藍(lán)牙4.2協(xié)議芯片BlueNRG-1的低功耗藍(lán)牙通信設(shè)計

，，

(空軍預(yù)警學(xué)院, 武漢 430019)

引 言

藍(lán)牙[1]是一種標(biāo)準(zhǔn)無線通信協(xié)議，基于設(shè)備低成本的收發(fā)器芯片，傳輸距離近、功耗低，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。無線藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙USB軟件狗等都是藍(lán)牙產(chǎn)品的典型代表，未來的物聯(lián)網(wǎng)將是藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用的新藍(lán)海[2]。

藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展迅速，到現(xiàn)在擁有3種類別和4個版本，傳輸速率從1 Mbps發(fā)展到接近54 Mbps。在傳輸速率上與WiFi類似，然而，藍(lán)牙通信系統(tǒng)最致命的弱點(diǎn)在于功耗大。因?yàn)?，一旦打開藍(lán)牙設(shè)備，它就會持續(xù)進(jìn)行搜索并試圖與設(shè)備保持連接，這個過程的功耗是很大的，所以，未來的藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展就在于保持高速傳輸速率的前提下，降低設(shè)備功耗。總體來說，低功耗、高傳輸率、高集成度、高性價比和更長的通信距離的簡化藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計是當(dāng)前一個熱點(diǎn)問題[4-5]。

參考文獻(xiàn)[3]提出了一種基于藍(lán)牙4.2的無線通信的設(shè)計方法。該方法在降低系統(tǒng)功耗上有一定的探索，并取得了較好的效果，但其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴，不易實(shí)現(xiàn)。本文針對傳統(tǒng)藍(lán)牙通信系統(tǒng)設(shè)計中存在的電路設(shè)計復(fù)雜、功耗大、速率低和性價比低等問題，提出了一種基于藍(lán)牙4.2協(xié)議的BlueNRG-1芯片藍(lán)牙通信系統(tǒng)設(shè)計方案。試驗(yàn)的結(jié)果表明，該方案降低了功耗，簡化了電路，具有體小便攜、功耗低、性價比高、傳輸速率高和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

1 BlueNRG-1芯片介紹

BlueNRG-1芯片是ST公司生產(chǎn)的一款藍(lán)牙低功耗(BLE)單模式系統(tǒng)級芯片(SoC)，符合藍(lán)牙4.2規(guī)范[3]。該芯片繼承了Award-winning BlueNRG網(wǎng)絡(luò)處理器的特點(diǎn)，使用嵌入式Cortex-M0的內(nèi)核運(yùn)行應(yīng)用程序代碼，具有多功能定時器、看門狗、ADC、RTC和DMA控制器，此外，ADC與模擬傳感器連接，用于讀取測量電池電量。該芯片在提供優(yōu)良的射頻性能的同時，也集成了高效率DC/DC轉(zhuǎn)換器，并且能保持超低功耗特性，優(yōu)化了在睡眠模式電流的消耗，使供電電池的壽命進(jìn)一步提高。

BlueNRG-1芯片作為一種BLE單芯片，還具有如下特性：

① 符合BLE4.2規(guī)范，集成Stack、Profile等，所有應(yīng)用軟件的執(zhí)行可在一片IC內(nèi)完成。

② 內(nèi)含16或32 MHz Cortex-M0內(nèi)核，160 KB Flash，24 KB RAM。

③ 具有豐富外設(shè)：UART、SPI、I2C、GPIO、ADC、Timer、RTC、Watchdog，易于擴(kuò)展。

④ 供電電壓范圍較寬：1.7～3.6 V，溫度要求較寬：-40～105 ℃，可提供汽車級BLE芯片。

⑤ 低功耗：睡眠模式電流為0.35 μA，高發(fā)射功率為8 dBm。

⑥ 提供QFN32及WLCSP34超小封裝、STM32的軟件架構(gòu)，便于更寬泛的應(yīng)用及便捷的開發(fā)。

圖1是它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 BlueNRG-1芯片內(nèi)部框圖

2 基于BlueNRG-1的低功耗藍(lán)牙通信設(shè)計

2.1 低功耗設(shè)計依據(jù)

低功耗設(shè)計主要針對核心器件的選擇和電路的設(shè)計。在核心器件的選擇上，選用ST公司生產(chǎn)的低功耗藍(lán)牙單芯片BlueNRG-1。BlueNRG-1芯片包括一個完全集成的低功耗的16/32 MHz的晶體振蕩器和一個嵌入式幅度調(diào)節(jié)環(huán)，其中，16 MHz晶振為高速晶振，32 MHz晶振為低速晶振，在正常工作時，16 MHz高速晶振運(yùn)行，在低功耗模式時處于睡眠狀態(tài)，32 MHz低速晶振運(yùn)行。通過選擇石英晶振來實(shí)現(xiàn)低功耗和快速啟動。為了實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行和良好的晶振頻率穩(wěn)定度，必須對相對于石英的負(fù)載電容C及其外圍電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

電路的總功耗由工作狀態(tài)和睡眠狀態(tài)兩種狀態(tài)的功耗組成。

P=PR+PS

PR=VDDIR

PS=VDDIS

式中，PR為正常工作時的電路功耗，IR為正常工作時的電路電流；PS為睡眠狀態(tài)時的電路功耗，IS為睡眠狀態(tài)時的電路電流。

從上式可以看出，能反映電路功耗的主要參數(shù)是電路電流。出于可控性因素考慮，低功耗設(shè)計方法的原則主要在降低電路電流上。筆者提出采用的核心器件藍(lán)牙單芯片BlueNRG-1使電路在無外部中斷事件發(fā)生時，能長期工作在睡眠狀態(tài)，電路電流極低，并且在有外部中斷事件發(fā)生時，電路能在很短時間內(nèi)啟動，執(zhí)行動作；結(jié)束后，電路又迅速進(jìn)入睡眠狀態(tài)。這樣，電路始終保持低功耗狀態(tài)。

2.2 關(guān)鍵電路設(shè)計

2.2.1 結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)設(shè)計包括硬件電路設(shè)計和控制軟件設(shè)計。其硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，核心控制器采用ST公司的BlueNRG-1芯片，通過搭載濾波電容、晶振、藍(lán)牙的濾波網(wǎng)絡(luò)和板載藍(lán)牙天線即可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信系統(tǒng)的開發(fā)。

2.2.2 電路設(shè)計

基于BlueNRG-1芯片的藍(lán)牙通信系統(tǒng)硬件電路設(shè)計需要的元器件相對較少，外圍器件只需要電源濾波電容、晶振、濾波網(wǎng)絡(luò)和天線即可以滿足要求。

圖2 藍(lán)牙通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

硬件電路圖如圖3所示，硬件電路的設(shè)計包括電源濾波、晶振設(shè)計、天線濾波網(wǎng)絡(luò)、天線設(shè)計4個部分。圖3中，C1、C5、C15、C18組成電源濾波電路；XTAL1、C6、C7、L1以及XTAL2、C16、C17、L2組成系統(tǒng)晶振電路；C8～C13和L1～L3組成的天線濾波網(wǎng)絡(luò)，此天線濾波網(wǎng)絡(luò)也可以利用BALF-NRG-01D3芯片(ST公司專門開發(fā)的一款濾波器，體積小，抗干擾能力強(qiáng))實(shí)現(xiàn)，能達(dá)到更強(qiáng)的抗干擾效果，并且電路設(shè)計更簡單，但成本會提高。此外，可以直接在板子上做個RF射頻連接插座外接天線，這樣的好處是發(fā)射信號好，缺點(diǎn)是占用體積更大。如果體積受限，可以選擇做一個簡易的板載天

線，具體的設(shè)計如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路

圖4 系統(tǒng)天線設(shè)計

2.3 軟件設(shè)計

基于BlueNRG-1芯片的藍(lán)牙通信系統(tǒng)軟件設(shè)計的開發(fā)平臺有兩種：MDK5.0和IAR8.0[6-7]。這兩種開發(fā)平臺都是ST公司發(fā)布的，并且提供大量的例程。由于BlueNRG-1芯片面世不久，筆者建議利用MDK5.0平臺開發(fā)。

圖5描述了BlueNRG-1芯片初始化和軟件設(shè)計的流程圖。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

① 初始化BlueNRG-1芯片。系統(tǒng)初始化和系統(tǒng)時鐘初始化的語句描述為：

SystemInit()；Clock_Init()；

其中，SystemInit()設(shè)置芯片要用到的晶振頻率、設(shè)備的中斷、中斷向量表地址等，Clock_Init()是初始化藍(lán)牙和其它設(shè)備要用的時鐘。

分為如下幾步操作：

a. 設(shè)置重載寄存器；

b. 為系統(tǒng)時鐘中斷設(shè)置優(yōu)先級；

c. 加載系統(tǒng)寄存器的數(shù)據(jù)值；

d. 使能系統(tǒng)時鐘中斷Enable SysTick IRQ。

② 初始化藍(lán)牙堆棧。語句描述為：

BlueNRG_Stack_Initialization(&BlueNRG_Stack_Init_params)；

語句功能是初始化藍(lán)牙堆棧的Flash起始地址(一般默認(rèn)是2 KB)、安全數(shù)據(jù)庫(大小為1 KB)和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫大小(1 KB)、堆棧內(nèi)部存儲區(qū)參數(shù)、GATT堆棧數(shù)據(jù)庫的RAM緩沖區(qū)的起始地址、分配給堆棧的總緩沖區(qū)大小、屬性記錄的最大數(shù)目、GATT服務(wù)的最大數(shù)量、屬性值存儲區(qū)域的大小。

③ 初始化藍(lán)牙設(shè)備。語句描述為：

CHAT_DeviceInit()；

具體操作為：首先，配置公共地址需要用到的語句aci_hal_write_config_data()；其次，設(shè)置天線的發(fā)射功率，通常情況下，功率設(shè)置為-2 dBm；再次，進(jìn)行GATT的初始化，aci_gatt_init()以及GAP的初始化aci_gap_init()；然后，server的名稱初始化；最后，加載服務(wù)程序Add_Chat_Service()。服務(wù)程序里面主要是要加載藍(lán)牙的UUIDS，語句為aci_gatt_add_char()。通過以上的操作，即可完成整個藍(lán)牙設(shè)備的初始化工作。

④ 編寫藍(lán)牙應(yīng)用層程序。語句描述為：

app_tick；

主要功能就是當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備發(fā)現(xiàn)有可連接標(biāo)志位時，就發(fā)送心跳，用語句Make_Connection()實(shí)現(xiàn)。具體步驟為：首先，設(shè)置藍(lán)牙的server物理地址；然后，設(shè)置local_name，通常20個字節(jié)以內(nèi)；最后，啟動藍(lán)牙發(fā)送心跳數(shù)據(jù)，使用語句aci_gap_set_discoverable()實(shí)現(xiàn)。

⑤ 讓程序進(jìn)入大循環(huán)。語句描述為：

While(1) /*main loop*/{

/*BLE Stack Tick*/

BTLE_StackTick();

/*Application Tick*/

APP_Tick();

/*Power Save management*/

BlueNRG_Sleep(

SLEEPMODE_RUNNING,0,0);

}

其功能為反復(fù)去定時清理處理藍(lán)牙堆棧，執(zhí)行語句：BTLE_StackTick()，也叫做棧勾。

其中，應(yīng)用程序描述為：

APP_Tick()；

即應(yīng)用程序標(biāo)識檢查，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備連接正常時，系統(tǒng)發(fā)送藍(lán)牙數(shù)據(jù)，執(zhí)行該應(yīng)用。

3 測試結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文提出的設(shè)計方法的可行性和正確性，對整個系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)如下：C8=130 nF，C9=22 μF，C10=4.7 μF，C11=220 μF，C12=330 μF，L1=22 μH，L2=1 μH，L3=3.3 μH。實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)電路采用日月UNMOON3.6 V鋰電池供電，在電路中串接15 Ω電阻，使用示波器測量電阻兩端電壓，如圖6(a)為發(fā)送兩次廣播的電壓脈沖，圖6(b)為電壓脈沖展開圖，圖6(c)為傳統(tǒng)藍(lán)牙通信時廣播電壓脈沖圖。

圖6 試驗(yàn)波形圖和電路實(shí)物圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖6(a)可以看出，兩次廣播的脈沖間隔為2 s，脈沖幅值約為90 mV；由圖6(b)可以得出，脈沖寬度約為2.5 ms，其脈沖幅值也約為90 mV，并且，啟動時間很短，幾乎可以忽略。通過計算，可知系統(tǒng)在2 s內(nèi)發(fā)一次廣播的平均電流為7.5 μA，而從圖6(c)可以 看出，傳統(tǒng)藍(lán)牙通信時，藍(lán)牙芯片發(fā)送廣播之前有較長時間的啟動時間，大約為13ms，并且發(fā)送廣播后，系統(tǒng)電流不能迅速降低，大約耗時5ms。通過計算可知，傳統(tǒng)工作方式下，藍(lán)牙通信發(fā)送一次廣播的平均電流為30μA左右。通過比較可知，本設(shè)計方案將功耗降低了4倍，延長了電池使用壽命。同時可以看出，本產(chǎn)品體積小，易于開發(fā)便攜式藍(lán)牙通信產(chǎn)品。

結(jié) 語

參考文獻(xiàn)

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