Bluetooth® Low Energy系統(tǒng)的開發(fā)

 在通過與智能手機和平板終端的結合來提高利便性的應用(例如鐘表、健身/保健器材等)中，Bluetooth® LE(Low Energy)正得到迅速普及。在這些應用中，紐扣電池驅動的設備居多，為了實現(xiàn)更長的電池壽命與更高的性能，對于低功耗化的要求日益強勁。不僅如此，由于毫無無線體驗經驗的用戶也可通過身邊的智能手機等連接Bluetooth® LE，因此，Bluetooth® LE在眾多產品中的應用趨勢已勢不可擋。另一方面，要想利用以Bluetooth® LE為首的無線系統(tǒng)，必須在特定的實驗機構進行合標確認，并獲得各國規(guī)定的無線電認證。因此，在研究從零開始構建系統(tǒng)時，需要充分的無線及協(xié)議相關知識，否則，極有可能在產品即將推向市場之前遇阻停滯。

在這種情況下，ROHM(羅姆)旗下LAPIS Semiconductor開發(fā)出支持Bluetooth® LE的、實現(xiàn)業(yè)界頂級低耗電量(發(fā)送數(shù)據(jù)時9.8mA，接收數(shù)據(jù)時8.9mA，2秒間歇工作時的平均電流8μA)的LSI(ML7105-00x)。另外，取得耗時耗力的Bluetooth SIG認證和國內外無線電認證后向客戶供貨的模塊也在開發(fā)中。

在此，針對本LSI和模塊以及構建系統(tǒng)所需的示例軟件、配置文件進行介紹說明。

首先，針對Bluetooth® LE LSI(ML7105-00x)的內部結構進行說明。(圖1) 

本LSI搭載的電路塊由無線單元(RF)、調制解調器單元(MODEM)、Bluetooth® LE控制器單元、低功耗邏輯單元、電源單元(Main Reg. / Low Power Reg.)、振蕩電路單元(26MHz/32kHz)、主機接口單元(UART、I2C、SPI、GPIO)構成。各單元的主要功能分別是：無線單元提供2.4GHz數(shù)據(jù)發(fā)送電路和數(shù)據(jù)接收電路，發(fā)送系統(tǒng)通過D/A轉換器將調制解調器單元(調制器)輸入的調制信號轉換為模擬信號，再通過本地PLL與2.4GHz頻段的信號疊加。然后，通過功率放大器放大到足夠的功率作為電波由天線發(fā)射。接收系統(tǒng)輸入由天線捕捉到的各種強度的接收信號，由低噪聲放大器放大微小信號。后面的混頻器將2.4GHz頻段的頻率轉換為幾MHz左右的中間頻率，輸入到帶通濾波器，僅選擇所需信道的信號。接著，由限幅器將信號放大，傳輸給調制解調器單元(解調器)。這些無線單元的特點是，采用PLL直接調制方式，對各電路塊整體進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)更低峰值電流(10mA以下)。

然后，在控制器單元進行Bluetooth® LE數(shù)據(jù)包的編碼、解碼處理，由鏈路處理單元(LL)與協(xié)議棧(GATT/ATT/SMP/GAP/L2CAP)發(fā)現(xiàn)設備并與發(fā)現(xiàn)的設備連接并提供雙向通信。另外，通過與低功耗邏輯單元的聯(lián)動，新開發(fā)了在電源關斷時更加省電的抑制泄漏電流的電路;同時，還優(yōu)化了Bluetooth® LE的協(xié)議處理固件，縮短了數(shù)據(jù)包收發(fā)數(shù)據(jù)處理時間，使工作時的耗電量更低。然后，電源單元內置主穩(wěn)壓器和低功耗穩(wěn)壓器，在非通信時僅通過功耗更低的低功耗穩(wěn)壓器進行數(shù)據(jù)存儲。通過這些設計，實現(xiàn)了整體泄漏電流的最小化。振蕩電路單元內置主要工作用的26MHz和低功耗工作用的32kHz。特別是主要工作用26MHz振蕩電路是按Bluetooth® LE的連接間隔周期每次停動的，因此，通過調整，使從停動狀態(tài)到啟動之間的時間最短化，從而減少了待機電流。最后，主機接口單元配備了Bluetooth® LE標準化的HCI(UART)和LAPIS Semiconductor獨有的BACI(SPI)。HCI主要與PC連接，可用于無線認證試驗。BACI與安裝了Bluetooth® LE配置文件和應用程序的主機微控制器連接，提供Bluetooth® LE服務。

BACI通過簡化與主機之間的通信來降低訪問頻率。而且，在結構設計上采用通過事件使主機啟動的結構，因此，是盡可能使主機停動來抑制耗電量的設計。綜上所述，本LSI在整個結構模塊上進行了降低耗電量的設計，從而，使紐扣電池驅動3年以上連續(xù)工作成為可能。主機和堆棧結構如圖2所示。

【圖2】主機和Bluetooth® LE控制器堆棧結構

＜Bluetooth® LE模塊＞

接下來，針對Bluetooth® LE模塊的結構進行說明。(圖3)

【圖3】Bluetooth® LE模塊的外形照片和結構

本模塊在Bluetooth® LE LSI (ML7105-00x)之外還內置有Pattern ANT、RF匹配電路、EEPROM、OSC。LAPIS Semiconductor出貨時將通過Pattern ANT及RF匹配電路調整RF性能，因此，用戶無需調整即可安裝于商品中。EEPROM可存儲主要含有RF調整值、通信模式、設備地址的配置參數(shù)，并可存儲用戶自己的參數(shù)。OSC由主時鐘的26MHz晶體振蕩器和調整電路構成，已調整為Bluetooth® LE所要求的頻率精度。

該產品為將多數(shù)元器件一體化封裝的SiP(System in Package)構造，因此，可與LSI同等處理。另外，產品將通過Bluetooth SIG認證的組件測試(RF、PHY、LL、4.0HCI、L2CAP、GAP、SMP、GATT/ATT)獲得QDID后作為模塊提供給客戶，因此，作為最終產品注冊時，只需嵌入用戶準備的配置文件即可輕松登記到Bluetooth SIG官網的產品一覽中。還有，要想進行注冊工作，需要事先向Bluetooth SIG成員(創(chuàng)始成員、加盟成員、應用成員)登記。另外，該產品計劃在獲得日本國內外無線電認證后進行供貨，因此，可直接在日本國內以及獲得認證的海外地區(qū)操作Bluetooth® LE(輸出電波)，客戶可在短時間內快速導入到商品中。

為了提高LAPIS Semiconductor的Bluetooth® LE產品的導入速度與開發(fā)速度，公司準備了評估套件和示例軟件。評估套件(圖4)包含USB加密狗和無線傳感器節(jié)點，可通過PC操作Bluetooth® LE通信(各種傳感器數(shù)據(jù)接收、LED ON/OFF控制)。

【圖4】Bluetooth® LE開發(fā)評估套件

示例軟件(圖5)包含可安裝于主機微控制器的獨有配置文件VSSPP(Vendor Specific Serial Port Profile)/VSP(Vendor Specification Profile)，使用這些軟件，可通過基于UART的終端通信輕松確認P2P(對等計算，PEER-TO-PEER)的Bluetooth® LE通信控制。

此外，LAPIS Semiconductor還開設了技術支持網站。

(URL: https://www.lapis-semi.com/cgi-bin/MyLAPIS/regi/login.cgi)

該網站提供相關的數(shù)據(jù)表、用戶手冊、設計指南、評估套件用戶手冊等，為用戶的開發(fā)提供支持。

【圖5】示例軟件的結構

連接時已實施配對，限制其后的連接設備，實現(xiàn)加密數(shù)據(jù)通信。另外，可作為點對點的Bluetooth® LE設備與智能手機通信，使用專用的智能手機應用程序，可確認獨有配置文件的服務。

＜Bluetooth® LE配置文件＞

為使用Bluetooth® LE正確通信，與主終端與從終端相同，需要安裝一樣配置文件。配置文件為層次結構，內部有定義幾個服務及其屬性(read/write等)的特征值。例如，在Heart Rate Profile中有Heart Rate Service和Device　Information Service等。LAPIS Semiconductor相繼開發(fā)了標準配置文件，所有的配置文件都是與第三方聯(lián)合開發(fā)的，預計均可供貨，并有望支持向用戶平臺的移植。

<未來展望>

今后，Bluetooth® LE的應用范圍有望進一步擴大，對更低耗電量、更加小型、系統(tǒng)開發(fā)更容易的需求日益強勁。因此，繼當前的ML7105系列之后，LAPIS Semiconductor正在開發(fā)后續(xù)系列。根據(jù)計劃，后續(xù)系列不僅耗電量進一步降低，而且，為滿足小型化需求，采用超小型薄型封裝的WL-CSP(Wafer Level Chip Size Package)，產品陣容將更加豐富。另外，為了比以往更容易導入Bluetooth® LE，在目前開發(fā)中的模塊基礎上，LAPIS Semiconductor還計劃開發(fā)內置主機微控制器和ROHM集團開發(fā)的各種傳感器的SiP模塊。

LAPIS Semiconductor同時還在探討滿足進一步高性能化(高速傳輸、樹連接等)的需求，結合最新的Bluetooth® LE Core Spec4.1標準，公司今后將一如既往地為客戶提供一站式解決方案。