低功耗蓝牙设计 101

低功耗蓝牙或 BLE——又称为智能蓝牙——已成为互联可穿戴设备、智能电器和接近标签的关键促进因素。 短程无线标准旨在通过更快的连接降低功耗，从而以较低的延时，传输较少量的数据。

智能蓝牙旨在仅使用传统蓝牙连接约十分之一的功耗，这表明需要采用大量的技术工作才能将这一无线连接机制用于外形尺寸较小的应用（图 1）。

智能蓝牙采用 1Mbit/s 的链接比特率以及 800 Kbit/s 的应用吞吐量。 其中，相比传统蓝牙规格的 100 ms，下降的比特率被下降至 6 ms 的延时所抵消。 这些创新让智能蓝牙从智能手表和腕带等常用可穿戴设计的连接方式，进入更广泛的可穿戴和物联网 (IoT) 应用。

图 1：智能蓝牙或 BLE 已从现有协议演变，以服务于可穿戴和 IoT 设备（Aislelabs 供图）。

例如，虚拟现实 (VR) 运动游戏平台中的可穿戴传感器目前正使用智能蓝牙连接以最低延时向无线耳机传输数据。 还有助听器，它们采用 BLE 连接进行声音调节、发出警报、检查电池状态、以及通过智能手机进行音色变换。

智能蓝牙技术还在其他领域流行，如信标，远程传感器和可穿戴生物特征护照，在这些领域中它正在促成众多移动广告和商务、票务、门禁和其他安全应用。 在此，采用智能蓝牙的设备——智能手机、笔记本等——能在 5 米或 30 米半径范围内监控任何带标签设备的位置、加速度和距离。

现在，最新版的蓝牙 v4.2 规格可让更多设备或“物体”在超连接世界中相互连接，为下一代可穿戴和 IoT 应用奠定基础。 作为第一步，它将最高数据速率扩展到 800 Kbit/s，速度比之前的版本快 2.6 倍，并且允许更快地从传感器获得数据日志和支持更快的固件更新。

简化 BLE 设计

新兴端到端 BLE 解决方案——将芯片应用推广到软件堆栈再到模块——正在为 BLE 设计带来从连接性、安全性到功耗的关键改进。 由于已经清楚它对 IoT 而言是一项重大挑战，因此我们先从安全性着手。

蓝牙 v4.2 带来大量安全升级，同时也让通过蓝牙连接对设备进行追踪变得更加困难。 首先，它为传统蓝牙级别带来验证机制，并且仅在连接完全安全时才允许进行设备配对。

其次，它提供自动配对和双模块通信，这使得开放模式下的配对更加容易，并且在封闭模式下需要更高的数据传输安全性。 在安全性和功率效率之间，另一个关键特性要求信标或接近标签必须从要通信的设备获得权限。

这种隐私和筛选特性让智能蓝牙芯片组仅在识别为可信任的物体出现在用户附近时才被唤醒。 并且，新的 BLE 子系统消耗增量功率，同时它们在不使用时将自动关闭，从而节能。

图 2：高度集成的蓝牙 SoC 和模块允许您快速将 BLE 链路加入到您的可穿戴和 IoT 设计中。 （图片来源：Cypress Semiconductor）

现在，智能蓝牙芯片组能在各种电源模式（活动、睡眠、深度睡眠、休眠和停止）下切换以保持功耗控制。 例如，蓝牙芯片清楚当 CPU 关闭时何时让设备进入“深度睡眠”模式，但 BLE 连接仍然活动。

当处于深度睡眠模式时，智能蓝牙芯片消耗不到 500 nA，同时仍在保留存储器中保持数据。 另一方面，休眠和停止模式断开连接，同时允许芯片消耗纳安级的电流。

如前所述，开发成本和电路板空间是 BLE 设计面临的另外两大挑战。 在此，单芯片蓝牙解决方案和兼容最新版蓝牙规范的高度集成模块将帮助设计人员优化电路板空间，并通过更低的 BOM 和更少的开发时间节省成本。

单芯片 BLE 解决方案

从资产和功率效率而言，采用多芯片与 BLE 设计背道而驰，因此需要考虑超低功耗片上系统 (SoC)，它结合了创新处理器架构与多协议无线电路，可降低成本、基底面和功耗。

在这些 SOC 中，板载处理器可处理控制功能，如在特定时间执行符合特定需求的功率模式。 然后，借助充足的存储器容量，它可运行符合条件的智能蓝牙协议栈，其中包括安全性协议栈和多个配置文件。 单 IC 也可为数据存储和客户应用软件提供存储空间。 将这些功能都在电路板上实现，就不需要第二个微控制器，并可消除相关成本、功耗和数据接口功率损失。

接下来，多协议蓝牙无线电允许设计人员优化关键任务数据传输的 BLE 链路，并同时支持低延时应用，如采用 2.4 GHz 专有协议的音频流。 信号强度提升和多种数据传输方法可帮助您降低电池寿命消耗，同时又可保持传输范围稳定。

当然，若您在蓝牙或 RF 设计方面的经验有限，高度集成的 SoC 可帮助您解决常见设计难题，并可以方便地将 BLE 连接加入到您的设计中。 并且，蓝牙 SoC 可提供更好的无线电灵敏度、更大的范围，最重要的是，它还具有全自动功率管理系统。

图 3：Cypress 低功耗蓝牙 SoC 面向基于传感器的可穿戴和 IoT 应用。

Cypress Semiconductor 的 PSoC 4 BLE 芯片组就是很好的例子。 它集成了模拟前端、数字逻辑、智能蓝牙无线电以及称作 CapSense 的电容式传感器。 该芯片组基于 ARM® Cortex®-M0 处理器，也包含与蓝牙 4.2 规范兼容的免费 BLE 协议栈。

Cypress 从模块开始，致力于打造围绕 PSoC 4 的全套设计生态系统，从而为您提供便利。 EZ-BLE PSoC 模块包括打造即插即用蓝牙子系统所需的 PSoC 4 BLE 芯片、天线、晶体和所有必要的无源元件。

图 4：Cypress Semiconductor 的 EZ-BLE 模块包括全系列完全集成的认证型可编程模块，带有板载晶体、追踪天线、扩展板和无源元件，可简化并加快设计。 10 x 10 x 1.80 mm 模块看上去比美分硬币还要小。

此外，Cypress 可提供评估板，允许工程设计人员在 EZ-BLE PSoC 模块上进行开发并评估应用。 通过将 GPIO 布线到像 CapSense、LED 和开关之类元器件，评估板可帮助您轻松创建原型。 基于此，它还包括 PSoC Creator 快速设计图形用户界面（图 5）。

图 5：Cypress PSoC Creator 工具有助于加快设计速度，此例为带有自定义模拟前端 (AFE) 的 BLE 心率监视器。 （图片来源：Cypress Semiconductor）

该工具可通过在图形界面以拖放方式提供预建元件，设计完成后，即可为原理图中每个元器件生成一套应用编程接口 (API)。 BLE 元器件可简化堆栈和配置文件的配置。

模块：完整的 BLE 子系统

Atmel、Cypress 和 Silicon Labs 等智能蓝牙 SoC 提供商也提供各种模块，这对设计人员很有帮助。 这对提供商也有益处，因为它们需要对 IC 进行创新，并在成本、封装和节能方面为您提供更多价值。 正因如此，在为可穿戴和 IoT 产品交付全套硬件子系统方面，BLE 模块真正走在了未来设计的前沿。

这类模块包含开发基于 BLE 的应用所需的全部硬件和固件。 它们结合了含天线的智能蓝牙 SoC 以及连接外设和传感器的接口。 这些模块都已预先经过验证，允许设计人员绕过复杂的天线设计和批准流程。

这就是说，通过蓝牙天线处理 RF 通信仍然比较棘手。 因为需要在具体位置通过具体输出配置文件进行实施，因此天线设计在蓝牙中非常关键。 否则，若天线被放置在电路板上的错误位置，则会严重影响性能（输出辐射功率和接收灵敏度），继而影响电池寿命。

现在，大量 BLE 模块与前端集成，其中结合了陶瓷芯片天线、低通滤波器以及匹配的平衡不平衡转换器。 平衡不平衡转换器通过在平衡和非平衡模式之间转换信号进行天线匹配。 这可显著降低杂散发射和谐波，反过来，让可穿戴设计降低整体设计封装。

例如，Skyworks Solutions 的 SKY66111-11 前端模块 (FEM) 包含 TX/RX 和天线开关、滤波器和放大器（图 6）。 该模块常见于 Nordic Semiconductor、Dialog Semiconductor、Texas Instruments 和其他厂商出品的蓝牙无线电。 前端模块消除了与主机蓝牙 IC 的连接不良，并将 +10 dBm 下的功耗降至 10 mA。

图 6：Skyworks Solutions 的 SKY66111-11 是 RF 前端模块 (FEM) 的一个良好示例，您可将其加入到 SoC 以扩展范围。 它看上去简单，却高度集成。具体表现为，可在 RF 领域发挥关键作用。

Cypress EZ-BLE 模块尺寸为 10 x 10 mm，Skyworks FEM 仅增加 3.3 x 3.0 mm，甚至带了 20 个引脚。 其工作电压范围从 1.8 到 5 V，并且睡眠电流低于 1 µA。 使用时应当心，不要对输入端施加过多 RF，以免使开关过载。 而应是，从输入功率 -20 dBm 开始，并逐渐提高。

接下来，采用 Silicon Labs 的 Blue Gecko BGM113 低功耗模块，它结合了 2.4 GHz Blue Gecko 无线芯片组和高效芯片天线，可最大程度减少开发时间和工作量。 该模块带有兼容蓝牙 4.1 的软件堆栈，但软件可升级到蓝牙 4.2。 此外，Silicon Labs 还提供开发工具，如 Energy Profiler 和 Packet Trace。

图 7：Silicon Labs 的 Blue Gecko BGM113 模块是预先组装并通过测试的平台，带有板载堆栈、天线和认证书。

BGM113 配备自有 DC-DC 转换器，也注重安全性，采用自主硬件加密加速器和真随机数发生器 (TRNG)。

结论

显然，在快速可靠占有市场方面，智能蓝牙模块和相应的前端模块是通向成功的绝佳路径。 设计人员了解它，供应商和生产商也了解它，并且在提供必要的支持系统和软件生态系统，以推动更快的创新。 当涉及到创新的可穿戴设备、互联家居和大量其它 IoT 应用时，综合考虑布局、匹配元器件和软件开发的细节，您就能胜券在握。