利用無線接口實現(xiàn)互連玩具的基本架構(gòu)

今天，用 Android 或者 iOS 手機(jī)或平板電腦連接、控制的玩具已很常見，而集成了采用藍(lán)牙和 Wi-Fi 無線連接功能各種玩具則出現(xiàn)了爆炸式增長。 在商場貨架上，可以看到各種各樣的機(jī)器人、無人飛機(jī)和許多游戲機(jī)都集成了無線接口。 現(xiàn)在，這些玩具能以高性價比方式集成無線接口、多軸傳感器、小尺寸顯示屏、觸控以及其它功能，而這一切要?dú)w功于這些元件的實現(xiàn)成本已大幅降低。

在手機(jī)、平板電腦中使用的此類器件已大批量生產(chǎn)，導(dǎo)致了元件成本急劇下跌。這兩種設(shè)備都集成了 Wi-Fi 和藍(lán)牙收發(fā)器，以及作為基本規(guī)范一部分的運(yùn)動傳感器、陀螺儀、GPS 接收器、觸控屏。 不僅無線連接的成本在下滑，而且在最新一代互連玩具中也能找到身影的多軸傳感器、微控制器以及其它元件的成本也在下滑。 此外，由于大多數(shù)玩具傾向于由電池驅(qū)動，因此功耗也是所有這些元件的一個關(guān)鍵要求，從而促進(jìn)了低功耗藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn) （BLE） 及其最新姊妹標(biāo)準(zhǔn)——智能藍(lán)牙的采納。

那么，什么是智能藍(lán)牙呢？ 從本質(zhì)上講，智能藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙相同，但后者采用通用屬性規(guī)范 （GATT），在屬性協(xié)議 （ATT） 頂層構(gòu)建。 GATT 規(guī)范為按照 ATT 傳輸和存儲的數(shù)據(jù)確定了通用工作模式和一個構(gòu)架。 GATT 為低功耗藍(lán)牙硬件定義了服務(wù)器和客戶端角色。 由于 GATT 用于發(fā)現(xiàn)服務(wù)，因此 GATT 和 ATT 規(guī)范在低功耗情況下屬于強(qiáng)制執(zhí)行的規(guī)范。 軟件開發(fā)人員使用 GATT 能夠很容易地簡化手機(jī)或平板電腦與玩具之間的發(fā)現(xiàn)和鏈接過程。

在藍(lán)牙開發(fā)者文檔的術(shù)語中，GATT 規(guī)范規(guī)定了規(guī)范數(shù)據(jù)交換的結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)定義了規(guī)范中使用的服務(wù)和特征等基本要素。 這個層級結(jié)構(gòu)的頂層就是規(guī)范。 一個規(guī)范包括完成使用實例所必需的一個或多個服務(wù)。 服務(wù)則由特征或?qū)ζ渌?wù)的引用組成。 每個特征包括一個值并可能包含有關(guān)該值的可選信息。 服務(wù)、特征和特征的組成（即值和描述符）包含規(guī)范數(shù)據(jù)，且均保存在服務(wù)器上的屬性中。1

低功耗藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)旨在通過建立非?？斓倪B接（若干毫秒）并傳輸極少量數(shù)據(jù)來降低功耗。 這些技術(shù)可以將功耗降至傳統(tǒng)藍(lán)牙的十分之一。 BLE 設(shè)備可以進(jìn)入休眠模式，并在發(fā)生事件活動時喚醒。 而且，其最大功耗小于 15 mA，平均功耗約 1 μA。 因此，一顆小型紐扣電池（例如 CR2032）便可為設(shè)備供電長達(dá) 10 年之久。

對于尋求在功耗敏感的小型便攜設(shè)備中添加 BLE 或者智能藍(lán)牙的設(shè)計人員，可以考慮 BL600 系列模塊（Laird Technologies 提供）。 BL600 模塊基于 Nordic Semiconductor 的 nRF51822 芯片組，在緊湊的 19 x 12.5 mm 基底面內(nèi)實現(xiàn)了低功耗和很好的覆蓋范圍。 該模塊包含支持 BLE 應(yīng)用開發(fā)所需的全部硬件和固件。 BL600 模塊也完全通過了藍(lán)牙終端產(chǎn)品鑒定，設(shè)計人員可直接將其集成到設(shè)備中，無需再進(jìn)行藍(lán)牙鑒定。

同樣，Panasonic 的 PAN1326/1316 系列 RF 模塊也同時具備了低功耗藍(lán)牙和智能藍(lán)牙連接功能。 這種技術(shù)融合為短距離應(yīng)用創(chuàng)造了一種低成本、超低功耗無線網(wǎng)絡(luò)解決方案。 PAN1326/1316 主機(jī)控制接口 （HCI） 系列還為 Texas Instruments 的 CC2564 器件提供了模塊格式，使其方便使用。 Panasonic 的小型基底面技術(shù)能讓模塊基底面（含天線）縮小至僅 85.5 mm2。 這些模塊可以容納 1.3mm 焊線間距、至少為兩層結(jié)構(gòu)的 PCB，從而簡化了制造、實施過程。

Panasonic 還針對三種藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)提供三模開發(fā)模塊。 這種模塊可直接插入 Panasonic 開發(fā)套件以及 Texas Instruments 的 MSP430 和 Stellaris 實驗板中，并帶來了針座連接器優(yōu)勢，以簡化原型的布線和現(xiàn)場試驗。

一個玩具即是一個嵌入式控制系統(tǒng)

互連玩具的基本架構(gòu)非常類似于嵌入式控制系統(tǒng)——通常包括一個中央控制處理器，帶有本地存儲器、電源管理功能、用于連接多軸傳感器或開關(guān)的各種信號輸入、控制一個或多個電機(jī)的附加輸出信號、一個顯示屏或指示燈，或一些其它功能，此外，還配備用于連接 Wi-Fi 和/或藍(lán)牙無線電的無線接口（圖 1）。 今天的控制器通常是一款基于 ARM? Cortex?-M0 或 M3/M4 處理器內(nèi)核的高集成度微控制器，無線電功能則通常依賴一個包含發(fā)射/接收電路和功率放大器的獨(dú)立芯片或模塊。

圖 1：互連玩具的內(nèi)部電子子系統(tǒng)簡圖，如 Orbotix 的 Sphero。該簡圖反映了一個典型的嵌入式控制系統(tǒng)。 微控制器執(zhí)行程序，而其 I/O 引腳則用于連接并控制不同的傳感器、電機(jī)、開關(guān)、顯示屏和無線電。

由 Orbotix 開發(fā)的 Sphero 球形機(jī)器人是市面上較吸引人的互連玩具之一（圖 2）。 該公司在一個接近高爾夫球大小的透明塑料球內(nèi)置入了一個完整的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個內(nèi)部電池?zé)o線充電系統(tǒng)、一個基于 Cortex-M4 的微控制器（STMicroelectronics 提供）、一個 ARM 處理器（運(yùn)行藍(lán)牙堆棧協(xié)議）、一個 Texas Instruments 電機(jī)驅(qū)動器（控制電機(jī)）、一個 Bosch 陀螺儀傳感器、多個彩色 LED 燈（允許用戶改變 Sphero 球形機(jī)器人的顏色）以及一個 Amp’edRFd 提供的傳統(tǒng)藍(lán)牙無線接口。 第二代 Sphero 產(chǎn)品用智能藍(lán)牙解決方案取代了傳統(tǒng)藍(lán)牙，將會降低功耗。 在充滿電的狀態(tài)下，Sphero 球在全加力游戲規(guī)則下可以玩一個小時，且其控制距離可達(dá) 100 英尺。

圖 2：Sphero2 是 Orbotix 公司開發(fā)的最新一代球形機(jī)器人，這款產(chǎn)品由通過低功耗藍(lán)牙無線鏈路連接的 iOS 或 Android 智能手機(jī)或平板電腦控制（上圖）。 用戶界面簡單，可下載到 Apple iOS 或 Android 智能手機(jī)，或平板電腦上（下圖）。

在如何運(yùn)用智能手機(jī)或平板電腦實現(xiàn)新功能方面，由 Wowwee 和 Parrot 等公司推出的玩具機(jī)器人和無人飛機(jī)便是很好的實例。 例如，Parrot 的“Jumping Sumo”兩輪玩具機(jī)器人配備嵌入式攝像頭，能夠通過 Wi-Fi 連接將視頻內(nèi)容傳回智能手機(jī)或平板電腦（圖 3 左）。 其中，Wi-Fi 連接也用于控制，用戶可使機(jī)器人沿圓周滾動或跳躍，其跳躍高度超過 2.5 英尺并且在下落時能保持滾輪先接觸地面。

Parrot 的 AR 無人機(jī) Drone2.0 是一款配備高清攝像頭的四螺旋槳設(shè)備，其攝像頭能以 30 幀每秒的速度捕獲 720p 視頻內(nèi)容，并利用 H.264 編碼器進(jìn)行視頻編碼（圖 3 右）。 盡管可利用集成 WI-Fi 接口將視頻內(nèi)容發(fā)送回智能手機(jī)或平板電腦，但該系統(tǒng)還配備了 USB 插槽，方便用 U 盤在本地保存視頻內(nèi)容。 板載計算機(jī)/控制系統(tǒng)采用一個基于 1 GHz 32 位 ARM 的微控制器和一個 Texas Instruments TMS320DM64x 視頻 DSP 芯片。

圖 3：Parrot 的跳躍機(jī)器人玩具 Jumping Sumo 可在空中的跳躍高度為 2.5 英尺，配備一個嵌入式攝像頭，能通過 Wi-Fi 接口將視頻內(nèi)容傳回智能手機(jī)或平板電腦（左圖）。 AR 無人機(jī) Drone2.0 Quadricopter 也是 Parrot 產(chǎn)品，具有精度極高的控制和自動穩(wěn)定功能，能在飛行中捕獲高清視頻內(nèi)容。 采用多個傳感器提供穩(wěn)定、定位、定向和地面速度數(shù)據(jù)。

Wi-Fi 接口提供 802.11b/g/n 和多傳感器連接，具體包括三軸陀螺儀、加速計和磁力計（用于 GPS 定位）、壓力傳感器和超聲波傳感器（用于海拔高度測量）。 另一個低分辨率攝像機(jī) （QVGA） 以 60 幀每秒的速度捕獲圖像，以協(xié)助測量地面速度。 這款無人機(jī)由四個轉(zhuǎn)速達(dá) 28，500 RPM 的無刷電機(jī)提供升力，每個電機(jī)由 Atmel 8- MIPS AVR 系列 CPU 控制。 采用一個 1000 mAH 可充電鋰聚合物電池提供電源。 Apple 應(yīng)用商店提供一款名為 AR.Free Flight 免費(fèi)軟件應(yīng)用，能夠讓 iPhone、iPod Touch 或 iPad 控制這款無人機(jī)。

如果工程師正在為一個設(shè)計項目部署 Wi-Fi 連接，則應(yīng)關(guān)注一下 Skyworks 的 SE2594L，這是一款完整的 802.11a/b/g/n WLAN RF 前端模塊，具備功率放大器、濾波、功率檢測器、T/R 開關(guān)、多路復(fù)用器和相關(guān)匹配功能等全部功能。 所有 RF 端口均針對易用性而設(shè)計，可匹配 50 Ω 電阻，從而能簡化 PCB 布局和收發(fā)器的 RFIC 接口。 SE2594L 還包括一個用于每個頻段、發(fā)射鏈的發(fā)射器電源檢測器，且每個發(fā)射鏈的動態(tài)范圍均為 20 dB。 SE2594L 外形小巧，是一個完整的、能涵蓋從收發(fā)器輸出到天線的 2.4GHz 和 5GHz WLAN RF 解決方案。

總之，市場上各種各樣的無線玩具如雨后春筍般涌現(xiàn)，從小型直升飛機(jī)、多螺旋槳無人機(jī)，到在辦公室地面上游走的機(jī)器人阿凡達(dá)，應(yīng)有盡有。 許多設(shè)備都充分利用了無線技術(shù)控制運(yùn)動，有時還用于收發(fā)視頻內(nèi)容。 本文介紹了不同玩具供應(yīng)商用來實現(xiàn)連接和控制的藍(lán)牙、Wi-Fi 等一些技術(shù)，甚至還涉及到窩蜂子系統(tǒng)。 正如本文中所有實例展示的那樣，互連玩具概念可以千變?nèi)f化，受限的只是設(shè)計人員有限的創(chuàng)造力。