对于物联网设备的开发人员来说,低功耗蓝牙(BLE,也称为智能蓝牙)有着许多优势。顾名思义,低功耗是与生俱来的,而完整的低功耗蓝牙模块基本上还可以提供即插即用的无线连接功能。而最大程度发挥低功耗蓝牙模块优势的关键是利用好低功耗蓝牙的优势。

到目前为止,大多数开发人员至少听说过蓝牙。这是一种无线协议——名称来源于将丹麦人的信仰转变为基督教的维京国王Harald Bluetooth——最初出现在无线音频流应用中。低功耗蓝牙版本是随着蓝牙v4.0一起推出的,通过降低与核心规范相比之下的发射功率和数据速率来迎合低功耗应用(蓝牙的最新版本是v4.2)。与完整的核心规范不同,低功耗蓝牙的覆盖范围限制为50米,速度限制为0.27Mbps。

刚开始使用低功耗蓝牙标准的开发人员在设定系统期望值时应该将这些性能的降低作为关键点来考虑。只是因为设计中使用了低功耗蓝牙协议并不意味着功耗就一定低。设计的工作覆盖范围与数据速率在确立能耗需求时扮演着重要的角色,系统的总体通信策略也是如此。开发人员需要仔细考虑这些因素才能达到保证的低功耗特性。

在设计低功耗蓝牙物联网设备时还有许多其它因素需要考虑。就拿设计的用户界面(UI)来说,可能涉及到与传统嵌入式系统一样的内置按钮和显示器。或者,设计也可以利用在智能手机上运行的app来提供用户界面。同样,设备可以利用移动电话或固定的网关设备来实现互联网连接。

开发人员也可以选择让他们的低功耗蓝牙设备总是与某个主设备配对使用,从而建立起双向通信,或者工作在“广告模式”,实现少量数据(大约30个字节)的未验证式单向传输。工作在广告模式的低功耗蓝牙设备(比如传感器)可以向侦听设备周期性地发送数据,而无需耗费能量去建立并维护完整的双向链路。然而,广告间隔以及广告模式(比如扫描请求——允许侦听设备请求低功耗蓝牙设备发送额外的数据)的使用可能显著影响低功耗蓝牙设计的能耗值。

设计节省

与任何类型的无线通信一样,低功耗蓝牙对设计人员的技巧有很高的要求,特别是在射频(RF)领域。当然我们可以借助一些帮助。诸如Nordic Semiconductor公司的nRF52832和Silicon Labs公司的BGM12x等集成式射频/微控制器器件就可以在现成的封装内完成射频信号的产生和检测、调制以及低功耗蓝牙通信协议等细节的全部处理,但设计人员还是需要具备射频专业知识来完成电路板版图和天线设计等工作(图1)。一旦设计完成后,设计人员还需要使他们的设备通过认证,以证明与各种国家法规标准以及蓝牙互操作性标准相兼容。

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图1:一款集成了处理器和低功耗蓝牙射频电路的系统级芯片(SoC),但其还不是一个完整的通信系统。

这就引出了低功耗蓝牙模块的概念。低功耗蓝牙模块是一种完整的低功耗蓝牙收发器,自带控制器和内置天线,而且该天线可以通过预编程来处理所有设计中的射频交互(图2)。有些模块出于设计目的可以纯粹作为主控制器的IO器件,使得低功耗蓝牙连接逻辑上相当于一个串口。有些模块则可以按独立(无主控)方式工作,开发人员可以利用模块上的处理器和其它IO资源执行应用程序代码。市场上的这两类模块都经过了蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)(针对互操作性)和其它法规机构的预认证。

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图2:像Laird BL652这种基于SoC的模块可以构成包含天线在内的即插即用式低功耗蓝牙通信器件。

模块的完整设计和预认证对开发具有低功耗蓝牙功能的物联网产品的成本和工作量有很大的影响。举例来说,对射频专业知识的需求可以显著降低,因为模块基本上是一个即插即用的器件,已经解决了很多微妙的细节问题(图3)。同样,预认证可以省去产品得到法规机构的认证以及蓝牙技术联盟的承认而成为有效蓝牙器件所需的许多工作量和成本。

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图3:有许多供应商提供多种不同配置的低功耗蓝牙模块。

不过模块供应商提醒道,模块的预认证并不能完全消除法规障碍。不仅是射频子部分,而且整个设计都必须满足射频发射方面的标准。因此开发人员仍然必须确保设计的其余部分能够通过认证,并通过测试证明其兼容性。同样,虽然模块经过了低功耗蓝牙标准的认证,但使用该模块的最终产品仍然需要通过蓝牙技术联盟的注册。

诚然,也许最重要的是,通过使用模块来减少射频设计和认证的工作量可以显著缩短项目的交付时间,从而与基于芯片的设计相比能够使产品更快地上市。这种上市时间优势加上设计工作量的减少可以给使用模块的方案带来相当大的成本优势。在许多情况下,这种优势可能远远超过与基于芯片的设计相比使用模块所带来的尺寸和单位成本方面的两个弱势。

芯片和模块比较

从图2和图3中可以看出,低功耗蓝牙模块要比低功耗蓝牙SoC芯片大很多。这是情有可原的,因为模块很可能就是围绕SoC搭建的。但模块还包含许多额外的器件、接口和电源调节电路、天线和射频屏蔽等,而且是为了在物联网设备设计中做到即插即用而进行的设计。虽然基于SoC的设计也可能具有其中许多的元件,但可能并不需要全部,以便降低材料成本。另外,设计人员可以控制器件的选型、方向、位置等等。这样,基于SoC的设计会比模块设计更加紧凑,还有助于降低PCB成本。

就单位成本而言,Silicon Labs公司的分析报告“Six Hidden Costs in a 99 Cent Wireless SoC”显示,他们的低功耗蓝牙模块的价格在数量为10万个时大约为3.07美元,而他们的SoC价格可以低至0.99美元。特别是对消费类产品来说,这种价格差异对产品的利润有很大的影响。当产量接近每年百万个,即使每个产品减少1美分,总的成本节省最终也能达到1万美元甚至更多。

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图4:使用无线模块vs.无线SoC的盈亏平衡示例。

如果模块的尺寸对产品设计来说是个问题,比如可穿戴物联网设备,那么尽管需要付出额外的设计时间和努力,但低功耗蓝牙SoC芯片可能是唯一的实用选择。如果考虑到成本因素,那么选择就没那么清晰明确了。Silicon Labs公司的报告分析了总的成本,包括设计和认证工作量、丢失的市场机会成本以及材料成本,并计算了SoC设计和模块设计的盈亏平衡点。虽然具体结果取决于多个前提条件,但就几十万的总产量来说,基于SoC的低功耗蓝牙器件设计的成本效益要比基于模块的设计高很多。

鉴于模块给低功耗蓝牙物联网设计带来的设计简化和成本优势,下一个要问的问题是使用哪种低功耗蓝牙模块。下文将讨论开发人员在选择低功耗蓝牙模块时应该考虑的关键选择标准和设计决策。

低功耗蓝牙模块选择

一旦决定采用模块方法来向物联网设计中增加低功耗蓝牙连接功能,开发人员就需要认真考虑该选择哪种模块。虽然这些模块都能提供低功耗蓝牙连接,但在架构、配置和功耗以及其它许多需要考虑的因素方面还是有许多细微的差异。幸运的是,选择范围是很大的。

在许多选择面前我们要冷静地思考许多因素。下面列出了在为新设计选择低功耗蓝牙模块时需要考虑的一些关键因素。

成本——对许多应用来说,成本是关键考虑因素。然而,正如上文指出的那样,与模块选择相关的总体拥有成本可能超过模块的单位成本而成为重要因素。这个总体成本包括任何增加的开发时间、认证费用、工具和软件购买费用以及与器件选择有关的部署后的维护工作。除了单位价格外,要问供应商的关键问题还包括硬件类型和属性、提供的软件开发和集成支持(包括云服务和移动应用开发)、本地支持力度、供应商的技术经验水平、对外部元件的需求、兼容性与实际认证及清单确认,以及到蓝牙5等新兴标准的升级路线。

尺寸——模块在PCB电路板上占据的空间尺寸在某些应用中可能很重要,对支持该器件所需的PCB的成本和复杂性有很大影响。在比如可穿戴设备等应用中,模块的高度也可能是一个重要的考虑因素。

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图5:在可穿戴设备等应用中,模块的高度也可能是一个重要考虑因素。

有主或无主架构——某些低功耗蓝牙模块被设计成即插即用的通信外设,传送消息是它们的唯一功能。这类模块工作时作为“黑盒子”连接到处理所有其它器件操作的主处理器,简单地执行主控发送过来的设置和数据传输命令。有的模块则是“无主”的独立器件,同时作为用户可配置的系统控制器和低功耗蓝牙外设使用。许多模块同时提供两种架构,不过有时可能需要额外的软件或开发工作才能以无主模式工作。

如前所述,架构的选择对材料和开发成本有很大的影响。架构也会影响开发人员应该考虑的评估准则。对于基于主控的架构来说,关键的额外参数包括主控与低功耗蓝牙模块之间使用的连接种类、模块允许主机控制的命令、控制和数据选项以及主控必须要处理多少上层通信协议等。对于独立或无主控的模块来说,开发人员应该开发低功耗蓝牙功能实现之后剩余的应用资源。内存、IO、接口等等都是需要考虑的内容。

无主模块所用的CPU也是需要考虑的一个因素。当模块同时用作应用处理器和低功耗蓝牙外设时,CPU的选择可能从多方面影响设计工作。开发人员需要熟悉并拥有适合这种CPU架构的工具和库,或者要购买它们。工具的可用性以及来自供应商的其它支持也一样重要。此外,CPU满足特殊应用需求的能力——比如以高功效的方式完成信号处理——也是一个重要的因素。

功耗——模块的能耗需求是一个重要却极富技巧的考虑因素。诸如睡眠模式电流和满功率发射时的电流等数据值可以作为考虑的起点,但低功耗蓝牙器件的实际能耗需求很大程度上取决于许多因素。这些因素包括器件在正常工作时激活或休眠时间有多久和转换有多频繁、代码在执行通信协议和应用程序时效率有多高、供电电压、工作温度等等。开发人员寻求最大限度地减小设计能耗的最佳方法是缩小选择范围,然后在典型应用条件下测试它们的实际使用效果。而且最好在开发过程中多测试几次,以便确保应用代码不会造成能耗的异外上升。

距离——为了实现低功耗工作的目的,低功耗蓝牙器件特意限制了输出功率和数据速率。因此对许多开发人员来说,模块可靠通信的距离也是一个考虑要素。遗憾的是,通信通道的距离如此依赖于环境,以至于规范也变得毫无意义。诸如射频发射功率和在链路预算中使用的接收灵敏度等因素肯定有影响,但像天线类型和方向、环境射频噪声以及链路另一端的器件功能都有很大的影响。就功耗估计而言,开发人员的最佳方法是缩小候选范围,然后测试、测试、再测试。

其它考虑因素——除了模块产品的纯技术因素外,在某些情况下还有其它因素值得考虑,模块结构就是其中之一。举例来说,许多模块是针对表贴方式设计的,但像Fanstel模块也能适合通孔PCB设计。对某些设计来说这个特性也许很重要。其它结构考虑因素包括模块的工作温度范围(商业还是工业)、在引脚兼容的系列产品中是否能够提供不同的输出射频功率等级,以及是否能够旁路掉内部天线而连接外部天线。

有些模块还能在所支持的射频信道上提供灵活性,或者具有除了低功耗蓝牙以外的其它射频功能。能够经过软件配置而使用低功耗蓝牙、Wi-Fi或其它协议的设计在某些应用中是非常有用的。同样,能够提供第二射频功能(比如近场通信(NFC))的模块也许是某些案例的理想选择。

选择指南——为了帮助开发人员从可用的许多低功耗蓝牙模块中快速筛选出合适的产品,本文准备了一份包含众多器件信息的选择指南以供下载(点击下面链接下载)。除了没包含价格外,指南中列出了本文讨论的大多数因素,并提供了模块数据手册的超链接供大家了解进一步的细节。这份列表主要收集的是美国市场提供的模块以及面向大批量生产的设计用模块,因此应该没有穷尽现在市场上全部的模块产品。

下载指南:

http://site.ednchina.com/events/sources/BLE_Module_Selection_Guide.pdf

《电子技术设计》2017年10月刊版权所有,转载请注明来源及链接。