超低功率藍牙設計

2004年6月A版

　　按定義，藍牙解決方案的特點(diǎn)是低成本、低功耗，并且小巧玲瓏。但實(shí)際上果真如此嗎？而且，若是果真如此，超低功率設計也能行得通嗎？

　　在理想世界中，藍牙設備開(kāi)發(fā)者的設計理念是：低功率、低成本和小尺度的完美結合。但在現實(shí)世界中，最令人擔心的是，他們將不得不以犧牲功耗指標為代價(jià)，來(lái)滿(mǎn)足其他設計指標的需求。

　　本文討論低功率藍牙解決方案，提出幾點(diǎn)設計人員必需重視的問(wèn)題：

什么是超低功率藍牙？

　　首先，我們需要定義什么是超低功率。一般說(shuō)，超低功率判據是低電流耗費和低供應電壓，即低功率消耗。

　　在大多數設計中，正常運行時(shí)電流消耗的多寡是頭等重要的。但是，使用時(shí)的待機電流和峰值電流的消耗量也相當重要。通常，應用的功率需求量決定了電池容量的研發(fā)方向，而待機功率和峰值功率的需求量則決定了電池技術(shù)的研發(fā)方向。

　　一般都認為供應電壓越低的設計越好。因而，最好討論并且比較一下，在不同操作模式下基于“能耗”的不同應用和解決方案。最終，在超低功率設計中所有參數必需綜合平衡，因為它們決定了對電池的技術(shù)要求。

藍牙簡(jiǎn)介

　　藍牙是用于多功能個(gè)人局域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)通信標準。其功能包括：全球性運作、安全性、低成本、專(zhuān)用聯(lián)網(wǎng)，等等。大多數功能已經(jīng)從其他無(wú)線(xiàn)標準像HomeRF 和 WLAN 中知道。但當仔細看一下藍牙時(shí)，有一個(gè)功能和其他無(wú)線(xiàn)標準之間并不總是通用的。這個(gè)功能就是“互操作性”。

　　不像其他無(wú)線(xiàn)標準，藍牙無(wú)線(xiàn)規范同時(shí)包括該產(chǎn)品鏈接層和應用層的兩個(gè)定義。符合同一應用層規范——“藍牙配置文件”——的所有藍牙設備都可以相互通話(huà)。這意味著(zhù)，只要符合“藍牙配置文件”，不同廠(chǎng)商的產(chǎn)品可以確保相互溝通，實(shí)現“互操作性”。                        

　　把便攜式應用或便攜式外設連到一個(gè)通信節點(diǎn)上，可以作為一種典型的藍牙用戶(hù)模型。當前，這些節點(diǎn)通常是筆記本電腦或手機。由此看來(lái)，可以很自然地定義兩類(lèi)應用：通信節點(diǎn)和便攜式外設。

應用和功率

　　通信節點(diǎn)有虛擬的無(wú)限制功率分配。因而電池的尺寸被全部用途而不是只被藍牙功能所決定?；谒{牙的打印機和家用電器之類(lèi)的外設以及各種應用，是通信節點(diǎn)最典型的范例。

　　在某些通信節點(diǎn)中，雖然它們以電池供電，但因為與核心應用相比，適用于藍牙子系統的功率分配次要得多，所以藍牙功耗并不很重要。在這種情況下，核心應用是確定電池尺寸的主要因素。以下是幾個(gè)范例：                        

　　筆記本電腦—電池的能耗主要用于顯示。因而附加裝置不再要求低電壓或是低電流消耗。

　　USB端口—用有線(xiàn)的 USB 端口時(shí)無(wú)需藍牙解決方案，USB 端口能夠傳送的電流和電壓值高達 1.5 A 和 5 V，因而也不要求低電壓或低電流消耗。

　　手機—射頻功率放大器仍舊是確定能耗從而也是確定電池技術(shù)的主要因素。并且，既然傳輸功率通常已經(jīng)決定了總功率大小，就不需要再包含超低功率設計(包含固然不失為好事)。另外，低電流消耗當然是好事，但低電壓實(shí)際上并不需要，因為一般電池電壓就是 3.6 V 左右。

便攜式外設

　　比較起來(lái)，基于藍牙的便攜式外設使用小藍牙配置文件，并且電池技術(shù)和容量幾乎總是被藍牙裝置的功耗所決定。藍牙功耗的任何減少都可以在總功率分配中直接看到。

　　因而，正如下列便攜式外設明顯地受益于專(zhuān)用的超低功率設計：

　　cF/SD/MS/SM 等接口卡——這些卡一般接在使用小功率電源的袖珍便攜式設備上，例如PDA 和數碼相機。此處，只要不被其中的電池所限，電壓為 3 V 時(shí)電流消耗大于 150 mA。因而低功耗、特別是低電流消耗是十分必要的。如為低電壓則更好，但實(shí)際上并不需要，因為一般電池電壓是 3 V。

　　頭戴裝置——一般認為，電池的大小決定了頭戴裝置的大小，甚至在最新的藍牙頭戴裝置解決方案中同樣如此。它意味著(zhù)超低能耗也是十分必要的，對整體應用，低電壓(純手機系統為 1.0 V 至 1.5 V)和低功耗都必不可少。

　　人機接口設備——通常包括鍵盤(pán)和鼠標。再強調一下，可以理解，對于無(wú)線(xiàn)鼠標，一般 6 個(gè)月或更久的電池壽命應當是強制性的。隨之而來(lái)的問(wèn)題是，如何保持電池盡可能地小。對于鍵盤(pán)電池并不很重要，由于要承載較高的能耗，電池可以稍大。

設計工程師不得不割?lèi)?ài)哪些高新技術(shù)？

　　在設計工作中，要協(xié)調不同用戶(hù)的產(chǎn)品并不容易。

　　為得到最低功耗解決方案，常常需要組合來(lái)自不同專(zhuān)有資源的設備和工具。當不同廠(chǎng)家硬件和軟件混用時(shí)，“互操作性”的問(wèn)題經(jīng)常會(huì )出現。

　　要鋪平這條道路，就需要降低功率設計包括藍牙協(xié)議堆棧的門(mén)檻。進(jìn)而，使用 ARM7 控制器可以免除應用問(wèn)題，使開(kāi)發(fā)人員無(wú)需再去簽訂把藍牙協(xié)議堆棧用于平臺的合同。對完整的低功率設計，理解新技術(shù)環(huán)境(各公司只遞送藍牙協(xié)議堆棧軟件)的方法還是不夠的。藍牙協(xié)議堆棧軟件常常是通用的，并且完全不是“把需求的存儲空間降至最低”的優(yōu)化解決方案。

　　低成本和低功率藍牙解決方案要求藍牙上層協(xié)議堆棧代碼生成器，它自動(dòng)生成優(yōu)化的上層協(xié)議堆棧軟件。這個(gè)工具使工程師能指定應用環(huán)境，例如，主機控制器類(lèi)型、外設和要求的配置文件，并且該工具生成專(zhuān)供這個(gè)特殊應用的代碼。顯然，這個(gè)工具應當支持幾個(gè)硬件平臺，允許開(kāi)發(fā)人員選擇最適用的解決方案。

除了成本，尺寸也關(guān)鍵

　　最后一個(gè)但不是最不重要的問(wèn)題是，當前適用的整合水平還不夠高。不僅要降低成本，還要縮小尺寸，并使之便于應用，這些都是促進(jìn)整合解決方案提升的主要因素。

　　較短的產(chǎn)品壽命直接促成了更短的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間。工程師們不得不在他們的設計中選擇適用的、合格的組件，特別是采用基于藍牙附件功能并且不屬于本公司核心能力的標準組件。這樣可以降低項目的風(fēng)險，并且縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。

　　最新的打包技術(shù)像 LTCC 和 HTCC 的用法是拾級而上的一條途徑?；谀切┘夹g(shù)，甚至關(guān)鍵的無(wú)源組件也可以被整合成越來(lái)越接近真實(shí)方便、即插即用的藍牙模塊的優(yōu)化。

設計人員和終端用戶(hù)會(huì )得到什么？

　　毋庸置疑，當今市場(chǎng)的推手是移動(dòng)通信。頭戴裝置銷(xiāo)量節節上升是移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)增長(cháng)、健康問(wèn)題(電子煙霧)和官方規定的必然結果。而且，世界各國都在推動(dòng)駕駛車(chē)輛時(shí)禁用手機的立法。這預示著(zhù)車(chē)輛裝備藍牙的方案可望普及推廣。當今，BMW、DaimlerChrysler、Saab、Citroen 等便是宣布進(jìn)軍藍牙汽車(chē)領(lǐng)域的少數幾家制造商。

　　某些預言家認為，車(chē)載通信不會(huì )是決定藍牙遠期的成敗利鈍。但幾乎毫無(wú)疑問(wèn)，它是藍牙必經(jīng)之路上的一大關(guān)口。如果藍牙在汽車(chē)內能夠成功，它將會(huì )有力地推動(dòng)整個(gè)藍牙消費應用呈爆炸式成長(cháng)。

　　除了其他車(chē)內娛樂(lè )設備(游戲機、頭戴式電話(huà))，頭戴裝置將是汽車(chē)內最有吸引力的應用之一。

　　頭戴裝置將會(huì )大批量上市，供手機、PC 和 PDA 移動(dòng)設備用。一般說(shuō)，當前藍牙頭戴裝置市價(jià)為大約 100 美元起還算公平合理。但這些產(chǎn)品會(huì )不會(huì )成功，將依賴(lài)于制造商能否達到幾個(gè)關(guān)鍵性的里程碑式的標準。

　　首先，一般形成的共識是，消費水平價(jià)格需要降低到 50 美元左右。這似乎是消費者愿意為無(wú)線(xiàn)頭戴裝置功能付出的滿(mǎn)意價(jià)位。

　　其次，消費者需要知道，同其他無(wú)線(xiàn)標準相比，使用藍牙技術(shù)的安全性和各方面的好處。這包括對藍牙無(wú)線(xiàn)頭戴裝置的認同，像出色的音質(zhì)、抗射頻干擾和最后一個(gè)但并非最不重要的價(jià)格問(wèn)題。

　　另一個(gè)市場(chǎng)制約的因素自然是，消費者在購買(mǎi)藍牙技術(shù)頭戴裝置時(shí)自然要尋求舒適度。除了音質(zhì)和外殼，電池壽命也越來(lái)越重要。

　　目前，市場(chǎng)上的藍牙頭戴裝置使用不太大的電池，通話(huà)時(shí)間比 4 小時(shí)也長(cháng)不了多少。

當前的藍牙和功率

　　當討論無(wú)線(xiàn)頭戴裝置和低功率時(shí)，所用的電池技術(shù)舉足輕重。通話(huà)多的手機用戶(hù)比不常通話(huà)的用戶(hù)對電池技術(shù)的要求更為迫切。一般說(shuō)，手機用戶(hù)按使用量可以分為三級：

　　低端用戶(hù)：每天少于半小時(shí)。

　　中間用戶(hù)：每天一小時(shí)左右。

　　高端用戶(hù)：每天多于一個(gè)半小時(shí)。

　　本行業(yè)開(kāi)始注意的一個(gè)領(lǐng)域是干電池。對于不可充電的一次性電池，一個(gè)月為更換周期當前尚能接受，它可以確定下述通話(huà)和待機時(shí)間：

　　低端用戶(hù)通話(huà)時(shí)間：15 小時(shí)，待機時(shí)間：200 小時(shí)。

　　中間用戶(hù)通話(huà)時(shí)間：30 小時(shí)，待機時(shí)間：400 小時(shí)。

　　高端用戶(hù)通話(huà)時(shí)間：45 小時(shí)，待機時(shí)間：600 小時(shí)。

　　頭戴裝置功耗一旦降低到這種程度：用盡一個(gè)一次性電池，就能得到 30 小時(shí)通話(huà)時(shí)間和 400 小時(shí)待機時(shí)間(中間用戶(hù))，便可以用干電池代替可充電電池。這樣就有顯著(zhù)降低頭戴裝置成本的潛力，由于可以使用更廉價(jià)的電池技術(shù)，無(wú)需再非得提供充電器。

　　為了切實(shí)可行，藍牙頭戴耳機在全運作(同步面向連接 SCO 高質(zhì)量語(yǔ)音分組 HV3)時(shí)，功耗必需是在 15 mW 的數量級上?，F在電壓1.8 V時(shí)功耗為 25 mW的解決方案已經(jīng)接近，但還不是最終解決方案。

結語(yǔ)

　　這里對藍牙頭戴裝置的討論表明：對某些用途，認真實(shí)施超低功率藍牙設計，將不僅能降低整體成本，使藍牙設計對終端消費者更富于吸引力，它也會(huì )使任何新型“便攜式外設”的應用更具可行性。最新一代的藍牙模塊格外精致小巧?，F在的經(jīng)濟是尺度、功能和對任務(wù)適用性的經(jīng)濟，所有這些都是藍牙開(kāi)發(fā)的長(cháng)期目標?！?潘曉宇)

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將于今年3季度面市