藍(lán)牙5技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的最新版本Bluetooth 5將提供廣泛的增強(qiáng)功能，例如更長(zhǎng)的距離，更高的速度以及對(duì)無(wú)連接服務(wù)的擴(kuò)展支持。這是對(duì)當(dāng)今藍(lán)牙4.2技術(shù)的重大升級(jí)，并將為智能環(huán)境開(kāi)辟新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

此舉使公司和開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)可訪問(wèn)，可互操作的物聯(lián)網(wǎng)。新標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)將數(shù)據(jù)速率降低到500 Kbps和250 Kbps來(lái)指定具有現(xiàn)有設(shè)備范圍四倍的模式，以允許在家中可靠地使用更多傳感器。該范圍不僅允許控制器和傳感器之間的距離更遠(yuǎn)，而且還為終端設(shè)備提供更強(qiáng)大的鏈路。它還允許兩倍的數(shù)據(jù)速率達(dá)到2 Mbps，以便從監(jiān)視器或無(wú)線揚(yáng)聲器獲得更高質(zhì)量的音頻流，從而改善用戶體驗(yàn)。

市場(chǎng)研究估計(jì)藍(lán)牙將超過(guò)三分之一到2020年所有已安裝的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，由智能手機(jī)中無(wú)處不在的實(shí)施作為控制器驅(qū)動(dòng)。然而，智能手機(jī)中作為控制器或用于流式傳輸?shù)綗o(wú)線耳機(jī)的藍(lán)牙5芯片的要求與物聯(lián)網(wǎng)的要求非常不同。這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用還需要更復(fù)雜的電源管理，以最大限度地延長(zhǎng)系統(tǒng)的電池壽命，因此優(yōu)化的DC-DC轉(zhuǎn)換器是SoC中越來(lái)越常見(jiàn)的元件。

現(xiàn)在交付給芯片設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)可以容納物聯(lián)網(wǎng)SoC設(shè)備的要求。例如，RivieraWaves藍(lán)牙IP平臺(tái)由硬件基帶控制器，數(shù)字調(diào)制解調(diào)器和詳細(xì)的軟件協(xié)議棧組成。堆棧包括直到GAP/GATT的鏈路層以及一組服務(wù)和配置文件。 Riviera技術(shù)已經(jīng)用于恩智浦前幾代藍(lán)牙4.2設(shè)備，如MKW31Z256。

圖1：由開(kāi)發(fā)的藍(lán)牙5 IP RivieraWaves用于物聯(lián)網(wǎng)的片上系統(tǒng)設(shè)備。

硬件基帶控制器以Verilog IP包的形式提供。它執(zhí)行分組編碼/解碼和幀調(diào)度，并由硬件AES128加密引擎補(bǔ)充。軟件堆棧作為C代碼IP包提供，包含鏈路層，L2CAP，ATT，SMP，GAP/GATT，服務(wù)和配置文件，可由芯片開(kāi)發(fā)人員修改。

圖2：RivieraWaves的藍(lán)牙5 IP協(xié)議棧。

BLE模式與藍(lán)牙雙模式不同，藍(lán)牙雙模式協(xié)議棧包括智能手機(jī)中的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HCI接口。靈活的無(wú)線電接口允許平臺(tái)與RivieraWaves RF IP或各種合作伙伴的RF IP一起部署，從而實(shí)現(xiàn)鑄造和工藝節(jié)點(diǎn)的最佳選擇。

另一家IP供應(yīng)商Mindtree與德克薩斯州合作將藍(lán)牙4.2堆棧放入CC1350處理器的儀器。它將靈活的低功耗RF收發(fā)器與48MHzARM?Cortex?-M3微控制器相結(jié)合，專為多個(gè)物理層和RF標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)，使藍(lán)牙5的升級(jí)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。用于無(wú)線電的2 Mbps GFSK調(diào)制方案可顯著提高用戶的系統(tǒng)吞吐量，并且在硬件中實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。

堆棧在專用Cortex-M0上運(yùn)行，作為處理的無(wú)線電控制器存儲(chǔ)在ROM或RAM中的低級(jí)RF協(xié)議命令。用于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器可由專用的自主超低功耗控制器處理，該控制器可配置為處理模擬和數(shù)字傳感器，允許主Cortex-M3內(nèi)核保持睡眠模式。電源，時(shí)鐘管理和無(wú)線電系統(tǒng)需要通過(guò)軟件進(jìn)行特定配置和處理才能正常運(yùn)行，這已在專用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（TI-RTOS）中實(shí)現(xiàn)。這也將被更新以包括藍(lán)牙5的新功能。

這包括將廣告包擴(kuò)展到237字節(jié)，這打開(kāi)了用于廣告的數(shù)據(jù)信道，并且還引入了周期性廣告的概念。

Mindtree還與Synopsys合作，為4.2on TSMC的55 nm和180 nm工藝開(kāi)發(fā)完整的藍(lán)牙智能IP設(shè)計(jì)。這將Synopsys物理IP與Mindtree的BlueLitE鏈路層和軟件堆棧IP相結(jié)合，為芯片設(shè)計(jì)人員提供了完整的BLE模塊，可最大限度地降低面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的超低功耗片上系統(tǒng)（SoC）的風(fēng)險(xiǎn)和集成難題。 Synopsys的PHY IP工作電壓低于1伏電源，可延長(zhǎng)電池壽命，并具有集成的天線匹配網(wǎng)絡(luò)，可確保天線與信號(hào)源之間的正確信號(hào)傳輸，從而降低外部元件成本。

藍(lán)牙5現(xiàn)在正在設(shè)備中實(shí)施。例如，Nordic Semiconductor的nRF52系列SoC器件是一系列超低功耗多協(xié)議SoC，采用32位ARM Cortex-M4F內(nèi)核，1 MB閃存和256 kB RAM片內(nèi)存。最新的嵌入式2.4 GHz收發(fā)器支持所有硬件中的Bluetooth5低能量數(shù)據(jù)速率，從新的2 Mbps和現(xiàn)有1 Mbps速率到500 kbps和125 kbps的藍(lán)牙5長(zhǎng)距離速率。該無(wú)線電支持高分辨率RSSI測(cè)量和自動(dòng)功能，以減少CPU負(fù)載，包括EasyDMA，用于分組數(shù)據(jù)和裝配的直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)。 Nordic還直接為藍(lán)牙5低能量提供協(xié)議棧 - 這些棧稱為SoftDevices，而n40F52840則由S140 SoftDevice支持，這是一個(gè)藍(lán)牙5預(yù)先認(rèn)證的藍(lán)牙低功耗協(xié)議棧。

圖3：Nordic Semiconductor的nRF52開(kāi)發(fā)板將允許評(píng)估最新的藍(lán)牙5設(shè)備。

許多現(xiàn)有的藍(lán)牙4.2設(shè)備已被評(píng)估考慮到下一代設(shè)計(jì)，物聯(lián)網(wǎng)SoC中的藍(lán)牙元件可以是芯片設(shè)計(jì)中相對(duì)較小的一部分。例如，在Cypress Semiconductor的CYBL11573中，大部分芯片專門(mén)用于外設(shè)處理，如圖4所示。

圖4：賽普拉斯半導(dǎo)體公司的大部分CVBL11573專門(mén)用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中所需的傳感器管理。

SoC的BLE子系統(tǒng)由鏈路層引擎和物理層組成。鏈路層引擎支持主角色和從角色，并實(shí)現(xiàn)時(shí)間關(guān)鍵功能，例如硬件加密以降低功耗，并提供最小的處理器干預(yù)和高性能。關(guān)鍵協(xié)議元素，例如主機(jī)控制接口（HCI）和鏈路控制，在固件中實(shí)現(xiàn)。這些是藍(lán)牙5實(shí)現(xiàn)中發(fā)生變化的元素。

物理層也會(huì)更改以處理更高的2 Mbps數(shù)據(jù)速率。這已經(jīng)使用GFSK調(diào)制，在將這些BLE分組的數(shù)字基帶信號(hào)通過(guò)天線發(fā)送到空中之前將其轉(zhuǎn)換為射頻。在接收方向上，該塊在執(zhí)行GFSK解調(diào)之后將來(lái)自天線的RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流。 RF收發(fā)器包含一個(gè)集成的平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器，它提供一個(gè)單端RF端口引腳，通過(guò)π匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)50Ω天線端子。輸出功率可在-18 dBm至+3 dBm范圍內(nèi)編程，以優(yōu)化不同應(yīng)用的電流消耗。

同樣，Silicon Labs的EFR32MG系列藍(lán)牙控制器可升級(jí)至藍(lán)牙5.目前的系列使用40 MHz ARM Cortex-M4內(nèi)核，具有可擴(kuò)展的內(nèi)存和無(wú)線電配置選項(xiàng)，均使用與腳印兼容的QFN封裝。與其他物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施一樣，12通道外設(shè)反射系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)外設(shè)的自主管理，而集成的2.4 GHz巴倫和功率放大器可提供高達(dá)19.5 dBm的發(fā)射功率。

結(jié)論

隨著2017年初藍(lán)牙5的推出，芯片開(kāi)發(fā)商正在采用多種方法來(lái)提供針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的片上系統(tǒng)設(shè)備的功能。使用來(lái)自RivieraWaves或MindTree等供應(yīng)商的物理和軟件IP可以讓開(kāi)發(fā)人員專注于額外的外圍設(shè)備和芯片的電源管理，同時(shí)降低風(fēng)險(xiǎn)。其他人正在尋求在SoC設(shè)計(jì)中緊密集成藍(lán)牙5功能，以增加額外功能或減小芯片尺寸。

這兩種方法都為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)人員提供了新功能。其低功耗，更長(zhǎng)的范圍和更高的數(shù)據(jù)速率使藍(lán)牙5嵌入式開(kāi)發(fā)人員能夠輕松地為其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備添加更復(fù)雜的無(wú)線連接。