如何將藍(lán)牙技術(shù)集成到嵌入式系統(tǒng)

　　提到藍(lán)牙，非工程師首先想到的是無線耳機，它似乎從幾乎每個智能手機用戶的耳朵里冒出來。另一方面，嵌入式設(shè)計人員看到了一種低成本、可互操作、電池友好的技術(shù)，可以使他們的產(chǎn)品與越來越多的消費類和工業(yè)設(shè)備交換數(shù)據(jù)文件和多媒體流。在本文中，我們將探討成功集成該技術(shù)所涉及的一些設(shè)計問題，以及專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的新一代藍(lán)牙設(shè)備的架構(gòu)和功能集。

　　藍(lán)牙及其近親藍(lán)牙低功耗為血糖儀（上）、血壓計或其他醫(yī)療保健設(shè)備（下）等嵌入式應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)智能手機或平板電腦。

　　不同的配置文件

　　原始藍(lán)牙規(guī)范1 及其所有變體在全球未經(jīng)許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 2.4 GHz 短程頻段內(nèi)使用跳頻擴頻傳輸運行。目前市場上幾乎所有的設(shè)備都支持藍(lán)牙 v1.2 規(guī)范及其 720 kbit/s 的數(shù)據(jù)速率。甚至許多低成本產(chǎn)品也支持 V2.0/V2.1 +EDR 規(guī)范，這些規(guī)范具有更高的安全性、更簡單的設(shè)備配對以及可降低功耗的模式。最近推出的藍(lán)牙低功耗規(guī)范2 以降低數(shù)據(jù)速率和縮短有效范圍為代價顯著降低了功耗。

　　為了簡化應(yīng)用程序開發(fā)和互操作性，藍(lán)牙采用所謂的“配置文件”，它為特定用例定義主節(jié)點和從節(jié)點的功能和行為。除了蜂窩配件（耳機、免提和高級音頻分配或 A2DP）使用的配置文件外，還有許多支持關(guān)鍵嵌入式功能的配置文件。例如，人機接口設(shè)備 （HID） 配置文件為鼠標(biāo)、操縱桿、鍵盤以及簡單的按鈕和指示器等設(shè)備提供支持，而基本打印配置文件 （BPP） 允許設(shè)備發(fā)送文本、電子郵件、電子名片、或其他項目到打印機。其他配置文件執(zhí)行特定于應(yīng)用程序的任務(wù)，例如健康設(shè)備配置文件 （HDP） 或視頻分發(fā)配置文件 （VDP）。還有其他個人資料，例如模擬串行 RS-232 有線數(shù)據(jù)連接的串行端口配置文件 （SPP），執(zhí)行可用作嵌入式系統(tǒng)的通用 M2M 接口的通用功能。創(chuàng)建低功耗藍(lán)牙產(chǎn)品不需要標(biāo)準(zhǔn)化的“配置文件”，允許制造商編寫自己的“自定義配置文件”來支持其應(yīng)用程序的需求。

　　芯片、模塊還是加密狗？

　　支持藍(lán)牙所需的程序和數(shù)據(jù)存儲器取決于特定應(yīng)用中使用的特定 MCU、無線電和配置文件。但是，作為一個典型示例，德州儀器（TI） 的 MCU 藍(lán)牙堆棧將占用 MCU 大約 100 KB 的代碼空間，其余部分可供應(yīng)用程序免費使用。TI 的 CC2564 藍(lán)牙/低功耗藍(lán)牙無線電解決方案包括適用于MSP430和Stellaris?等多種流行 TI MCU 的預(yù)集成藍(lán)牙和藍(lán)牙低功耗軟件堆棧。 同樣，TI 表示，對于大多數(shù)低功耗藍(lán)牙應(yīng)用，協(xié)議棧也將消耗大約 100 KB 的代碼空間。如果您的團隊擁有足夠的射頻專業(yè)知識和軟件技能，可以將控制器的應(yīng)用程序代碼與支持協(xié)議棧所需的代碼集成在一起，那么投入 12 到 18 個月的開發(fā)時間將通過更高效的設(shè)計和更低的生產(chǎn)成本得到豐厚回報。

　　對于預(yù)計產(chǎn)量低于 250，000 件的產(chǎn)品，通常最好使用集成無線電、相關(guān)天線和射頻元件的藍(lán)牙模塊以及支持藍(lán)牙協(xié)議棧和管理的 MCU 來簡化和縮短設(shè)計周期收音機。有幾家公司以多芯片 SoC 的形式提供完整的藍(lán)牙模塊，非常適合空間受限或中大批量應(yīng)用。德州儀器 （TI） 的CC2540和CC2541系列等模塊通常采用 BGA 封裝，通常通過 UART 串??行接口與其主機 MCU 交換數(shù)據(jù)。一些模塊還提供了 ASCII 命令模式，使主機能夠使用簡單的指令集來配置和控制模塊。

　　CC2541 是真正的單芯片低功耗藍(lán)牙解決方案，包括無線電、用于運行低功耗藍(lán)牙堆棧和應(yīng)用程序的 8051 MCU 以及集成閃存。大多數(shù)應(yīng)用不需要外部 MCU 或外部存儲器 IC。

　　采用小型板裝封裝形式的模塊是易于集成和成本之間的完美折衷（圖 2）。許多制造商都提供緊湊型模塊，包括 BlueRadios、Microchip （Microchip 模塊）和 RFM（RFM 模塊）。即插即用設(shè)備可作為 USB 加密狗和串行端口適配器從CSR等供應(yīng)商處獲得和微芯片技術(shù)。通過偽裝成常用的 I/O 設(shè)備并使用主機系統(tǒng)現(xiàn)有的軟件驅(qū)動程序來交換數(shù)據(jù)和控制消息，它們可以快速輕松地將藍(lán)牙功能添加到舊產(chǎn)品中。藍(lán)牙串行端口適配器和 USB 加密狗最流行的應(yīng)用之一是所謂的“電纜替代”產(chǎn)品，它提供 RS-232、USB 或其他常見有線接口的無線等效功能。3

　　圖 ：Microchip Technology 的 RN-41 和 RN-42 等藍(lán)牙模塊可以為中小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品提供快速上市時間和經(jīng)濟高效的無線連接。藍(lán)牙模塊常用的一些嵌入式應(yīng)用包括條形碼掃描儀、測量/監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)傳感和控制、醫(yī)療設(shè)備和資產(chǎn)跟蹤。（由 Microchip Technologies 提供）

　　互操作性

　　大多數(shù)制造商為其藍(lán)牙組件提供參考設(shè)計和易于定制的應(yīng)用軟件，從而消除了許多常見的設(shè)計級硬件/軟件問題。一般來說，如果設(shè)備和堆棧經(jīng)過互操作性測試，大多數(shù)藍(lán)牙配置文件配對應(yīng)該可以無縫工作。低功耗藍(lán)牙中的所有數(shù)據(jù)通信均由 GATT（通用屬性配置文件）協(xié)議處理，該協(xié)議包含一組用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)程序。iOS、MacOS 和 Windows 8 等操作系統(tǒng)使用與藍(lán)牙 v4.0 核心規(guī)范中指定的 GATT 程序直接對應(yīng)的 API。這允許不同藍(lán)牙低功耗設(shè)備之間的強大互操作性。

　　自然，一些問題仍然困擾著粗心的設(shè)計師。雖然制造商的參考軟件將對其所有產(chǎn)品進行廣泛測試，但應(yīng)格外小心以確保各種配對模式與當(dāng)前市場上盡可能多的其他設(shè)備類型的順利配對和互操作性。開發(fā)人員還必須小心確保任何自動啟動應(yīng)用程序在異構(gòu)硬件環(huán)境中正常工作。對于跨多個智能手機和計算機的互操作性也是如此，尤其是跨多個版本的操作系統(tǒng)（如 iOS 和 Android）。

　　使用藍(lán)牙低功耗技術(shù)的設(shè)計需要額外考慮。要在最小化系統(tǒng)能耗和保持可接受的響應(yīng)延遲之間取得理想平衡，設(shè)計人員必須牢牢掌握連接間隔和從屬延遲的概念。對于藍(lán)牙和雙模操作，設(shè)計人員需要考慮其應(yīng)用的連接頻率（始終連接或開/關(guān)），并將發(fā)射器的輸出功率調(diào)整到滿足應(yīng)用要求的最低水平。

　　參考

• 　　維護藍(lán)牙規(guī)范的藍(lán)牙特別興趣組織有一個網(wǎng)站，提供技術(shù)及其應(yīng)用的概述 https://www.bluetooth.org/Building/overview.htm。Wikipedia 的藍(lán)牙列表提供了更詳細(xì)的信息以及其他參考資源。
• 　　“經(jīng)典”藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙之間的區(qū)別在“深入了解藍(lán)牙低功耗技術(shù)”中進行了討論。
• 　　Roving Networks 提供了關(guān)于電纜更換技術(shù)的精彩介紹。