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走向超低功耗的藍牙技術

2017-01-17 來源:Digi-Key 作者:John Donovan 字號:

今天,地球上幾乎沒有一部手機不利用藍牙(Bluetooth®) 收發器就能連接無線耳機。 同樣,如今的大多數新PC 也集成了藍牙芯片,讓您在打字的時候也能自由聽說。 在汽車領域即便不是大多數,也有許多新車采用了藍牙技術,讓您駕駛時用免提方式接聽電話。 然而,雖有如此之便利,但藍牙技術仍不適合用在大量應用中,或者至少現在還沒有。

藍牙是一種針對連接的協議,用于以相對較高的速度處理連續數據流,使其能很好地將無線耳機與手機連接。 雖然希望保持低功耗,但藍牙規范的大多數改變仍著重于提升數據傳輸速率。 能進行同步、異步連接的基本速率(BR) 可達到720 kbps。 藍牙2.0 (2004) 增加了3 Mbps 擴數據速率(EDR)(實際大致為2.1 Mbps)。 藍牙3.0 (2009) 通過采用可以在802.11 同地協作鏈路上進行通訊的交替式MAC/PHY (AMP) 技術,增加了高達24 Mbps 的高速(HS) 數據能力。 盡管有一些巧妙的設計,但追求更高的速度必然會導致更高的功耗。

與此相反,低功耗藍牙從一開始就被設計成一種超低功耗(ULP) 協議,以服務采用單個硬幣電池供電的短距離無線設備,讓這些設備工作數月,甚至數年。 藍牙4.0 (2010) 引入了低功耗藍牙,即采用一個簡單的堆棧實現與低功耗設備的同步通訊,如只是偶爾發送少量數據的無線傳感器。 在這種技術下,可以迅速建立連接并在數據交換結束時立即斷開,能及時將PA 降至最小,進而降低功耗。

藍牙核心規范4.0 包括了完整的“傳統藍牙”、“高速藍牙”和“低功耗藍牙”規范。 低功耗藍牙雖然是全新技術,但設計人員意識到了保持向后兼容已流通的二十多億個藍牙設備將是一大優勢。 為了既能擁有兼容性,又不會影響低功耗藍牙設計,4.0 版推出了兩種器件:

• 雙模芯片 既能與傳統藍牙設備通訊,又能與超低功耗設備中的單模芯片通訊。

• 單模芯片 運行外形小巧的低功耗藍牙協議堆棧。 這些芯片能和其他采用其架構中低功耗藍牙部分的單模芯片或雙模芯片通訊。

雙模芯片剛剛面市,將會在所有手機、個人電腦和汽車上實現藍牙功能。 這些芯片能與傳統藍牙設備通訊,也能與大量醫療、工業及消費類應用中運行低功耗藍牙的芯片通訊。 這項新增功能僅需增加極少的硅晶成本。

廣播的優勢

低功耗藍牙無線電在2.4 GHz ISM 頻段工作,采用GFSK 調制技術在40 多個信道內進行跳頻,使數據速率達到1 Mbps。 低功耗藍牙采用兩種數據存取方案:頻分多路存取(FDMA) 和時分多路存取(TDMA)。

在FDMA 方案中,LE 無線電在間隔為2 MHz 的40 個物理信道內跳頻,其中3 個用作廣播信道,剩余37 個用作數據信道。 在TDMA 方案中,一個設備可在預定時間傳輸一個數據包,經過預定的時間間隔后掃描設備會對另一個數據包做出響應。 數據在兩個時間單位期間,在低功耗藍牙設備之間傳輸。其中時間單位稱作事件,包括廣播事件(見圖1)和連接事件(見圖2)。

利用廣播信道可發現附近的可用設備。 藍牙廣播設備發出數據包,說明它有數據,需要進行數據通訊。 然后,掃描設備可能會請求該廣播設備發送另一個廣播數據包- 使廣播通訊就在同一廣播信道上完成 – 或者通常會請求建立一個雙向通訊鏈路。

圖1:廣播事件(承蒙Bluetooth SIG 提供數據)。

當請求連接時,這些相同的廣播信道用于連接設備,然后繼續使用數據信道進行通訊。 在建立連接的過程中,由初始化設備指定數據互換的信道和時間,并完成與廣播設備或者從設備的延遲通訊評估,然后請求更改這些參數,優化功耗。

圖2:連接事件(承蒙Bluetooth SIG 提供數據)。

一旦建立連接,掃描設備便成為主機,廣播設備成為從機。 此時跳頻啟動,且在每個頻率下,在所謂的連接事件發生期間進行數據包交換。 主機啟動每個連接事件,但主機或者從機都能隨時結束通訊。

節能

僅在極短的時間內開啟無線電,是低功耗藍牙設法最大限度地降低功耗的方法之一。 低功耗藍牙無線電僅需要掃描3 個廣播信道來搜索其它設備,所需時間為0.6 - 1.2 ms;而傳統藍牙無線搜索時必須連續掃描32 個信道,每次搜索所需時間為22.5 ms。 僅這項技術就使低功耗藍牙設備的功耗降低至傳統藍牙設備的1/20 - 1/10。

與傳統藍牙一樣,低功耗藍牙仍采用自適應跳頻方式,以最大限度地減少同地協作無線電受到的干擾。 不過,低功耗藍牙采用了3 個沒有干擾保護的固定廣播信道。 之所以選擇這些信道,是因為只有在一種情況下(2402 GHz、信道37)才會與Wi-Fi(信道1)偶爾發生沖突,當然,經過一定設計后是不會與低功耗藍牙數據發生沖突的。

低功耗藍牙收發器的數據帶寬為1 Mbps,相比同在2.4 GHz 頻帶下工作的ZigBee® 節點,傳輸相同數據所需的“開啟”時間僅為其1/8,因此只通過提升速度便能將電池續航時間延長至后者的8 倍。

低功耗藍牙設備能夠在3 ms 內完成掃描其它設備、連接、發送數據、確認有效接收并終止該鏈路。 傳統藍牙設備通常需要幾百毫秒才能完成上述一系列任務,并在此過程中電力消耗超過低功耗藍牙數個數量級。

另外,低功耗藍牙的數據包也比傳統藍牙的短,因此PA 時間也斷,進而能延長電池續航時間。

最后,低功耗藍牙的調制方案也有助于實現低功耗特性以及更好的魯棒性。 傳統藍牙和低功耗藍牙均采用高斯頻移鍵控(GFSK) 技術。 不過,傳統藍牙的調制指數為0.35,低功耗藍牙則在0.45 與0.55 之間,這已接近了高斯最小頻移鍵控(GMSK) 水平。 這樣的結果便是更高的頻譜效率,進而獲得比傳統藍牙更高的魯棒性,但這樣會稍稍增大碼間干擾(ISI) 的風險。 較高調制指數所需的電力會稍有增加,多于早先介紹的其它節能技術提供的補償值。 表1 總結了傳統藍牙和低功耗藍牙的差異。

技術規格 傳統藍牙 低功耗藍牙
距離/范圍 100 m (330 ft) 50 m (160 ft)
空氣中的數據速率 1-3 Mb/s 1 Mb/s
應用吞吐量 0.7-2.1 Mb/s 0.26 Mb/s
活動的從設備 7 未定義,獨立實施
安全 64/128 位和用戶自定義應用層 帶有計數器模式CBC-MAC 的128 位AES 和用戶自定義應用層
魯棒性 自適應快速跳頻、FEC、快速ACK 自適應跳頻、遲緩確認、24 位CRC、32 位信息完整性檢驗
延遲(自未連接狀態起) 通常100 ms 6 ms
發送數據的總時間(det.電池續航時間) 100 ms 6 ms
語音功能
網絡拓撲 散射網 Star-bus
功耗 1(作為基準) 0.01 - 0.5(視使用情況而定)
峰值電流消耗 <30 mA <20 mA(紐扣電池供電時最高15 mA)
服務發現
規范概念
主要應用 手機、游戲機、耳機、立體聲音頻流、汽車、個人電腦、安防、接近、醫療保健、體育和健身等 手機、游戲機、個人電腦、手表、醫療保健、體育和健身、安防和接近、汽車、家用電子、自動化、工業等

表1:傳統藍牙和低功耗藍牙(摘自:維基百科)。

堆棧架構

令人奇怪的是,單模低功耗藍牙收發器滿負荷工作時的功耗并不比傳統藍牙低多少(20 mA 比30 mA)。 節能主要是通過堆棧架構完成的,在這一架構下可以實現許多電池節能技術。

低功耗藍牙協議堆棧(見圖3)包括一個控制器和一個主機。 堆棧的具體構成如下:

• 物理層(PHY) :在物理信道上傳輸和接收數據包。這種情況下,2.4 GHz ISM 頻段內GFSK 數據包的速率為1 Mbps。
• 鏈路層(LL) :控制收發器的RF 狀態,確定其是在廣播、掃描、初始化、已連接還是待機。
• 主機控制器接口(HCI) :處理主機和控制器之間的所有通訊,通常是通過SPI、USB 或者UART。
• 邏輯鏈路控制和自適應協議(L2CAP) :為上層提供數據封裝服務。 進行流量管理,控制向基帶提交協議數據單元的順序,確保QoS 能訪問物理信道。
• 屬性協議(ATT) :使一個設備能向其他設備泄露其一定的屬性。ATT 塊在屬性服務器和客戶端之間建立點對點通訊,從而在專用的L2CAP 信道上交換這些信息。
• 安全管理器(SM) :可以生成、管理、保存密碼和識別碼,使兩個設備在專用L2CAP 信道上安全通訊。 低功耗藍牙采用帶有計數器模式CBC-MAC 的128 位AES 加密技術和用戶自定義應用層。
• 通用屬性規范(GATT) :定義使用ATT 所需的子程序,規定藍牙規范的結構。 藍牙設備之間的全部通訊均由GATT 子程序處理。
• 通用訪問規范(GAP) :這種模塊在應用和藍牙規范之間提供接口,處理設備發現、連接和服務(含安全程序)。

圖3:BLE 協議堆棧(承蒙Texas Instruments 提供數據)。

藍牙應用和設備通過一組稱作規范的高度結構化程序實現相互通訊。 規范的級別可以很低- 例如用于連接IrDA 設備或者建立安全鏈路- 或者以成組方式服務高級別的應用。 例如,現已有用于監測病人血壓(BLS)、心率(HRS)、體溫(HTP) 的低功耗藍牙協議;將這些協議匯集在一起就可構成一組醫療保健規范。 藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)正在為消費類、醫療保健、工業應用定義規范,并預測這些應用領域的低功耗藍牙設備將迅猛增加。

低功耗藍牙芯片

從2011 年下半年起,市場上才開始在出現低功耗藍牙芯片。Texas Instruments 向市場推出了CC2540 藍牙片上系統,成為首批提供此類芯片的制造商之一。CC2540 是一款單模芯片,集成了一個8051 MCU、8 KB RAM、128-256 KB 閃存、RF 收發器、一個單模協議堆棧、嵌入式規范軟件以及全套外設。 該器件可作為主機或者從機,3V 時的電流消耗在接收模式下僅15.8 mA,發送模式下18.6 mA (-6 dBm)。

TI 還向開發人員推出針對CC2540 的CC2540DK-MINI 開發套件。 該套件包括一個CC2540 USB 適配器、一個CC2540 秘鑰板和塑料外殼、一個帶電纜的CC 調試器、一根微型USB 電纜、一顆CR2032 電池和套件說明文檔。 利用附帶的BTool 應用程序和Simple Keys GATT 規范,您可在適配器和秘鑰板之間建立連接,然后體驗各種不同的安全和低級別功能。TI 提供可以編輯的血壓傳感器、心率傳感器、體溫計示例源代碼。您可以使用SmartRF 閃存編程器和CC 調試器將這些代碼下載到CC2540,然后在適配器上運行。

圖4:CC2540DK-MINI 開發套件(承蒙Texas Instruments 提供數據)。

此外,BlueRadios, Inc. 也基于CC2540 推出BR-EVAL-LE4.0-S2A 評估套件。 該套件提供一個即用型BLE 設備,以及采用類似AT 調制解調器的簡單指令、嵌入式藍牙堆棧和規范(GAP、GATT、ATT、SMP、L2CAP 和BATT)。 可利用簡單的ASCII 字符串通過RF 鏈路,或者利用UART、SPI 或USB 通過硬件串行連接,對設備進行配置、控制,向其發指令。

Panasonic 的ENW-89820A1KF 是一款針對移動電話、PDA 和筆記本電腦的單模低功耗藍牙模塊。 該模塊包括一個8051 MCU、高達256 kb 的閃存、8 kb RAM、一個AES 安全協處理器、IR 發生電路、一個USB 2.0 接口以及全套低功耗藍牙軟件堆棧。PAN1720 模塊采用很小的15.6 mm x 8.7 mm x 1.9 mm SMD 封裝,配備屏蔽外殼。

圖5:Panasonic 的ENW-89820A1KF 單模低功耗藍牙模塊(承蒙Panasonic 提供數據)。

CSR 現正大量生產低功耗藍牙芯片,其中包括CSR1000A04-IQQM-R。CSR µEnergy™ 平臺在單芯片上集成了RF、基帶、微控制器、合格的藍牙4.0 堆棧,并能運行客戶應用程序,能為您提供創建低功耗藍牙產品所需的一切。CSR µEnergy 平臺采用兩種變體芯片。 CSR1001 芯片針對鍵盤、遠程控制進行了優化,具有專用的鍵盤掃描硬件。CSR1000 采用較小封裝,適用于健身產品、手表、鼠標和其他傳感器。

其他協議

短距離無線市場現在擁擠紛亂,并沒有一個通用解決方案來滿足各種各樣的要求。 大多數協議基于僅定義了PHY、MAC 層的IEEE 802.15.4 協議,然后每種協議再根據各自的需要定義不同的網絡層。ZigBee 大概是應用最廣的802.15.4 協議變體,6LoWPAN 和WirelessHART™ 也有其應用市場,還有獲得專利的ANT™、Z-Wave®、MiWi™、SimpliciTI™。

低功耗藍牙的適用領域及其適用性

上述每一種標準化協議都有各自最適合的領域:6LoWPAN 提供互聯網連接,WirelessHART 用于自愈網狀網絡,而這些并不是低功耗藍牙的目標市場。 另一方面,ZigBee 的RF4CE™ 協議針對許多與藍牙低功耗相同的應用,但是,作為一個更復雜的協議,該協議一方面在組網時具有更好的表現- 低功耗藍牙只能在星形配置下工作- 然而其功耗頗高,遠不能很好地適應超低功耗應用,例如需要電池續航時間盡可能長的醫療傳感器、工業和軍事應用。

在消費領域,ANT 已在慢跑心率監視以及一些其他體域網(BAN) 應用方面廣為使用。ANT 與低功耗藍牙類似,也是一種針對低數據速率的超低功耗協議。ANT 將是一個強有力的競爭對手,但低功耗藍牙擁有一個巨大優勢- 兼容二十多億個已安裝的設備并得到了消費群體的廣泛認可。ANT 芯片主要供應商Texas Instruments 和Nordic Semiconductor 也在大力支持低功耗藍牙,這一事實說明低功耗藍牙不久將取代ANT,成為超低功耗無線設備中的主導協議。

參考文獻:

1.藍牙技術網址
http://www.bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Home.aspx
2.低功耗藍牙 – Texas Instruments
http://www.ti.com/ww/en/analog/bluetooth/index.htm?DCMP=BluetoothLowEnergy&HQS=NotApplicable+OT+bluetoothlowenergy
3.低功耗藍牙 –Digi-Key
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