【導(dǎo)讀】低功耗藍(lán)牙(LE)正在獲得越來越多元件與模塊供應(yīng)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(shè)備連接到未來數(shù)十億臺智能手機、平板電腦和筆記本電腦的簡單方法。那么實現(xiàn)超低功耗藍(lán)牙設(shè)計面臨的主要挑戰(zhàn)在哪呢？
然而事實上，電子設(shè)計工程師已經(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)勢嗎？
事實上確實有優(yōu)勢——如果涉及的應(yīng)用需要短脈沖數(shù)據(jù)傳輸和長電池壽命的話。但設(shè)計工程師只有針對他們的應(yīng)用和市場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)牙帶來的優(yōu)勢。
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)計用于為音頻流和其它數(shù)據(jù)流提供永遠(yuǎn)在線的無線管道，并且支持高達(dá)3Mbps的數(shù)據(jù)速率。不過同時經(jīng)典藍(lán)牙也具有復(fù)雜的協(xié)議棧，建立和保持兩個配對設(shè)備之間的連接時比較麻煩。
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——因為其工作模式支持設(shè)備處于深度睡眠模式，即在大部分時間內(nèi)射頻部分是斷電狀態(tài)。
換句話說，低功耗藍(lán)牙并不是經(jīng)典藍(lán)牙的低功耗版本，它實現(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。這意味著過去普遍配備經(jīng)典藍(lán)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(lán)牙和低功耗藍(lán)牙功能(通過認(rèn)證的低功耗藍(lán)牙設(shè)備將貼‘Bluetooth Smart''標(biāo)志)。
對工業(yè)電子系統(tǒng)設(shè)計師來說低功耗藍(lán)牙的主要吸引力表現(xiàn)為：第一次有一種簡單便宜的無線技術(shù)能在電池供電的從設(shè)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(yīng)用包括健身監(jiān)視器等“應(yīng)用配件”、心率監(jiān)視器和脈搏血氧計等個人健康護理設(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， 其簡單的射頻部分很容易實現(xiàn)。
對工業(yè)電子設(shè)計師來說這意味著他們的系統(tǒng)架構(gòu)可以基于低功耗藍(lán)牙芯片組進行設(shè)計。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。因此與采用較昂貴但更高集成度的模塊進行系統(tǒng)設(shè)計相比，基于芯片組的設(shè)計似乎可以為用戶提供更具競爭力的優(yōu)勢。
那么從頭開始實現(xiàn)一個低功耗藍(lán)牙設(shè)計有多容易呢？
當(dāng)然，低功耗藍(lán)牙芯片組的制造商會提供卓越且高度優(yōu)化的產(chǎn)品。對許多OEM廠商來說問題是，這些產(chǎn)品只是針對一個方面作了優(yōu)化，即低的單位成本。這意味著它們并沒有針對易用性、簡易性或集成度進行優(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)十萬或數(shù)百萬個。對大批量OEM廠商來說關(guān)鍵的設(shè)計約束是材料清單(BOM)成本。他們能夠負(fù)擔(dān)將設(shè)計資源投入于使用低成本分立元件(包括射頻芯片組)實現(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計。
任何源自于聲譽良好的供應(yīng)商的芯片組當(dāng)然有很好的功能，單位成本也極具競爭力。但采用芯片組的低功耗藍(lán)牙實現(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
2.協(xié)議軟件設(shè)計
3.一致性測試與認(rèn)證
射頻系統(tǒng)設(shè)計
低功耗藍(lán)牙芯片組包含一個2.4GHz的收發(fā)器和一個基帶控制器。芯片組必須集成進系統(tǒng)設(shè)計，才能在要求的距離范圍內(nèi)實現(xiàn)可靠的通信。因此關(guān)鍵設(shè)計任務(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)計電路板版圖。這種設(shè)計必須考慮干擾源，并確保不降低射頻的靈敏度。系統(tǒng)設(shè)計的這部分需要資深的射頻專業(yè)知識。
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行低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧。芯片組制造商一般向用戶免費提供協(xié)議棧“參考設(shè)計”：但這不是一個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)計的起點。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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一致性測試和認(rèn)證
所有新的射頻產(chǎn)品都要求經(jīng)過全面的測試以驗證：
1. 它們的射頻輻射在允許的頻率和功率電平范圍內(nèi)；
2.它們不會在允許頻段范圍之外產(chǎn)生干擾
由獨立實驗室開展的測試既昂貴又耗時。設(shè)計團隊經(jīng)常會承受成本風(fēng)險和超時限風(fēng)險，因為設(shè)計第一次通不過一致性測試很常見。
如果OEM廠商想在設(shè)備上張貼‘Bluetooth Smart''標(biāo)志，那也需要經(jīng)過獨立的藍(lán)牙驗證，以確認(rèn)產(chǎn)品符合規(guī)范要求。同樣，一致性設(shè)計很昂貴，并且需要經(jīng)過一整套Bluetooth Smart認(rèn)證測試。
圖2：經(jīng)過預(yù)先認(rèn)證的低功耗藍(lán)牙模塊方便了認(rèn)證過程，允許主機產(chǎn)品搭載Bluetooth Smart標(biāo)識。
(沒有經(jīng)過藍(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)牙無疑是更容易實現(xiàn)的技術(shù)。但設(shè)計任務(wù)也不簡單，需要在設(shè)計時間和設(shè)計資源方面做出許多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)計相關(guān)的問題呢？
減少設(shè)計成本、時間和風(fēng)險
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)計任務(wù)是可能的。這怎么做到的呢？
首先，射頻系統(tǒng)設(shè)計應(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)。只有一個射頻設(shè)計約束條件：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，硬件設(shè)計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(lán)牙射頻傳送的方法。同樣，模塊應(yīng)使得控制功能容易實現(xiàn)。理想情況下，棧函數(shù)將被抽象出來，放進設(shè)計師熟悉的標(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)計師可以將模塊中的協(xié)議?？醋魇且粋€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(rèn)證相關(guān)的所有設(shè)計風(fēng)險。所提供的模塊應(yīng)是經(jīng)過‘預(yù)先認(rèn)證了的’。作為一個憑借自身能力可以獨立工作的器件，在射頻輻射方面應(yīng)該通過了所有合適的全球標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。
假如OEM設(shè)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(nèi)嵌模塊的完整終端產(chǎn)品可確保通過所有要求的一致性和認(rèn)證測試(見圖2)。
因此使用低功耗藍(lán)牙模塊可以給OEM設(shè)計團隊帶來減少設(shè)計成本、設(shè)計時間和設(shè)計風(fēng)險的好處。
權(quán)衡考量
每個OEM廠商都會對設(shè)計成本和單位成本做出自己的權(quán)衡考量：在某個生產(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(tǒng)內(nèi)集成模塊所減少的設(shè)計成本。
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)計師應(yīng)該注意，不要低估了基于芯片組的設(shè)計實現(xiàn)中涉及的射頻設(shè)計、軟件設(shè)計和認(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)牙更簡單的技術(shù)，但它本身并不簡單——除非設(shè)計是基于集成化模塊的。
