【導(dǎo)讀】低功耗藍(lán)牙(LE)正在獲得越來(lái)越多元件與模塊供應(yīng)商的支持。這也難怪：因?yàn)檫@種超低功耗的短距離射頻技術(shù)提供了將任何從設(shè)備連接到未來(lái)數(shù)十億臺(tái)智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦的簡(jiǎn)單方法。那么實(shí)現(xiàn)超低功耗藍(lán)牙設(shè)計(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)在哪呢？
然而事實(shí)上，電子設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)非常熟悉各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的短距離射頻技術(shù)，比如ZigBee和Wi-Fi。那么低功耗藍(lán)牙與這些已有標(biāo)準(zhǔn)相比有優(yōu)勢(shì)嗎？
事實(shí)上確實(shí)有優(yōu)勢(shì)——如果涉及的應(yīng)用需要短脈沖數(shù)據(jù)傳輸和長(zhǎng)電池壽命的話。但設(shè)計(jì)工程師只有針對(duì)他們的應(yīng)用和市場(chǎng)做出了正確的元器件選擇，他們才能發(fā)揮使用低功耗藍(lán)牙帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。
有些是新的，有些是舊的
盡管與經(jīng)典藍(lán)牙共享相同的‘藍(lán)牙’名字，但低功耗藍(lán)牙在許多重要方面都有不同。經(jīng)典藍(lán)牙設(shè)計(jì)用于為音頻流和其它數(shù)據(jù)流提供永遠(yuǎn)在線的無(wú)線管道，并且支持高達(dá)3Mbps的數(shù)據(jù)速率。不過(guò)同時(shí)經(jīng)典藍(lán)牙也具有復(fù)雜的協(xié)議棧，建立和保持兩個(gè)配對(duì)設(shè)備之間的連接時(shí)比較麻煩。
低功耗藍(lán)牙具有完全不同的屬性：它采用了一種簡(jiǎn)單的協(xié)議棧，因此連接的建立和斷開特別快，并且能夠間歇性地傳送短脈沖數(shù)據(jù)。它可以實(shí)現(xiàn)非常低的功耗——單粒鈕扣電池可以工作數(shù)月甚至數(shù)年——因?yàn)槠涔ぷ髂Ｊ街С衷O(shè)備處于深度睡眠模式，即在大部分時(shí)間內(nèi)射頻部分是斷電狀態(tài)。
換句話說(shuō)，低功耗藍(lán)牙并不是經(jīng)典藍(lán)牙的低功耗版本，它實(shí)現(xiàn)了完全不同的功能。
低功耗藍(lán)牙與經(jīng)典藍(lán)牙共享2.4GHz頻段、天線和協(xié)議棧的某些組成部分。因此經(jīng)典藍(lán)牙芯片組的制造商能夠幾乎無(wú)成本地在他們的器件中增加低功耗藍(lán)牙功能。這意味著過(guò)去普遍配備經(jīng)典藍(lán)牙的智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦今后將普遍具備經(jīng)典藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙功能(通過(guò)認(rèn)證的低功耗藍(lán)牙設(shè)備將貼‘Bluetooth Smart''標(biāo)志)。
對(duì)工業(yè)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)低功耗藍(lán)牙的主要吸引力表現(xiàn)為：第一次有一種簡(jiǎn)單便宜的無(wú)線技術(shù)能在電池供電的從設(shè)備和智能手機(jī)、平板電腦與筆記本電腦之間提供接口。有望利用這種新技術(shù)優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用包括健身監(jiān)視器等“應(yīng)用配件”、心率監(jiān)視器和脈搏血氧計(jì)等個(gè)人健康護(hù)理設(shè)備、門禁控制系統(tǒng)中的接近傳感器以及智能手表等。
元器件公司已經(jīng)很快注意到低功耗藍(lán)牙的吸引力：支持低功耗藍(lán)牙的獨(dú)立芯片組和高集成度模塊已經(jīng)有現(xiàn)成的。藍(lán)牙專門興趣小組(SIG)的支持者們認(rèn)為，低功耗藍(lán)牙的部分吸引力是， 其簡(jiǎn)單的射頻部分很容易實(shí)現(xiàn)。
對(duì)工業(yè)電子設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)這意味著他們的系統(tǒng)架構(gòu)可以基于低功耗藍(lán)牙芯片組進(jìn)行設(shè)計(jì)。畢竟與等效的集成模塊相比，芯片組具有顯著的單位成本優(yōu)勢(shì)。因此與采用較昂貴但更高集成度的模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，基于芯片組的設(shè)計(jì)似乎可以為用戶提供更具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)。
那么從頭開始實(shí)現(xiàn)一個(gè)低功耗藍(lán)牙設(shè)計(jì)有多容易呢？
當(dāng)然，低功耗藍(lán)牙芯片組的制造商會(huì)提供卓越且高度優(yōu)化的產(chǎn)品。對(duì)許多OEM廠商來(lái)說(shuō)問(wèn)題是，這些產(chǎn)品只是針對(duì)一個(gè)方面作了優(yōu)化，即低的單位成本。這意味著它們并沒(méi)有針對(duì)易用性、簡(jiǎn)易性或集成度進(jìn)行優(yōu)化。
低功耗藍(lán)牙芯片組主要用于大批量產(chǎn)品，其批次數(shù)量可達(dá)到數(shù)十萬(wàn)或數(shù)百萬(wàn)個(gè)。對(duì)大批量OEM廠商來(lái)說(shuō)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)約束是材料清單(BOM)成本。他們能夠負(fù)擔(dān)將設(shè)計(jì)資源投入于使用低成本分立元件(包括射頻芯片組)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
任何源自于聲譽(yù)良好的供應(yīng)商的芯片組當(dāng)然有很好的功能，單位成本也極具競(jìng)爭(zhēng)力。但采用芯片組的低功耗藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)給大多數(shù)電子OEM廠商提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)分成以下幾大類：
1.射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.協(xié)議軟件設(shè)計(jì)
3.一致性測(cè)試與認(rèn)證
射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
低功耗藍(lán)牙芯片組包含一個(gè)2.4GHz的收發(fā)器和一個(gè)基帶控制器。芯片組必須集成進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，才能在要求的距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠的通信。因此關(guān)鍵設(shè)計(jì)任務(wù)包括配置和放置天線、將連接路由到射頻子系統(tǒng)以及設(shè)計(jì)電路板版圖。這種設(shè)計(jì)必須考慮干擾源，并確保不降低射頻的靈敏度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的這部分需要資深的射頻專業(yè)知識(shí)。
圖1：Microchip公司的RN4020模塊集成了包括天線在內(nèi)完整的低功耗藍(lán)牙射頻電路。RN4020采用密封的10mm x17mm x 2mm封裝，內(nèi)置有板載陶瓷天線、2.4GHz的低功耗藍(lán)牙收發(fā)器、帶完整的嵌入式低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧的微控制器以及UART和USB接口。
協(xié)議軟件設(shè)計(jì)低功耗藍(lán)牙設(shè)備通常必須在系統(tǒng)的主要微控制器上運(yùn)行低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧。芯片組制造商一般向用戶免費(fèi)提供協(xié)議棧“參考設(shè)計(jì)”：但這不是一個(gè)完整的馬上可以使用的棧；應(yīng)該將它看作是用戶自己的棧設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。同樣，棧開發(fā)要求專門的嵌入式軟件開發(fā)技巧。
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一致性測(cè)試和認(rèn)證
所有新的射頻產(chǎn)品都要求經(jīng)過(guò)全面的測(cè)試以驗(yàn)證：
1. 它們的射頻輻射在允許的頻率和功率電平范圍內(nèi)；
2.它們不會(huì)在允許頻段范圍之外產(chǎn)生干擾
由獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室開展的測(cè)試既昂貴又耗時(shí)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)常會(huì)承受成本風(fēng)險(xiǎn)和超時(shí)限風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)第一次通不過(guò)一致性測(cè)試很常見。
如果OEM廠商想在設(shè)備上張貼‘Bluetooth Smart''標(biāo)志，那也需要經(jīng)過(guò)獨(dú)立的藍(lán)牙驗(yàn)證，以確認(rèn)產(chǎn)品符合規(guī)范要求。同樣，一致性設(shè)計(jì)很昂貴，并且需要經(jīng)過(guò)一整套Bluetooth Smart認(rèn)證測(cè)試。
圖2：經(jīng)過(guò)預(yù)先認(rèn)證的低功耗藍(lán)牙模塊方便了認(rèn)證過(guò)程，允許主機(jī)產(chǎn)品搭載Bluetooth Smart標(biāo)識(shí)。
(沒(méi)有經(jīng)過(guò)藍(lán)牙工業(yè)組織的認(rèn)證就使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)也是可以的。如果產(chǎn)品不需要作為Bluetooth Smart設(shè)備推銷給第三方，這種做法是合適的。所有新的射頻產(chǎn)品都要求獲得與射頻輻射和EMI一致性相關(guān)的法規(guī)批準(zhǔn))。
與經(jīng)典藍(lán)牙相比，低功耗藍(lán)牙無(wú)疑是更容易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。但設(shè)計(jì)任務(wù)也不簡(jiǎn)單，需要在設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)資源方面做出許多OEM廠商承受能力范圍之外的投資。
那么，使用專門的低功耗藍(lán)牙模塊在多大程度上能減輕與基于芯片組的設(shè)計(jì)相關(guān)的問(wèn)題呢？
減少設(shè)計(jì)成本、時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)
使用集成化藍(lán)牙模塊消除與使用芯片組相關(guān)的所有設(shè)計(jì)任務(wù)是可能的。這怎么做到的呢？
首先，射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該是不需要的。包括天線在內(nèi)的所有射頻電路都被封裝在模塊內(nèi)(見圖1)。只有一個(gè)射頻設(shè)計(jì)約束條件：由于模塊包含低功耗藍(lán)牙天線，必須不被屏蔽，因此設(shè)備外殼應(yīng)該用塑料而不是金屬制作。在集成模塊時(shí)，硬件設(shè)計(jì)功能一般僅限于向系統(tǒng)的主要微控制器提供電源和USB或UART接口。
另外，和模塊一起提供的還有完整的低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧。一個(gè)高集成度模塊將包含嵌入式微控制器，其主要功能是運(yùn)行協(xié)議棧。
很明顯，協(xié)議棧提供了控制低功耗藍(lán)牙射頻傳送的方法。同樣，模塊應(yīng)使得控制功能容易實(shí)現(xiàn)。理想情況下，棧函數(shù)將被抽象出來(lái)，放進(jìn)設(shè)計(jì)師熟悉的標(biāo)準(zhǔn)指令集，如調(diào)制解調(diào)器用戶熟悉的AT命令。這意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以將模塊中的協(xié)議棧看作是一個(gè)黑盒子；幾乎不需要棧操作的任何知識(shí)。
使用模塊還可以消除與一致性和認(rèn)證相關(guān)的所有設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。所提供的模塊應(yīng)是經(jīng)過(guò)‘預(yù)先認(rèn)證了的’。作為一個(gè)憑借自身能力可以獨(dú)立工作的器件，在射頻輻射方面應(yīng)該通過(guò)了所有合適的全球標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。
假如OEM設(shè)計(jì)師遵循有關(guān)輸入電源、版圖和外殼的模塊制造商指南，那么內(nèi)嵌模塊的完整終端產(chǎn)品可確保通過(guò)所有要求的一致性和認(rèn)證測(cè)試(見圖2)。
因此使用低功耗藍(lán)牙模塊可以給OEM設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)減少設(shè)計(jì)成本、設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的好處。
權(quán)衡考量
每個(gè)OEM廠商都會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)成本和單位成本做出自己的權(quán)衡考量：在某個(gè)生產(chǎn)批量，與芯片組相比模塊的額外單位成本將超出在主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)集成模塊所減少的設(shè)計(jì)成本。
此外，模塊提供固定的功能集，比如支持藍(lán)牙4.x規(guī)范中定義的某些工作模式或“配置”。極少數(shù)應(yīng)用可能會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)成商用的低功耗藍(lán)牙模塊提供的功能不能滿足它們的要求。
然而，工業(yè)設(shè)計(jì)師應(yīng)該注意，不要低估了基于芯片組的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中涉及的射頻設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和認(rèn)證任務(wù)的工作量。雖然低功耗藍(lán)牙是一種比經(jīng)典藍(lán)牙更簡(jiǎn)單的技術(shù)，但它本身并不簡(jiǎn)單——除非設(shè)計(jì)是基于集成化模塊的。
