藍(lán)牙低功耗設(shè)計(jì)

藍(lán)牙低能耗無(wú)線技術(shù)利用許多智能手段最大限度地降低功耗。

藍(lán)牙2.1+EDR/3.0+HS版本(通常指“標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)”)與藍(lán)牙低能耗(BLE)技術(shù)有許多共同點(diǎn)：它們都是低成本、短距離、可互操作的魯棒性無(wú)線技術(shù)，工作在免許可的2.4GHz ISM射頻頻段。

不過(guò)它們之間有一個(gè)重要區(qū)別：藍(lán)牙低能耗技術(shù)從一開(kāi)始就設(shè)計(jì)為超低功耗(ULP)無(wú)線技術(shù)，而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)主要是能夠構(gòu)成“低功耗的”無(wú)線連接。

標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)是一種“面向連接”的無(wú)線技術(shù)，具有固定的連接時(shí)間間隔，因此是移動(dòng)電話連接無(wú)線耳機(jī)等高活動(dòng)連接的理想之選。相反，藍(lán)牙低能耗技術(shù)采用可變連接時(shí)間間隔，這個(gè)間隔根據(jù)具體應(yīng)用可以設(shè)置為幾毫秒到幾秒不等。另外，因?yàn)锽LE技術(shù)采用非?？焖俚倪B接方式，因此平時(shí)可以處于“非連接”狀態(tài)(節(jié)省能源)，此時(shí)鏈路兩端相互間只是知曉對(duì)方，只有在必要時(shí)才開(kāi)啟鏈路，然后在盡可能短的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉鏈路。

BLE技術(shù)的工作模式非常適合用于從微型無(wú)線傳感器(每半秒交換一次數(shù)據(jù))或使用完全異步通信的遙控器等其它外設(shè)傳送數(shù)據(jù)。這些設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)量非常少(通常幾個(gè)字節(jié))，而且發(fā)送次數(shù)也很少(例如每秒幾次到每分鐘一次，甚至更少)。

BLE的兩種芯片架構(gòu)

藍(lán)牙低能耗架構(gòu)共有兩種芯片構(gòu)成：?jiǎn)文Ｐ酒碗p模芯片。藍(lán)牙單模器件是藍(lán)牙規(guī)范中新出現(xiàn)的一種只支持藍(lán)牙低能耗技術(shù)的芯片——是專(zhuān)門(mén)針對(duì)ULP操作優(yōu)化的技術(shù)的一部分。藍(lán)牙單模芯片可以和其它單模芯片及雙模芯片通信，此時(shí)后者需要使用自身架構(gòu)中的藍(lán)牙低能耗技術(shù)部分進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)(參考圖1)。雙模芯片也能與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)及使用傳統(tǒng)藍(lán)牙架構(gòu)的其它雙模芯片通信。

圖1為雙模芯片將使用其架構(gòu)中的藍(lán)牙低能耗部分與單模器件通信。

雙模芯片可以在目前使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙芯片的任何場(chǎng)合使用。這樣安裝有雙模芯片的手機(jī)、PC、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備(PND)或其它應(yīng)用就可以和市場(chǎng)上已經(jīng)在用的所有傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙設(shè)備以及所有未來(lái)的藍(lán)牙低能耗設(shè)備通信。然而，由于這些設(shè)備要求執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙和藍(lán)牙低能耗任務(wù)，因此雙模芯片針對(duì)ULP操作的優(yōu)化程度沒(méi)有像單模芯片那么高。

單模芯片可以用單節(jié)鈕扣電池(如3V、220mAh的CR2032)工作很長(zhǎng)時(shí)間(幾個(gè)月甚至幾年)。相反，標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)(和藍(lán)牙低能耗雙模器件)通常要求使用至少兩節(jié)AAA電池(電量是鈕扣電池的10至12倍，可以容忍高得多的峰值電流)，并且更多情況下最多只能工作幾天或幾周的時(shí)間(取決于具體應(yīng)用)。注意，也有一些高度專(zhuān)業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙設(shè)備，它們可以使用容量比AAA電池低的電池工作。

超低功耗無(wú)線技術(shù)

藍(lán)牙低能耗技術(shù)的三大特性成就了ULP性能，這三大特性分別是最大化的待機(jī)時(shí)間、快速連接和低峰值的發(fā)送/接收功耗。

無(wú)線“開(kāi)啟”的時(shí)間只要不是很短就會(huì)令電池壽命急劇降低，因此任何必需的發(fā)送或接收任務(wù)需要很快完成。被藍(lán)牙低能耗技術(shù)用來(lái)最小化無(wú)線開(kāi)啟時(shí)間的第一個(gè)技巧是僅用3個(gè)“廣告”信道搜索其它設(shè)備，或向?qū)で蠼⑦B接的設(shè)備宣告自身存在。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)使用了32個(gè)信道。

這意味著藍(lán)牙低能耗技術(shù)掃描其它設(shè)備只需“開(kāi)啟”0.6至1.2ms時(shí)間，而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)需要22.5ms時(shí)間來(lái)掃描它的32個(gè)信道。結(jié)果藍(lán)牙低能耗技術(shù)定位其它無(wú)線設(shè)備所需的功耗要比標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)低10至20倍。

值得注意的是，使用3個(gè)廣告信道是某種程度上的妥協(xié)：這是在頻譜非常擁擠的部分對(duì)“開(kāi)啟”時(shí)間(對(duì)應(yīng)于功耗)和魯棒性的一種折衷(廣告信道越少，另外一個(gè)無(wú)線設(shè)備在選用頻率上廣播的機(jī)會(huì)就越多，就越容易造成信號(hào)沖突)。不過(guò)該規(guī)范的設(shè)計(jì)師對(duì)于平衡這種妥協(xié)相當(dāng)有信心——比如，他們選擇的廣告信道不會(huì)與Wi-Fi默認(rèn)信道發(fā)生沖突(見(jiàn)圖2)。

圖2為藍(lán)牙低能耗技術(shù)的廣告信道是經(jīng)過(guò)慎重選擇的，可以避免與Wi-Fi發(fā)生沖突。

一旦連接成功后，藍(lán)牙低能耗技術(shù)就會(huì)切換到37個(gè)數(shù)據(jù)信道之一。在短暫的數(shù)據(jù)傳送期間，無(wú)線信號(hào)將使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)倡導(dǎo)的自適應(yīng)跳頻(AFH)技術(shù)以偽隨機(jī)的方式在信道間切換(雖然標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)使用79個(gè)數(shù)據(jù)信道)。

要求藍(lán)牙低能耗技術(shù)無(wú)線開(kāi)啟時(shí)間最短的另一個(gè)原因是它具有1Mbps的原始數(shù)據(jù)帶寬——更大的帶寬允許在更短的時(shí)間內(nèi)發(fā)送更多的信息。舉例來(lái)說(shuō)，具有250kbps帶寬的另一種無(wú)線技術(shù)發(fā)送相同信息需要開(kāi)啟的時(shí)間要長(zhǎng)8倍(消耗更多電池能量)。

藍(lán)牙低能耗技術(shù)“完成”一次連接(即掃描其它設(shè)備、建立鏈路、發(fā)送數(shù)據(jù)、認(rèn)證和適當(dāng)?shù)亟Y(jié)束)只需3ms。而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)完成相同的連接周期需要數(shù)百毫秒。再次提醒，無(wú)線開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng)，消耗的電池能量就越多。

藍(lán)牙低能耗技術(shù)還能通過(guò)兩種其它方式限制峰值功耗：采用更加“寬松的”射頻參數(shù)以及發(fā)送很短的數(shù)據(jù)包。兩種技術(shù)都使用高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制，但藍(lán)牙低能耗技術(shù)使用的調(diào)制指數(shù)是0.5，而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)是0.35。0.5的指數(shù)接近高斯最小頻移鍵控(GMSK)方案，可以降低無(wú)線設(shè)備的功耗要求(這方面的原因比較復(fù)雜，本文暫不贅述)。更低調(diào)制指數(shù)還有兩個(gè)好處，即提高覆蓋范圍和增強(qiáng)魯棒性。

標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)使用的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度較長(zhǎng)。在發(fā)送這些較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)包時(shí)，無(wú)線設(shè)備必須在相對(duì)較高的功耗狀態(tài)保持更長(zhǎng)的時(shí)間，從而容易使硅片發(fā)熱。這種發(fā)熱將改變材料的物理特性，進(jìn)而改變傳送頻率(中斷鏈路)，除非頻繁地對(duì)無(wú)線設(shè)備進(jìn)行再次校準(zhǔn)。再次校準(zhǔn)將消耗更多的功率(并且要求閉環(huán)架構(gòu)，使得無(wú)線設(shè)備更加復(fù)雜，從而推高設(shè)備價(jià)格)。

相反，藍(lán)牙低能耗技術(shù)使用非常短的數(shù)據(jù)包——這能使硅片保持在低溫狀態(tài)。因此，藍(lán)牙低能耗收發(fā)器不需要較耗能的再次校準(zhǔn)和閉環(huán)架構(gòu)。

擴(kuò)展藍(lán)牙生態(tài)系統(tǒng)

藍(lán)牙低能耗技術(shù)設(shè)計(jì)非常適合由于嚴(yán)格的功耗限制而無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合。這是第一次向電子設(shè)計(jì)師提供具有嚴(yán)格互操作性的ULP無(wú)線技術(shù)，有望帶來(lái)數(shù)百種新的應(yīng)用。

一些早期的應(yīng)用跡象也許是，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)試圖通過(guò)發(fā)布首批配置(profile)進(jìn)一步補(bǔ)充藍(lán)牙版本4.0核心規(guī)范(包括了BLE)：這些配置針對(duì)諸如個(gè)人用戶(hù)接口設(shè)備(如手表)、遙控器、距離感應(yīng)告警儀、電池狀態(tài)和心率監(jiān)視器等一些應(yīng)用優(yōu)化了藍(lán)牙低能耗通用芯片。其它健康和健身監(jiān)視配置(如血糖儀和血壓計(jì)、周期性節(jié)律儀和周期性奇異電源)將隨后推出(見(jiàn)圖3)。

圖3為藍(lán)牙核心規(guī)范版本4.0定義了藍(lán)牙低能耗技術(shù)的架構(gòu)。相應(yīng)配置即將推出。

下面讓我們看一下藍(lán)牙低能耗技術(shù)是如何在以下兩種潛在應(yīng)用中發(fā)揮作用的：距離感應(yīng)告警和室內(nèi)定位(有時(shí)也稱(chēng)為室內(nèi)GPS)。

手機(jī)和便攜式PC制造商采用雙模芯片是因?yàn)檫@些芯片的價(jià)格只比標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)稍高一點(diǎn)，但能提供豐富得多的功能。手機(jī)制造商可以借此提供包含手表的安全設(shè)備。這種手表將周期性地與手機(jī)進(jìn)行通信，如果手機(jī)移到一定的范圍之外——因而無(wú)法與用戶(hù)佩戴的手表聯(lián)系——它將自動(dòng)鎖死，同時(shí)手表發(fā)出告警。這將防止手機(jī)意外丟失，并對(duì)任何潛在的小偷起到重要的震懾作用。

距離感應(yīng)告警應(yīng)用還可以延伸至便攜式電腦，當(dāng)用戶(hù)移動(dòng)到一定范圍之外時(shí)將便攜式電腦鎖定(也許當(dāng)靠近的用戶(hù)按下手表上的某個(gè)鍵時(shí)也能解鎖)。這種應(yīng)用還能用作兒童安全設(shè)備，當(dāng)兒童與父母在一定范圍內(nèi)時(shí)他們手上的手表能保持正常通信，當(dāng)兒童跑出設(shè)定范圍時(shí)發(fā)出聲音告警。

藍(lán)牙低能耗傳感器的低成本和低維護(hù)量(因?yàn)殡姵夭恍枰l繁更換)將鼓勵(lì)在公共場(chǎng)所的廣泛使用。一種關(guān)鍵應(yīng)用是室內(nèi)定位(在沒(méi)有GPS信號(hào)的地方)。此時(shí)將由分布在大型公共建筑(如機(jī)場(chǎng)或火車(chē)站)周?chē)膫鞲衅鞑粩嗟貜V播它們的位置信息。裝備了藍(lán)牙低能耗技術(shù)的手機(jī)在這個(gè)范圍內(nèi)通過(guò)時(shí)就可以向它的主人顯示這些位置信息。

傳感器還可以發(fā)送其它信息，如航班起飛時(shí)間和登機(jī)口、娛樂(lè)場(chǎng)所位置或附近商店的特價(jià)商品等(見(jiàn)圖4)。

圖4是布置在機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓周?chē)乃{(lán)牙低能耗傳感器能夠持續(xù)廣播各自的位置信息，在這個(gè)范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)的手機(jī)隨之就可以顯示這些信息。

最后步驟

有多家芯片供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)計(jì)出藍(lán)牙低能耗芯片，并向優(yōu)選客戶(hù)提供了樣品和開(kāi)發(fā)套件。目前的藍(lán)牙版本4.0規(guī)范允許這些公司自己認(rèn)證他們的芯片是否滿(mǎn)足藍(lán)牙低能耗規(guī)范。

例如，Nordic公司已可提供藍(lán)牙低能耗芯片?Blue (MicroBlue)的樣品，并為重要客戶(hù)提供?Blue原型套件。?Blue系列中的第一款產(chǎn)品是nRF8001——這是采用32引腳5x5mm QFN封裝的一種單模外設(shè)解決方案，集成了完全嵌入式無(wú)線電、鏈路控制器和主機(jī)子系統(tǒng)——非常適合手表、傳感器和遙控器等應(yīng)用(見(jiàn)圖5)。

圖5是Nordic半導(dǎo)體的?Blue nRF8001 ——一種單模外設(shè)解決方案，適合手表、傳感器和遙控器等應(yīng)用——將是市場(chǎng)上首批藍(lán)牙低能耗芯片之一。

藍(lán)牙低能耗的最后一塊拼板即將完成。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟表示第一批配置——比如距離感應(yīng)告警——將在數(shù)月內(nèi)開(kāi)始推出。這意味著電子設(shè)計(jì)師能在今年年底前拿到完全認(rèn)證過(guò)的芯片開(kāi)始實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。