蓝牙低功耗设计

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蓝牙低能耗无线技术利用许多智能手段最大限度地降低功耗。
蓝牙2.1+EDR/3.0+HS版本(通常指“标准蓝牙技术”)与蓝牙低能耗(BLE)技术有许多共同点：它们都是低成本、短距离、可互操作的鲁棒性无线技术，工作在免许可的2.4GHz ISM射频频段。
不过它们之间有一个重要区别：蓝牙低能耗技术从一开始就设计为超低功耗(ULP)无线技术，而标准蓝牙技术主要是能够构成“低功耗的”无线连接。
标准蓝牙技术是一种“面向连接”的无线技术，具有固定的连接时间间隔，因此是移动电话连接无线耳机等高活动连接的理想之选。相反，蓝牙低能耗技术采用可变连接时间间隔，这个间隔根据具体应用可以设置为几毫秒到几秒不等。另外，因为BLE技术采用非常快速的连接方式，因此平时可以处于“非连接”状态(节省能源)，此时链路两端相互间只是知晓对方，只有在必要时才开启链路，然后在尽可能短的时间内关闭链路。
BLE技术的工作模式非常适合用于从微型无线传感器(每半秒交换一次数据)或使用完全异步通信的遥控器等其它外设传送数据。这些设备发送的数据量非常少(通常几个字节)，而且发送次数也很少(例如每秒几次到每分钟一次，甚至更少)。
BLE的两种芯片架构
蓝牙低能耗架构共有两种芯片构成：单模芯片和双模芯片。蓝牙单模器件是蓝牙规范中新出现的一种只支持蓝牙低能耗技术的芯片——是专门针对ULP操作优化的技术的一部分。蓝牙单模芯片可以和其它单模芯片及双模芯片通信，此时后者需要使用自身架构中的蓝牙低能耗技术部分进行收发数据(参考图1)。双模芯片也能与标准蓝牙技术及使用传统蓝牙架构的其它双模芯片通信。

图1：双模芯片将使用其架构中的蓝牙低能耗部分与单模器件通信。
双模芯片可以在目前使用标准蓝牙芯片的任何场合使用。这样安装有双模芯片的手机、PC、个人导航设备(PND)或其它应用就可以和市场上已经在用的所有传统标准蓝牙设备以及所有未来的蓝牙低能耗设备通信。然而，由于这些设备要求执行标准蓝牙和蓝牙低能耗任务，因此双模芯片针对ULP操作的优化程度没有像单模芯片那么高。
单模芯片可以用单节钮扣电池(如3V、220mAh的CR2032)工作很长时间(几个月甚至几年)。相反，标准蓝牙技术(和蓝牙低能耗双模器件)通常要求使用至少两节AAA电池(电量是钮扣电池的10至12倍，可以容忍高得多的峰值电流)，并且更多情况下最多只能工作几天或几周的时间(取决于具体应用)。注意，也有一些高度专业化的标准蓝牙设备，它们可以使用容量比AAA电池低的电池工作。
超低功耗无线技术
蓝牙低能耗技术的三大特性成就了ULP性能，这三大特性分别是最大化的待机时间、快速连接和低峰值的发送/接收功耗。
无线“开启”的时间只要不是很短就会令电池寿命急剧降低，因此任何必需的发送或接收任务需要很快完成。被蓝牙低能耗技术用来最小化无线开启时间的第一个技巧是仅用3个“广告”信道搜索其它设备，或向寻求建立连接的设备宣告自身存在。相比之下，标准蓝牙技术使用了32个信道。
这意味着蓝牙低能耗技术扫描其它设备只需“开启”0.6至1.2ms时间，而标准蓝牙技术需要22.5ms时间来扫描它的32个信道。结果蓝牙低能耗技术定位其它无线设备所需的功耗要比标准蓝牙技术低10至20倍。
值得注意的是，使用3个广告信道是某种程度上的妥协：这是在频谱非常拥挤的部分对“开启”时间(对应于功耗)和鲁棒性的一种折衷(广告信道越少，另外一个无线设备在选用频率上广播的机会就越多，就越容易造成信号冲突)。不过该规范的设计师对于平衡这种妥协相当有信心——比如，他们选择的广告信道不会与Wi-Fi默认信道发生冲突(见图2)。

图2：蓝牙低能耗技术的广告信道是经过慎重选择的，可以避免与Wi-Fi发生冲突。

一旦连接成功后，蓝牙低能耗技术就会切换到37个数据信道之一。在短暂的数据传送期间，无线信号将使用标准蓝牙技术倡导的自适应跳频(AFH)技术以伪随机的方式在信道间切换(虽然标准蓝牙技术使用79个数据信道)。
要求蓝牙低能耗技术无线开启时间最短的另一个原因是它具有1Mbps的原始数据带宽——更大的带宽允许在更短的时间内发送更多的信息。举例来说，具有250kbps带宽的另一种无线技术发送相同信息需要开启的时间要长8倍(消耗更多电池能量)。
蓝牙低能耗技术“完成”一次连接(即扫描其它设备、建立链路、发送数据、认证和适当地结束)只需3ms。而标准蓝牙技术完成相同的连接周期需要数百毫秒。再次提醒，无线开启时间越长，消耗的电池能量就越多。
蓝牙低能耗技术还能通过两种其它方式限制峰值功耗：采用更加“宽松的”射频参数以及发送很短的数据包。两种技术都使用高斯频移键控(GFSK)调制，但蓝牙低能耗技术使用的调制指数是0.5，而标准蓝牙技术是0.35。0.5的指数接近高斯最小频移键控(GMSK)方案，可以降低无线设备的功耗要求(这方面的原因比较复杂，本文暂不赘述)。更低调制指数还有两个好处，即提高覆盖范围和增强鲁棒性。
标准蓝牙技术使用的数据包长度较长。在发送这些较长的数据包时，无线设备必须在相对较高的功耗状态保持更长的时间，从而容易使硅片发热。这种发热将改变材料的物理特性，进而改变传送频率(中断链路)，除非频繁地对无线设备进行再次校准。再次校准将消耗更多的功率(并且要求闭环架构，使得无线设备更加复杂，从而推高设备价格)。
相反，蓝牙低能耗技术使用非常短的数据包——这能使硅片保持在低温状态。因此，蓝牙低能耗收发器不需要较耗能的再次校准和闭环架构。
扩展蓝牙生态系统
蓝牙低能耗技术设计非常适合由于严格的功耗限制而无法使用标准蓝牙技术的应用场合。这是第一次向电子设计师提供具有严格互操作性的ULP无线技术，有望带来数百种新的应用。
一些早期的应用迹象也许是，蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)试图通过发布首批配置(profile)进一步补充蓝牙版本4.0核心规范(包括了BLE)：这些配置针对诸如个人用户接口设备(如手表)、遥控器、距离感应告警仪、电池状态和心率监视器等一些应用优化了蓝牙低能耗通用芯片。其它健康和健身监视配置(如血糖仪和血压计、周期性节律仪和周期性奇异电源)将随后推出(见图3)。

图3：蓝牙核心规范版本4.0定义了蓝牙低能耗技术的架构。相应配置即将推出。
下面让我们看一下蓝牙低能耗技术是如何在以下两种潜在应用中发挥作用的：距离感应告警和室内定位(有时也称为室内GPS)。
手机和便携式PC制造商采用双模芯片是因为这些芯片的价格只比标准蓝牙技术稍高一点，但能提供丰富得多的功能。手机制造商可以借此提供包含手表的安全设备。这种手表将周期性地与手机进行通信，如果手机移到一定的范围之外——因而无法与用户佩戴的手表联系——它将自动锁死，同时手表发出告警。这将防止手机意外丢失，并对任何潜在的小偷起到重要的震慑作用。
距离感应告警应用还可以延伸至便携式电脑，当用户移动到一定范围之外时将便携式电脑锁定(也许当靠近的用户按下手表上的某个键时也能解锁)。这种应用还能用作儿童安全设备，当儿童与父母在一定范围内时他们手上的手表能保持正常通信，当儿童跑出设定范围时发出声音告警。
蓝牙低能耗传感器的低成本和低维护量(因为电池不需要频繁更换)将鼓励在公共场所的广泛使用。一种关键应用是室内定位(在没有GPS信号的地方)。此时将由分布在大型公共建筑(如机场或火车站)周围的传感器不断地广播它们的位置信息。装备了蓝牙低能耗技术的手机在这个范围内通过时就可以向它的主人显示这些位置信息。
传感器还可以发送其它信息，如航班起飞时间和登机口、娱乐场所位置或附近商店的特价商品等(见图4)。

图4：布置在机场候机楼周围的蓝牙低能耗传感器能够持续广播各自的位置信息，在这个范围内经过的手机随之就可以显示这些信息。
最后步骤
有多家芯片供应商已经设计出蓝牙低能耗芯片，并向优选客户提供了样品和开发套件。目前的蓝牙版本4.0规范允许这些公司自己认证他们的芯片是否满足蓝牙低能耗规范。
例如，Nordic公司已可提供蓝牙低能耗芯片?Blue (MicroBlue)的样品，并为重要客户提供?Blue原型套件。?Blue系列中的第一款产品是nRF8001——这是采用32引脚5x5mm QFN封装的一种单模外设解决方案，集成了完全嵌入式无线电、链路控制器和主机子系统——非常适合手表、传感器和遥控器等应用(见图5)。

图5：Nordic半导体的?Blue nRF8001 ——一种单模外设解决方案，适合手表、传感器和遥控器等应用——将是市场上首批蓝牙低能耗芯片之一。
蓝牙低能耗的最后一块拼板即将完成。蓝牙技术联盟表示第一批配置——比如距离感应告警——将在数月内开始推出。这意味着电子设计师能在今年年底前拿到完全认证过的芯片开始实际产品开发。