【導(dǎo)讀】在通過(guò)與智能手機(jī)和平板終端的結(jié)合來(lái)提高利便性的應(yīng)用(例如鐘表、健身/保健器材等)中,Bluetooth® LE(Low Energy)正得到迅速普及。本文就Bluetooth Low Energy系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
在通過(guò)與智能手機(jī)和平板終端的結(jié)合來(lái)提高利便性的應(yīng)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(yīng)用中,紐扣電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備居多,為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池壽命與更高的性能,對(duì)于低功耗化的要求日益強(qiáng)勁。不僅如此,由于毫無(wú)無(wú)線體驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的用戶(hù)也可通過(guò)身邊的智能手機(jī)等連接Bluetooth® LE,因此,Bluetooth® LE在眾多產(chǎn)品中的應(yīng)用趨勢(shì)已勢(shì)不可擋。另一方面,要想利用以Bluetooth® LE為首的無(wú)線系統(tǒng),必須在特定的實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合標(biāo)確認(rèn),并獲得各國(guó)規(guī)定的無(wú)線電認(rèn)證。因此,在研究從零開(kāi)始構(gòu)建系統(tǒng)時(shí),需要充分的無(wú)線及協(xié)議相關(guān)知識(shí),否則,極有可能在產(chǎn)品即將推向市場(chǎng)之前遇阻停滯。
在這種情況下,ROHM(羅姆)旗下LAPIS Semiconductor開(kāi)發(fā)出支持Bluetooth® LE的、實(shí)現(xiàn)業(yè)界頂級(jí)低耗電量(發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)9.8mA,接收數(shù)據(jù)時(shí)8.9mA,2秒間歇工作時(shí)的平均電流8μA)的LSI(ML7105-00x)。另外,取得耗時(shí)耗力的Bluetooth SIG認(rèn)證和國(guó)內(nèi)外無(wú)線電認(rèn)證后向客戶(hù)供貨的模塊也在開(kāi)發(fā)中。
在此,針對(duì)本LSI和模塊以及構(gòu)建系統(tǒng)所需的示例軟件、配置文件進(jìn)行介紹說(shuō)明。
<Bluetooth® LE LSI>
首先,針對(duì)Bluetooth® LE LSI(ML7105-00x)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。(圖1)
圖1:Bluetooth® LE LSI(ML7105-00x)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
本LSI搭載的電路塊由無(wú)線單元(RF)、調(diào)制解調(diào)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(jī)接口單元(UART、I2C、SPI、GPIO)構(gòu)成。各單元的主要功能分別是:無(wú)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(guò)D/A轉(zhuǎn)換器將調(diào)制解調(diào)器單元(調(diào)制器)輸入的調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),再通過(guò)本地PLL與2.4GHz頻段的信號(hào)疊加。然后,通過(guò)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(qiáng)度的接收信號(hào),由低噪聲放大器放大微小信號(hào)。后面的混頻器將2.4GHz頻段的頻率轉(zhuǎn)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(hào)。接著,由限幅器將信號(hào)放大,傳輸給調(diào)制解調(diào)器單元(解調(diào)器)。這些無(wú)線單元的特點(diǎn)是,采用PLL直接調(diào)制方式,對(duì)各電路塊整體進(jìn)行優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)更低峰值電流(10mA以下)。
然后,在控制器單元進(jìn)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(shè)備并與發(fā)現(xiàn)的設(shè)備連接并提供雙向通信。另外,通過(guò)與低功耗邏輯單元的聯(lián)動(dòng),新開(kāi)發(fā)了在電源關(guān)斷時(shí)更加省電的抑制泄漏電流的電路;同時(shí),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(shí)間,使工作時(shí)的耗電量更低。然后,電源單元內(nèi)置主穩(wěn)壓器和低功耗穩(wěn)壓器,在非通信時(shí)僅通過(guò)功耗更低的低功耗穩(wěn)壓器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過(guò)這些設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了整體泄漏電流的最小化。振蕩電路單元內(nèi)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(dòng)的,因此,通過(guò)調(diào)整,使從停動(dòng)狀態(tài)到啟動(dòng)之間的時(shí)間最短化,從而減少了待機(jī)電流。最后,主機(jī)接口單元配備了Bluetooth® LE標(biāo)準(zhǔn)化的HCI(UART)和LAPIS Semiconductor獨(dú)有的BACI(SPI)。HCI主要與PC連接,可用于無(wú)線認(rèn)證試驗(yàn)。BACI與安裝了Bluetooth® LE配置文件和應(yīng)用程序的主機(jī)微控制器連接,提供Bluetooth® LE服務(wù)。
BACI通過(guò)簡(jiǎn)化與主機(jī)之間的通信來(lái)降低訪問(wèn)頻率。而且,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用通過(guò)事件使主機(jī)啟動(dòng)的結(jié)構(gòu),因此,是盡可能使主機(jī)停動(dòng)來(lái)抑制耗電量的設(shè)計(jì)。綜上所述,本LSI在整個(gè)結(jié)構(gòu)模塊上進(jìn)行了降低耗電量的設(shè)計(jì),從而,使紐扣電池驅(qū)動(dòng)3年以上連續(xù)工作成為可能。主機(jī)和堆棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2:主機(jī)和Bluetooth® LE控制器堆棧結(jié)構(gòu)
<Bluetooth® LE模塊>
接下來(lái),針對(duì)Bluetooth® LE模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。(圖3)
圖3:Bluetooth® LE模塊的外形照片和結(jié)構(gòu)
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本模塊在Bluetooth® LE LSI (ML7105-00x)之外還內(nèi)置有Pattern ANT、RF匹配電路、EEPROM、OSC。LAPIS Semiconductor出貨時(shí)將通過(guò)Pattern ANT及RF匹配電路調(diào)整RF性能,因此,用戶(hù)無(wú)需調(diào)整即可安裝于商品中。EEPROM可存儲(chǔ)主要含有RF調(diào)整值、通信模式、設(shè)備地址的配置參數(shù),并可存儲(chǔ)用戶(hù)自己的參數(shù)。OSC由主時(shí)鐘的26MHz晶體振蕩器和調(diào)整電路構(gòu)成,已調(diào)整為Bluetooth® LE所要求的頻率精度。
該產(chǎn)品為將多數(shù)元器件一體化封裝的SiP(System in Package)構(gòu)造,因此,可與LSI同等處理。另外,產(chǎn)品將通過(guò)Bluetooth SIG認(rèn)證的組件測(cè)試(RF、PHY、LL、4.0HCI、L2CAP、GAP、SMP、GATT/ATT)獲得QDID后作為模塊提供給客戶(hù),因此,作為最終產(chǎn)品注冊(cè)時(shí),只需嵌入用戶(hù)準(zhǔn)備的配置文件即可輕松登記到Bluetooth SIG官網(wǎng)的產(chǎn)品一覽中。還有,要想進(jìn)行注冊(cè)工作,需要事先向Bluetooth SIG成員(創(chuàng)始成員、加盟成員、應(yīng)用成員)登記。另外,該產(chǎn)品計(jì)劃在獲得日本國(guó)內(nèi)外無(wú)線電認(rèn)證后進(jìn)行供貨,因此,可直接在日本國(guó)內(nèi)以及獲得認(rèn)證的海外地區(qū)操作Bluetooth® LE(輸出電波),客戶(hù)可在短時(shí)間內(nèi)快速導(dǎo)入到商品中。
<Bluetooth® LE評(píng)估套件和示例軟件>
為了提高LAPIS Semiconductor的Bluetooth® LE產(chǎn)品的導(dǎo)入速度與開(kāi)發(fā)速度,公司準(zhǔn)備了評(píng)估套件和示例軟件。評(píng)估套件(圖4)包含USB加密狗和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn),可通過(guò)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(kāi)發(fā)評(píng)估套件
示例軟件(圖5)包含可安裝于主機(jī)微控制器的獨(dú)有配置文件VSSPP(Vendor Specific Serial Port Profile)/VSP(Vendor Specification Profile),使用這些軟件,可通過(guò)基于UART的終端通信輕松確認(rèn)P2P(對(duì)等計(jì)算,PEER-TO-PEER)的Bluetooth® LE通信控制。
此外,LAPIS Semiconductor還開(kāi)設(shè)了技術(shù)支持網(wǎng)站。
(URL: https://www.lapis-semi.com/cgi-bin/MyLAPIS/regi/login.cgi)
該網(wǎng)站提供相關(guān)的數(shù)據(jù)表、用戶(hù)手冊(cè)、設(shè)計(jì)指南、評(píng)估套件用戶(hù)手冊(cè)等,為用戶(hù)的開(kāi)發(fā)提供支持。
圖5:示例軟件的結(jié)構(gòu)
連接時(shí)已實(shí)施配對(duì),限制其后的連接設(shè)備,實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)通信。另外,可作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的Bluetooth® LE設(shè)備與智能手機(jī)通信,使用專(zhuān)用的智能手機(jī)應(yīng)用程序,可確認(rèn)獨(dú)有配置文件的服務(wù)。
<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(jié)構(gòu),內(nèi)部有定義幾個(gè)服務(wù)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(kāi)發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)配置文件,所有的配置文件都是與第三方聯(lián)合開(kāi)發(fā)的,預(yù)計(jì)均可供貨,并有望支持向用戶(hù)平臺(tái)的移植。
<未來(lái)展望>
今后,Bluetooth® LE的應(yīng)用范圍有望進(jìn)一步擴(kuò)大,對(duì)更低耗電量、更加小型、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)更容易的需求日益強(qiáng)勁。因此,繼當(dāng)前的ML7105系列之后,LAPIS Semiconductor正在開(kāi)發(fā)后續(xù)系列。根據(jù)計(jì)劃,后續(xù)系列不僅耗電量進(jìn)一步降低,而且,為滿(mǎn)足小型化需求,采用超小型薄型封裝的WL-CSP(Wafer Level Chip Size Package),產(chǎn)品陣容將更加豐富。另外,為了比以往更容易導(dǎo)入Bluetooth® LE,在目前開(kāi)發(fā)中的模塊基礎(chǔ)上,LAPIS Semiconductor還計(jì)劃開(kāi)發(fā)內(nèi)置主機(jī)微控制器和ROHM集團(tuán)開(kāi)發(fā)的各種傳感器的SiP模塊。
LAPIS Semiconductor同時(shí)還在探討滿(mǎn)足進(jìn)一步高性能化(高速傳輸、樹(shù)連接等)的需求,結(jié)合最新的Bluetooth® LE Core Spec4.1標(biāo)準(zhǔn),公司今后將一如既往地為客戶(hù)提供一站式解決方案。