实现超低功耗蓝牙设计面临的主要挑战

 低功耗蓝牙(LE)正在获得越来越多元件与模块供应商的支持。这也难怪：因为这种超低功耗的短距离射频技术提供了将任何从设备连接到未来数十亿台智能手机、平板电脑和笔记本电脑的简单方法。

然而事实上，电子设计工程师已经非常熟悉各种工业标准的短距离射频技术，比如ZigBee和Wi-Fi。那么低功耗蓝牙与这些已有标准相比有优势吗?

事实上确实有优势——如果涉及的应用需要短脉冲数据传输和长电池寿命的话。但设计工程师只有针对他们的应用和市场做出了正确的元器件选择，他们才能发挥使用低功耗蓝牙带来的优势。

有些是新的，有些是旧的

尽管与经典蓝牙共享相同的‘蓝牙’名字，但低功耗蓝牙在许多重要方面都有不同。经典蓝牙设计用于为音频流和其它数据流提供永远在线的无线管道，并且支持高达3Mbps的数据速率。不过同时经典蓝牙也具有复杂的协议栈，建立和保持两个配对设备之间的连接时比较麻烦。

低功耗蓝牙具有完全不同的属性：它采用了一种简单的协议栈，因此连接的建立和断开特别快，并且能够间歇性地传送短脉冲数据。它可以实现非常低的功耗——单粒钮扣电池可以工作数月甚至数年——因为其工作模式支持设备处于深度睡眠模式，即在大部分时间内射频部分是断电状态。

换句话说，低功耗蓝牙并不是经典蓝牙的低功耗版本，它实现了完全不同的功能。

低功耗蓝牙与经典蓝牙共享2.4GHz频段、天线和协议栈的某些组成部分。因此经典蓝牙芯片组的制造商能够几乎无成本地在他们的器件中增加低功耗蓝牙功能。这意味着过去普遍配备经典蓝牙的智能手机、平板电脑和笔记本电脑今后将普遍具备经典蓝牙和低功耗蓝牙功能(通过认证的低功耗蓝牙设备将贴‘Bluetooth Smart'标志)。

对工业电子系统设计师来说低功耗蓝牙的主要吸引力表现为：第一次有一种简单便宜的无线技术能在电池供电的从设备和智能手机、平板电脑与笔记本电脑之间提供接口。有望利用这种新技术优势的应用包括健身监视器等“应用配件”、心率监视器和脉搏血氧计等个人健康护理设备、门禁控制系统中的接近传感器以及智能手表等。

元器件公司已经很快注意到低功耗蓝牙的吸引力：支持低功耗蓝牙的独立芯片组和高集成度模块已经有现成的。蓝牙专门兴趣小组(SIG)的支持者们认为，低功耗蓝牙的部分吸引力是， 其简单的射频部分很容易实现。

对工业电子设计师来说这意味着他们的系统架构可以基于低功耗蓝牙芯片组进行设计。毕竟与等效的集成模块相比，芯片组具有显著的单位成本优势。因此与采用较昂贵但更高集成度的模块进行系统设计相比，基于芯片组的设计似乎可以为用户提供更具竞争力的优势。

那么从头开始实现一个低功耗蓝牙设计有多容易呢?

硬件和软件设计问题

当然，低功耗蓝牙芯片组的制造商会提供卓越且高度优化的产品。对许多OEM厂商来说问题是，这些产品只是针对一个方面作了优化，即低的单位成本。这意味着它们并没有针对易用性、简易性或集成度进行优化。

低功耗蓝牙芯片组主要用于大批量产品，其批次数量可达到数十万或数百万个。对大批量OEM厂商来说关键的设计约束是材料清单(BOM)成本。他们能够负担将设计资源投入于使用低成本分立元件(包括射频芯片组)实现的系统设计。

任何源自于声誉良好的供应商的芯片组当然有很好的功能，单位成本也极具竞争力。但采用芯片组的低功耗蓝牙实现给大多数电子OEM厂商提出了相当大的挑战。这些挑战分成以下几大类：

1.射频系统设计

2.协议软件设计

3.一致性测试与认证

射频系统设计

低功耗蓝牙芯片组包含一个2.4GHz的收发器和一个基带控制器。芯片组必须集成进系统设计，才能在要求的距离范围内实现可靠的通信。因此关键设计任务包括配置和放置天线、将连接路由到射频子系统以及设计电路板版图。这种设计必须考虑干扰源，并确保不降低射频的灵敏度。系统设计的这部分需要资深的射频专业知识。

图1：Microchip公司的RN4020模块集成了包括天线在内完整的低功耗蓝牙射频电路。RN4020采用密封的10mm x17mm x 2mm封装，内置有板载陶瓷天线、2.4GHz的低功耗蓝牙收发器、带完整的嵌入式低功耗蓝牙协议栈的微控制器以及UART和USB接口。

协议软件设计低功耗蓝牙设备通常必须在系统的主要微控制器上运行低功耗蓝牙协议栈。芯片组制造商一般向用户免费提供协议栈“参考设计”：但这不是一个完整的马上可以使用的栈;应该将它看作是用户自己的栈设计的起点。同样，栈开发要求专门的嵌入式软件开发技巧。

一致性测试和认证

所有新的射频产品都要求经过全面的测试以验证：

1. 它们的射频辐射在允许的频率和功率电平范围内;

2.它们不会在允许频段范围之外产生干扰

由独立实验室开展的测试既昂贵又耗时。设计团队经常会承受成本风险和超时限风险，因为设计第一次通不过一致性测试很常见。

如果OEM厂商想在设备上张贴‘Bluetooth Smart'标志，那也需要经过独立的蓝牙验证，以确认产品符合规范要求。同样，一致性设计很昂贵，并且需要经过一整套Bluetooth Smart认证测试。

图2：经过预先认证的低功耗蓝牙模块方便了认证过程，允许主机产品搭载Bluetooth Smart标识。

(没有经过蓝牙工业组织的认证就使用低功耗蓝牙技术也是可以的。如果产品不需要作为Bluetooth Smart设备推销给第三方，这种做法是合适的。所有新的射频产品都要求获得与射频辐射和EMI一致性相关的法规批准)。

与经典蓝牙相比，低功耗蓝牙无疑是更容易实现的技术。但设计任务也不简单，需要在设计时间和设计资源方面做出许多OEM厂商承受能力范围之外的投资。

那么，使用专门的低功耗蓝牙模块在多大程度上能减轻与基于芯片组的设计相关的问题呢?

减少设计成本、时间和风险

使用集成化蓝牙模块消除与使用芯片组相关的所有设计任务是可能的。这怎么做到的呢?

首先，射频系统设计应该是不需要的。包括天线在内的所有射频电路都被封装在模块内(见图1)。只有一个射频设计约束条件：由于模块包含低功耗蓝牙天线，必须不被屏蔽，因此设备外壳应该用塑料而不是金属制作。在集成模块时，硬件设计功能一般仅限于向系统的主要微控制器提供电源和USB或UART接口。

另外，和模块一起提供的还有完整的低功耗蓝牙协议栈。一个高集成度模块将包含嵌入式微控制器，其主要功能是运行协议栈。

很明显，协议栈提供了控制低功耗蓝牙射频传送的方法。同样，模块应使得控制功能容易实现。理想情况下，栈函数将被抽象出来，放进设计师熟悉的标准指令集，如调制解调器用户熟悉的AT命令。这意味着系统设计师可以将模块中的协议栈看作是一个黑盒子;几乎不需要栈操作的任何知识。

使用模块还可以消除与一致性和认证相关的所有设计风险。所提供的模块应是经过‘预先认证了的’。作为一个凭借自身能力可以独立工作的器件，在射频辐射方面应该通过了所有合适的全球标准认证。

假如OEM设计师遵循有关输入电源、版图和外壳的模块制造商指南，那么内嵌模块的完整终端产品可确保通过所有要求的一致性和认证测试(见图2)。

因此使用低功耗蓝牙模块可以给OEM设计团队带来减少设计成本、设计时间和设计风险的好处。

权衡考量

每个OEM厂商都会对设计成本和单位成本做出自己的权衡考量：在某个生产批量，与芯片组相比模块的额外单位成本将超出在主机系统内集成模块所减少的设计成本。

此外，模块提供固定的功能集，比如支持蓝牙4.x规范中定义的某些工作模式或“配置”。极少数应用可能会发现现成商用的低功耗蓝牙模块提供的功能不能满足它们的要求。

然而，工业设计师应该注意，不要低估了基于芯片组的设计实现中涉及的射频设计、软件设计和认证任务的工作量。虽然低功耗蓝牙是一种比经典蓝牙更简单的技术，但它本身并不简单——除非设计是基于集成化模块的。