體和所有必要的無源元件。

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

此外，Cypress 可提供評估板，允許工程設(shè)計人員在 EZ-BLE PSoC 模塊上進行開發(fā)并評估應(yīng)用。 通過將 GPIO 布線到像 CapSense、LED 和開關(guān)之類元器件，評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)計圖形用戶界面（圖 5）。

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

該工具可通過在圖形界面以拖放方式提供預(yù)建元件，設(shè)計完成后，即可為原理圖中每個元器件生成一套應(yīng)用編程接口 (API)。 BLE 元器件可簡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 等智能藍牙 SoC 提供商也提供各種模塊，這對設(shè)計人員很有幫助。 這對提供商也有益處，因為它們需要對 IC 進行創(chuàng)新，并在成本、封裝和節(jié)能方面為您提供更多價值。 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設(shè)計的前沿。

這類模塊包含開發(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)過驗證，允許設(shè)計人員繞過復(fù)雜的天線設(shè)計和批準流程。

這就是說，通過藍牙天線處理 RF 通信仍然比較棘手。 因為需要在具體位置通過具體輸出配置文件進行實施，因此天線設(shè)計在藍牙中非常關(guān)鍵。 否則，若天線被放置在電路板上的錯誤位置，則會嚴重影響性能（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)換器通過在平衡和非平衡模式之間轉(zhuǎn)換信號進行天線匹配。 這可顯著降低雜散發(fā)射和諧波，反過來，讓可穿戴設(shè)計降低整體設(shè)計封裝。

例如，Skyworks Solutions 的 SKY66111-11 前端模塊 (FEM) 包含 TX/RX 和天線開關(guān)、濾波器和放大器（圖 6）。 該模塊常見于 Nordic Semiconductor、Dialog Semiconductor、Texas Instruments 和其他廠商出品的藍牙無線電。 前端模塊消除了與主機藍牙 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) 的一個良好示例，您可將其加入到 SoC 以擴展范圍。 它看上去簡單，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。 使用時應(yīng)當心，不要對輸入端施加過多 RF，以免使開關(guān)過載。 而應(yīng)是，從輸入功率 -20 dBm 開始，并逐漸提高。

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

圖 7：Silicon Labs 的 Blue Gecko BGM113 模塊是預(yù)先組裝并通過測試的平臺，帶有板載堆棧、天線和認證書。

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數(shù)發(fā)生器 (TRNG)。

結(jié)論

顯然，在快速可靠占有市場方面，智能藍牙模塊和相應(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)，以推動更快的創(chuàng)新。 當涉及到創(chuàng)新的可穿戴設(shè)備、互聯(lián)家居和大量其它 IoT 應(yīng)用時，綜合考慮布局、匹配元器件和軟件開發(fā)的細節(jié)，您就能勝券在握。