低功耗、便攜式無線設(shè)備市場正在經(jīng)歷爆發(fā)式發(fā)展，其中低功耗藍牙4.0 規(guī)范在開發(fā)此類系統(tǒng)時起著關(guān)鍵作用。 本文將探討如何使用Laird Wireless、connectBlue 和Bluegiga 等制造商提供的支持藍牙4.0 規(guī)范的模塊，在象CSR 提供的開發(fā)環(huán)境中開發(fā)可穿戴和低功耗醫(yī)療設(shè)備。

隨著對可穿戴計算關(guān)注的不斷增加，低功耗藍牙4.0 低功耗連接正使得從便攜式健身系統(tǒng)到智能籃球之類廣泛的設(shè)備成為現(xiàn)實。

每天都有象手表、手鐲、手套、甚至是牙刷之類物品在使用藍牙無線技術(shù)更新升級，使它們能夠獲取數(shù)據(jù)并送回智能手機或平板電腦上的應(yīng)用。2013 年售出的運動和健身追蹤器96% 由可穿戴設(shè)備組成，ABI Research 預(yù)計2014 年會有3 千2 百萬這種采用智能藍牙技術(shù)的設(shè)備售出。

從一塊小小的可充電電池供電是可穿戴設(shè)備和運動市場的關(guān)鍵。利用一塊電池運行嵌入式鏈路多年的能力，正促使智能藍牙不斷被采用。這需要對設(shè)計，無論是硬件還是軟件，做一些關(guān)健的考量。

智能藍牙的核心就是其能夠與現(xiàn)有智能手機或平板電腦的應(yīng)用一起工作。 盡管低功耗藍牙使用與以前傳統(tǒng)藍牙相同的2.4 GHz ISM 頻帶，但它采用了更簡單的高斯頻移協(xié)議來降低功耗。 此外，它還采用了較小的2 MHz 信道和直接序列擴頻(DSSS) 調(diào)制功能。

這種組合意味著無法直接兼容低功耗和傳統(tǒng)規(guī)范。 然而，這對開發(fā)人員來說不是問題，因為獲得藍牙兼容性認(rèn)證的所有芯片和模塊都能在適用于舊設(shè)備的傳統(tǒng)藍牙模式或具有DSSS 功能的智能藍牙模式下工作。 起初，“智能藍牙就緒”指的是雙模設(shè)備，一般是一臺筆記本電腦或是智能手機，硬件同時兼容傳統(tǒng)和低功耗藍牙外設(shè)，而“智能藍牙”標(biāo)簽則只指低功耗藍牙設(shè)備。

智能藍牙通過采用四十個2 MHz 信道而獲得低功耗優(yōu)勢，達到1 Mbit/s 鏈路比特率和270 kbit/s 應(yīng)用吞吐率。 盡管這些指標(biāo)低于傳統(tǒng)藍牙，但是將延遲從100 ms 縮短至6 ms，彌補了應(yīng)用比特率方面的不足。 最大傳輸功耗也降至10 mW，覆蓋距離縮短至50 m 以內(nèi)，這對于短程可穿戴和家庭應(yīng)用來說綽綽有余。 同樣，這使得BLE4.0（低功耗藍牙）系統(tǒng)更易實現(xiàn)，因為幾乎不需要擔(dān)心總鏈路預(yù)算。

這種復(fù)雜性中的多數(shù)可以通過象Laird Wireless 這樣的模塊制造商來隱藏。Laird Wireless BL600 模塊將Nordic Semiconductor 的收發(fā)器與天線和接口集合在一起，全部器件封裝在一個緊湊的19 mm x 12.5 mm 外殼中。 該模塊包含了支持BLE 應(yīng)用開發(fā)所需的全部硬件和固件，包括用于連接外設(shè)和傳感器的UART、SPI、I²C、ADC 和GPIO 接口。 經(jīng)過這些接口連接單線、雙線或者多線鏈路會相對簡單。

圖1：利用Laird Wireless 的BL600 智能藍牙模塊能很容易在現(xiàn)有設(shè)計中添加連接。

從這些連接獲取數(shù)據(jù)由一系列規(guī)范來完成，具體規(guī)范包括血壓、心率、體溫計、接近和Find Me（找到我）。 這些規(guī)范稱作通用屬性規(guī)范(GATT)，在操作系統(tǒng)中提供了一個客戶服務(wù)器應(yīng)用編程接口(API)，以及服務(wù)和描述符。

服務(wù)就是相關(guān)特征的集合，一起工作，執(zhí)行特定功能。 體溫計服務(wù)包括溫度值測量特征和測量時間間隔特征。 描述符提供有關(guān)特征的詳細信息，如其單位指示（如攝氏度），以及傳感器可以測量的最大和最小值。

服務(wù)、特性和描述符的屬性由通用識別符(UUID) 集中識別。 藍牙SIG 為標(biāo)準(zhǔn)屬性預(yù)留了一個UUID 范圍（其格式為xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB），這些通用識別符在協(xié)議中采用16 位或32 位短格式值表示，而非128 位，以保持較小代碼長度并減少復(fù)雜性。

GATT 操作

GATT 協(xié)議為客戶端提供了大量命令，用于發(fā)現(xiàn)與服務(wù)器有關(guān)的信息。 具體包括，發(fā)現(xiàn)所有主要服務(wù)的UUID，用已知UUID 查找服務(wù)，然后發(fā)現(xiàn)輔助服務(wù)，以及為已知服務(wù)查找全部特征。

指令用來將有關(guān)特征數(shù)據(jù)從服務(wù)器傳輸至客戶端（“讀取”），以及從客戶端傳輸至服務(wù)器（“寫入”）。 讀取某個值時，既可通過指定該特征的UUID 來讀取，也可以由來自信息發(fā)現(xiàn)指令的句柄值來讀取。 寫操作始終會通過句柄識別特征，但都可以選擇是否需要服務(wù)器做出響應(yīng)。

GATT 也提供通知和指示。 客戶端可為來自服務(wù)器的特定特征請求一個通知，然后，只要相關(guān)的值進入有效狀態(tài)，服務(wù)器就會將其發(fā)送至客戶端。 例如，溫度傳感器服務(wù)器會在每次測量時通知其客戶端。 這樣可避免客戶端對服務(wù)器進行輪詢，從而省去了常規(guī)無線鏈路。 除需要客戶端做出響應(yīng)以確認(rèn)客戶端收到該信息外，指示和通知類似。

Laird 增加了一種可使模塊獨立運行的事件驅(qū)動型編程語言，因此能通過任何接口直接連接傳感器，而不必依賴外部處理器。 一個簡單的smartBASIC 應(yīng)用包含了完整的傳感器數(shù)據(jù)讀取、寫入和處理的端到端過程，并隨后利用BLE 將其傳輸至任何藍牙4.0 設(shè)備——智能手機、平板或計算機。

除了擁有FCC 模塊、IC、CE 和MIC 認(rèn)可，這些模塊可以算是擁有完全藍牙終端產(chǎn)品資質(zhì)認(rèn)可。 這能夠讓設(shè)計人員在其現(xiàn)有設(shè)備中集成這些模塊，無需作進一步的藍牙資質(zhì)認(rèn)可，大大提升了開發(fā)速度。

其它模塊制造商如Bluegiga 和connectBlue，均使用Texas Instruments 提供的BLE 硅器件，實現(xiàn)可支持藍牙4.0 的模塊。Bluegiga BLE112 模塊可以由標(biāo)準(zhǔn)3 V 鈕扣電池或兩節(jié)AAA 電池供電，適合從電子鎖匙扣至iPhone 配件之類的最小設(shè)計。 在最低功耗休眠模式下，其電流消耗僅500 nA，并會在幾百毫秒內(nèi)喚醒，從而延長了電池壽命。 該connectBlue 模塊集成了溫度傳感器和加速計，用一個鈕扣電池即可連續(xù)工作達10 年之久。

ConnectBlue 的OLP425 模塊是一合格的控制器子系統(tǒng)，并支持由客戶開發(fā)的低功耗藍牙規(guī)范、服務(wù)和屬性。 該模塊基于同時運行應(yīng)用和低功耗藍牙協(xié)議堆棧的TI CC2540 片上系統(tǒng)。 這包括對象代碼，帶有支持多個連接的最新BLE 協(xié)議堆棧、示例項目以及覆蓋廣泛規(guī)范集的應(yīng)用，并提供源代碼。

該connectBlue OLP425 示例代碼包包括用于接入LED 、溫度傳感器和加速計的示例項目，帶有使用IAR 針對8051 芯片內(nèi)核的Embedded Workbench 開發(fā)的嵌入式軟件。

收發(fā)器

CC2540 的設(shè)計分為三大類：CPU 相關(guān)模塊、與電源、測試和時鐘分配有關(guān)的模塊和無線電相關(guān)模塊（圖2）。

圖2：TI 的CC2540 智能藍牙4.0 收發(fā)器框圖。

CPU 和存儲器

從開發(fā)者角度看，SoC 的心臟就是兼容單周期8051 兼容的CPU 內(nèi)核。 它擁有三個不同的存儲器訪問總線（SFR、DATA 和CODE/XDATA）、一個調(diào)試接口和一個18 輸入擴充中斷單元。

內(nèi)存仲裁器是系統(tǒng)的心臟，因為它將CPU 和DMA 控制器通過SFR 總線與物理存儲器和所有外設(shè)相連。 它擁有四個存儲器訪問點，每個都可以映射到三個物理存儲器之一：SRAM、閃存和XREG/SFR 寄存器，并負責(zé)對相同物理存儲器執(zhí)行同步存儲器訪問之間的仲裁和定序。

SFR 總線在圖2 中按概念繪制成將所有硬件外設(shè)連接到存儲器仲裁器的通用總線。 框圖中的SFR 總線也提供到無線電寄存器庫中無線電寄存器的訪問，即使這些寄存器確實是映射到XDATA 存儲器空間的。8 KB SRAM 映射到DATA 存儲器空間和部分XDATA 存儲器空間。 這是一個超低功耗SRAM，即使在數(shù)字零件斷電后（即電源模式2 和3）仍能保持其內(nèi)容。128/256 KB 的閃存塊為設(shè)備提供了在線可編程非易失性程序存儲器，并映射到CODE 和XDATA 存儲器空間。

外設(shè)

閃存塊的寫入通過閃存控制器來執(zhí)行，允許頁面智能擦除和4 B 智能編程，且系統(tǒng)提供一個通用五通道DMA 控制器。 它使用XDATA 存儲器空間訪問存儲器，并因此可以訪問所有物理存儲器。 每個通道（觸發(fā)器、優(yōu)先級、傳輸模式、尋址模式、來源和目的地指針和傳輸計數(shù)）均配置有DMA 描述符，可以在存儲器任何位置定位。 許多硬件外設(shè)（AES 內(nèi)核、閃存控制器、USART、定時器、ADC 接口等等）都可以與DMA 控制器一起使用，通過在單一SFR 或XREG 地址與閃存/SRAM 之間執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)高效運行。

每個CC2540 均包含唯一的48 位IEEE 地址，可以用作藍牙設(shè)備的公共設(shè)備地址。 設(shè)計人員可自由使用這個地址，或按照藍牙規(guī)范要求提供其自已的地址。

中斷控制器服務(wù)于總共十八個中斷源，分為六個中斷組，每個組關(guān)聯(lián)四個中斷優(yōu)先級中的一個。 通過將CC2540 帶回活動模式，I/O 和睡眠定時器中斷請求即使在設(shè)備處于睡眠模式（電源模式1 和2）時仍有效。

調(diào)試接口實現(xiàn)了一個專屬的兩線接口，用于在線調(diào)試。 通過這個調(diào)試接口，有可能實現(xiàn)對整個閃存進行擦除或編程，控制啟用哪個振蕩器，停止和啟動用戶程序的執(zhí)行，在8051 內(nèi)核上執(zhí)行指令，設(shè)置代碼斷點，以及單步執(zhí)行代碼中的指令。 使用這些技術(shù)，可以悠哉悠哉地執(zhí)行在線調(diào)試和外部閃存編程。

I/O 控制器負責(zé)所有通用I/O 引腳。CPU 可以將某些引腳配置成由外設(shè)模塊控制或由軟件來控制，而且當(dāng)焊盤上接有上拉或下拉電阻時，每個引腳還可以配置成輸入或輸出。 每個連接到I/O 引腳的外設(shè)都可以選擇兩個不同的I/O 引腳位置，以確保在各種應(yīng)用下的靈活性。

睡眠定時器是一種超低功耗定時器，既可以使用一個外部32.768 kHz 晶體振蕩器，也可以使用一個內(nèi)部32.753 kHz RC 振蕩器。 睡眠定時器在除電源模式3 之外的所有工作模式下均是連續(xù)運行的。 此定時器的典型應(yīng)用有：作為實時計數(shù)器，或作為喚醒定時器，以擺脫電源模式1 或2。

內(nèi)置看門狗定時器允許CC2540 在固件掛起時將自身重置。 當(dāng)看門狗定時器由軟件啟動時，必須定期清除，否則，它會在超時時重置設(shè)備。

定時器1 是一個16 位的定時器，帶有定時器/計數(shù)器/PWM 功能。 它帶有一個可編程預(yù)分頻器、一個16 位期間值和五個獨立的可編程計數(shù)器/捕獲通道，每個都有一個16 位的比較值。 每個計數(shù)器/捕獲通道都可以用作PWM 輸出，或用于捕獲輸入信號上的邊沿時間。 它還可以配置為IR 發(fā)生模式，此時對定時器3 的期間進行計數(shù)并將輸出與定時器3 的輸出進行“與”操作，以生成經(jīng)過調(diào)制且只需最少CPU 交互的消費者IR 信號。

定時器2 是一個供低功耗藍牙堆棧使用的40 位定時器。 它帶一個提供可配置定時器期間的16 位計數(shù)器和一個可用來跟蹤已發(fā)生期間數(shù)的24 位溢出計數(shù)器。 也可以使用一個40 位捕獲寄存器來記錄收到/發(fā)出幀起始分隔符時的精確時間，或者傳輸結(jié)束時的精確時間。 有兩個16 位定時器比較寄存器和兩個24 位溢出比較寄存器，可以用來提供向無線電和一般中斷發(fā)出RX 或TX 開始的精確時間。

定時器3 和定時器4 均為8 位定時器，具有定時器/計數(shù)器/PWM 功能。 它們都有一個可編程預(yù)分頻器、一個8 位期間值和一個帶一個8 位比較值的可編程計數(shù)器通道。 每個計數(shù)器通道都可以用作PWM 輸出。

USART 0 和USART 1 每一個都可以配置成SPI 主/從設(shè)備或UART。 它們同時在RX 和TX 上提供雙緩沖以及硬件流量控制，因此非常適合高吞吐量全雙工應(yīng)用。 每個USART 都其自己的高精度波特率發(fā)生器，因此可以將常規(guī)定時器留作它用。 當(dāng)配置為SPI 從設(shè)備時，USART 直接使用SCK 取代某些過采樣方案對輸入信號進行采樣，因此非常適合高數(shù)據(jù)速率應(yīng)用。

為獲得更安全的應(yīng)用，允許用戶采用AES 加密/解密內(nèi)核使用采用128 位密鑰的AES 算法進行數(shù)據(jù)加密和解密。AES 內(nèi)核也支持ECB、CBC、CFB、OFB、CTR 和CBC-MAC，同時對CCM 提供硬件支持。

ADC 支持7 至12 位分辨率，分別對應(yīng)帶寬范圍為30 kHz 至4 kHz。 可以進行高達8 輸入通道（I/O 控制器引腳）的DC 和音頻轉(zhuǎn)換。 輸入可以選擇為單端或差分形式。 基準(zhǔn)電壓可以是內(nèi)部、AVDD 或單端或差分外部信號。ADC 也有濕度傳感器輸入通道。ADC 可以按照通道順序使定期采樣或轉(zhuǎn)換自動進行。

運算放大器用來為ADC 提供前端緩沖和增益。 兩個輸入以及輸出均在引腳上提供，因此可以完全定制反饋網(wǎng)絡(luò)。 對于需要出色的高增益精度的應(yīng)用，提供了斬波穩(wěn)定模式。

超低功耗模塊比較器能夠讓應(yīng)用根據(jù)模擬信號從PM2 或PM3 喚醒。 兩個輸入均提供到引腳；基準(zhǔn)電壓必須外部提供。 比較器輸出連接到I/O 控制器的中斷檢測器，并可以由MCU 作為常規(guī)I/O 引腳中斷來處理。

另一個藍牙收發(fā)器和SoC 芯片制造商CSR 還提供一整套軟件開發(fā)工具，以支持使用其uEnergy 芯片的板設(shè)計和生產(chǎn)測試。 該芯片固定在一個基準(zhǔn)模塊之上，帶有一個 USB 編程接口和用于斷開到應(yīng)用特定傳感器和致動器的輸出I/O 的接口。 這種全許可型CSR xIDE 軟件開發(fā)環(huán)境包括了各種應(yīng)用以簡化項目，具體如針對常見智能藍牙規(guī)范的示例應(yīng)用以及針對iOS 和Android 智能手機的主機應(yīng)用。 目標(biāo)板通常由主機USB 連接供電，但也能從板載鈕扣電池獨立運行，以便進行功率測量。

圖3：CSR 智能藍牙開發(fā)系統(tǒng)。

將模塊集成到設(shè)計中相對容易，不過在使用電池向這些設(shè)備供電時需要做出幾項關(guān)鍵選擇。

來自Bluegiga 的BLE112 可以直接與鈕扣電池一起使用。 由于鈕扣電池具有相對較高的內(nèi)阻，因此建議在該電池上并聯(lián)一個100 μF 電容器。 鈕扣電池的內(nèi)阻初始值在10 歐姆以內(nèi)，但會隨著容量的使用而急劇增大。

電容值越高，電池的有效容量就越高，且應(yīng)用的使用壽命越長。 電容器的最小值取決于終端應(yīng)用和所用的最高傳輸功率。 一個100 μF 電容器的漏泄電流為0.5 μA 至3 μA，一般情況下，陶瓷電容器的漏泄電流低于鉭電容器或者鋁電解電容器。

圖4：BlueGiga 的BLE112 智能藍牙模塊。 在電池上并聯(lián)電容器會延長電池壽命。

另一個選擇是使用DC/DC 轉(zhuǎn)換器來減少TX/RX 和數(shù)據(jù)處理期間的電流消耗。 當(dāng)使用3 V 鈕扣電池時，有多種具有旁通模式的超低功耗DC/DC 轉(zhuǎn)換器能將正常傳輸期間的電流消耗減少約20%。 推薦使用鐵氧體磁珠過濾電源線路中的任何剩余噪聲，以確保無線電性能。

結(jié)論

全新一代便攜式、可穿戴和連網(wǎng)的家庭設(shè)備必定要利用到智能藍牙技術(shù)。 有了4.0 版的低功耗藍牙技術(shù)，現(xiàn)有設(shè)計可以輕松升級，能夠為廣泛的新應(yīng)用而連接到智能手機和平板電腦。 擁有預(yù)先資質(zhì)、支持高集成度硅器件的模塊和開發(fā)套件能夠幫助開發(fā)人員快速、輕松地增加這種能力。