實現(xiàn)超低功耗藍牙設(shè)計面臨的主要挑戰(zhàn)

低功耗藍牙(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。

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)揮使用低功耗藍牙帶來的優(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(shè)計用于為音頻流和其它數(shù)據(jù)流提供永遠在線的無線管道，并且支持高達3Mbps的數(shù)據(jù)速率。不過同時經(jīng)典藍牙也具有復(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，低功耗藍牙并不是經(jīng)典藍牙的低功耗版本，它實現(xiàn)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成本地在他們的器件中增加低功耗藍牙功能。這意味著過去普遍配備經(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(通過認證的低功耗藍牙設(shè)備將貼‘Bluetooth Smart'標志)。

對工業(yè)電子系統(tǒng)設(shè)計師來說低功耗藍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(xiàn)成的。藍牙專門興趣小組(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)一個低功耗藍牙設(shè)計有多容易呢?

硬件和軟件設(shè)計問題

當然，低功耗藍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。

低功耗藍牙芯片組主要用于大批量產(chǎn)品，其批次數(shù)量可達到數(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。他們能夠負擔將設(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現(xiàn)給大多數(shù)電子OEM廠商提出了相當大的挑戰(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

3.一致性測試與認證

射頻系統(tǒng)設(shè)計

低功耗藍牙芯片組包含一個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(shè)計低功耗藍牙設(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。

一致性測試和認證

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'標志，那也需要經(jīng)過獨立的藍牙驗證，以確認產(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認證測試。

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

(沒有經(jīng)過藍牙工業(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(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)。

與經(jīng)典藍牙相比，低功耗藍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)計師熟悉的標準指令集，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準認證。

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證測試(見圖2)。

因此使用低功耗藍牙模塊可以給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。