實(shí)現超低功耗藍牙設計面臨的主要挑戰

低功耗藍牙(LE)正在獲得越來(lái)越多元件與模塊供應商的支持。這也難怪：因為這種超低功耗的短距離射頻技術(shù)提供了將任何從設備連接到未來(lái)數十億臺智能手機、平板電腦和筆記本電腦的簡(jiǎn)單方法。

然而事實(shí)上，電子設計工程師已經(jīng)非常熟悉各種工業(yè)標準的短距離射頻技術(shù)，比如ZigBee和Wi-Fi。那么低功耗藍牙與這些已有標準相比有優(yōu)勢嗎?

事實(shí)上確實(shí)有優(yōu)勢——如果涉及的應用需要短脈沖數據傳輸和長(cháng)電池壽命的話(huà)。但設計工程師只有針對他們的應用和市場(chǎng)做出了正確的元器件選擇，他們才能發(fā)揮使用低功耗藍牙帶來(lái)的優(yōu)勢。

有些是新的，有些是舊的

盡管與經(jīng)典藍牙共享相同的‘藍牙’名字，但低功耗藍牙在許多重要方面都有不同。經(jīng)典藍牙設計用于為音頻流和其它數據流提供永遠在線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)管道，并且支持高達3Mbps的數據速率。不過(guò)同時(shí)經(jīng)典藍牙也具有復雜的協(xié)議棧，建立和保持兩個(gè)配對設備之間的連接時(shí)比較麻煩。

低功耗藍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(kāi)特別快，并且能夠間歇性地傳送短脈沖數據。它可以實(shí)現非常低的功耗——單粒鈕扣電池可以工作數月甚至數年——因為其工作模式支持設備處于深度睡眠模式，即在大部分時(shí)間內射頻部分是斷電狀態(tài)。

換句話(huà)說(shuō)，低功耗藍牙并不是經(jīng)典藍牙的低功耗版本，它實(shí)現了完全不同的功能。

低功耗藍牙與經(jīng)典藍牙共享2.4GHz頻段、天線(xiàn)和協(xié)議棧的某些組成部分。因此經(jīng)典藍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牙功能。這意味著(zhù)過(guò)去普遍配備經(jīng)典藍牙的智能手機、平板電腦和筆記本電腦今后將普遍具備經(jīng)典藍牙和低功耗藍牙功能(通過(guò)認證的低功耗藍牙設備將貼‘Bluetooth Smart'標志)。

對工業(yè)電子系統設計師來(lái)說(shuō)低功耗藍牙的主要吸引力表現為：第一次有一種簡(jiǎn)單便宜的無(wú)線(xiàn)技術(shù)能在電池供電的從設備和智能手機、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)勢的應用包括健身監視器等“應用配件”、心率監視器和脈搏血氧計等個(gè)人健康護理設備、門(mén)禁控制系統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牙的吸引力：支持低功耗藍牙的獨立芯片組和高集成度模塊已經(jīng)有現成的。藍牙專(zhuān)門(mén)興趣小組(SIG)的支持者們認為，低功耗藍牙的部分吸引力是， 其簡(jiǎn)單的射頻部分很容易實(shí)現。

對工業(yè)電子設計師來(lái)說(shuō)這意味著(zhù)他們的系統架構可以基于低功耗藍牙芯片組進(jìn)行設計。畢竟與等效的集成模塊相比，芯片組具有顯著(zhù)的單位成本優(yōu)勢。因此與采用較昂貴但更高集成度的模塊進(jìn)行系統設計相比，基于芯片組的設計似乎可以為用戶(hù)提供更具競爭力的優(yōu)勢。

那么從頭開(kāi)始實(shí)現一個(gè)低功耗藍牙設計有多容易呢?

硬件和軟件設計問(wèn)題

當然，低功耗藍牙芯片組的制造商會(huì )提供卓越且高度優(yōu)化的產(chǎn)品。對許多OEM廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)問(wèn)題是，這些產(chǎn)品只是針對一個(gè)方面作了優(yōu)化，即低的單位成本。這意味著(zhù)它們并沒(méi)有針對易用性、簡(jiǎn)易性或集成度進(jìn)行優(yōu)化。

低功耗藍牙芯片組主要用于大批量產(chǎn)品，其批次數量可達到數十萬(wàn)或數百萬(wàn)個(gè)。對大批量OEM廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)關(guān)鍵的設計約束是材料清單(BOM)成本。他們能夠負擔將設計資源投入于使用低成本分立元件(包括射頻芯片組)實(shí)現的系統設計。

任何源自于聲譽(yù)良好的供應商的芯片組當然有很好的功能，單位成本也極具競爭力。但采用芯片組的低功耗藍牙實(shí)現給大多數電子OEM廠(chǎng)商提出了相當大的挑戰。這些挑戰分成以下幾大類(lèi)：

1.射頻系統設計

2.協(xié)議軟件設計

3.一致性測試與認證

射頻系統設計

低功耗藍牙芯片組包含一個(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)系統設計，才能在要求的距離范圍內實(shí)現可靠的通信。因此關(guān)鍵設計任務(wù)包括配置和放置天線(xiàn)、將連接路由到射頻子系統以及設計電路板版圖。這種設計必須考慮干擾源，并確保不降低射頻的靈敏度。系統設計的這部分需要資深的射頻專(zhuān)業(yè)知識。

圖1：Microchip公司的RN4020模塊集成了包括天線(xiàn)在內完整的低功耗藍牙射頻電路。RN4020采用密封的10mm x17mm x 2mm封裝，內置有板載陶瓷天線(xiàn)、2.4GHz的低功耗藍牙收發(fā)器、帶完整的嵌入式低功耗藍牙協(xié)議棧的微控制器以及UART和USB接口。

協(xié)議軟件設計低功耗藍牙設備通常必須在系統的主要微控制器上運行低功耗藍牙協(xié)議棧。芯片組制造商一般向用戶(hù)免費提供協(xié)議棧“參考設計”：但這不是一個(gè)完整的馬上可以使用的棧;應該將它看作是用戶(hù)自己的棧設計的起點(diǎn)。同樣，棧開(kāi)發(fā)要求專(zhuān)門(mén)的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)技巧。

一致性測試和認證

所有新的射頻產(chǎn)品都要求經(jīng)過(guò)全面的測試以驗證：

1. 它們的射頻輻射在允許的頻率和功率電平范圍內;

2.它們不會(huì )在允許頻段范圍之外產(chǎn)生干擾

由獨立實(shí)驗室開(kāi)展的測試既昂貴又耗時(shí)。設計團隊經(jīng)常會(huì )承受成本風(fēng)險和超時(shí)限風(fēng)險，因為設計第一次通不過(guò)一致性測試很常見(jiàn)。

如果OEM廠(chǎng)商想在設備上張貼‘Bluetooth Smart'標志，那也需要經(jīng)過(guò)獨立的藍牙驗證，以確認產(chǎn)品符合規范要求。同樣，一致性設計很昂貴，并且需要經(jīng)過(guò)一整套Bluetooth Smart認證測試。

圖2：經(jīng)過(guò)預先認證的低功耗藍牙模塊方便了認證過(guò)程，允許主機產(chǎn)品搭載Bluetooth Smart標識。

(沒(méi)有經(jīng)過(guò)藍牙工業(yè)組織的認證就使用低功耗藍牙技術(shù)也是可以的。如果產(chǎn)品不需要作為Bluetooth Smart設備推銷(xiāo)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)的法規批準)。

與經(jīng)典藍牙相比，低功耗藍牙無(wú)疑是更容易實(shí)現的技術(shù)。但設計任務(wù)也不簡(jiǎn)單，需要在設計時(shí)間和設計資源方面做出許多OEM廠(chǎng)商承受能力范圍之外的投資。

那么，使用專(zhuān)門(mén)的低功耗藍牙模塊在多大程度上能減輕與基于芯片組的設計相關(guān)的問(wèn)題呢?

減少設計成本、時(shí)間和風(fēng)險

使用集成化藍牙模塊消除與使用芯片組相關(guān)的所有設計任務(wù)是可能的。這怎么做到的呢?

首先，射頻系統設計應該是不需要的。包括天線(xiàn)在內的所有射頻電路都被封裝在模塊內(見(jiàn)圖1)。只有一個(gè)射頻設計約束條件：由于模塊包含低功耗藍牙天線(xiàn)，必須不被屏蔽，因此設備外殼應該用塑料而不是金屬制作。在集成模塊時(shí)，硬件設計功能一般僅限于向系統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，其主要功能是運行協(xié)議棧。

很明顯，協(xié)議棧提供了控制低功耗藍牙射頻傳送的方法。同樣，模塊應使得控制功能容易實(shí)現。理想情況下，棧函數將被抽象出來(lái)，放進(jìn)設計師熟悉的標準指令集，如調制解調器用戶(hù)熟悉的AT命令。這意味著(zhù)系統設計師可以將模塊中的協(xié)議?？醋魇且粋€(gè)黑盒子;幾乎不需要棧操作的任何知識。

使用模塊還可以消除與一致性和認證相關(guān)的所有設計風(fēng)險。所提供的模塊應是經(jīng)過(guò)‘預先認證了的’。作為一個(gè)憑借自身能力可以獨立工作的器件，在射頻輻射方面應該通過(guò)了所有合適的全球標準認證。

假如OEM設計師遵循有關(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證測試(見(jiàn)圖2)。

因此使用低功耗藍牙模塊可以給OEM設計團隊帶來(lái)減少設計成本、設計時(shí)間和設計風(fēng)險的好處。

權衡考量

每個(gè)OEM廠(chǎng)商都會(huì )對設計成本和單位成本做出自己的權衡考量：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系統內集成模塊所減少的設計成本。

此外，模塊提供固定的功能集，比如支持藍牙4.x規范中定義的某些工作模式或“配置”。極少數應用可能會(huì )發(fā)現現成商用的低功耗藍牙模塊提供的功能不能滿(mǎn)足它們的要求。

然而，工業(yè)設計師應該注意，不要低估了基于芯片組的設計實(shí)現中涉及的射頻設計、軟件設計和認證任務(wù)的工作量。雖然低功耗藍牙是一種比經(jīng)典藍牙更簡(jiǎn)單的技術(shù)，但它本身并不簡(jiǎn)單——除非設計是基于集成化模塊的。