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Bluetooth Low Energy系統(tǒng)的開發(fā)

發(fā)布時間:2014-02-18 來源:ROHM 責任編輯:xueqi

【導讀】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。本文就Bluetooth Low Energy系統(tǒng)的開發(fā)進行詳細介紹。
 
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)送數據時9.8mA,接收數據時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。
 
<Bluetooth® LE LSI>
首先,針對Bluetooth® LE LSI(ML7105-00x)的內部結構進行說明。(圖1)
圖1:Bluetooth® LE LSI(ML7105-00x)的內部結構
 
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數據發(fā)送電路和數據接收電路,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數據包的編碼、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,縮短了數據包收發(fā)數據處理時間,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)壓器進行數據存儲。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
 
[page]
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,并可存儲用戶自己的參數。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。
<Bluetooth® LE評估套件和示例軟件>
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(各種傳感器數據接收、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據表、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)加密數據通信。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。
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