物聯(lián)網(wǎng)時代下，BLE協(xié)議在無線通信中的應用

　　在多個從設備需要與一個主設備進行對話的無線通信應用中，藍牙低功耗（BLE）協(xié)議已毫無疑問成為它們的理想選擇。與其它通信協(xié)議相比，BLE具備以下優(yōu)勢：

　　BLE擁有極高的行業(yè)普及率，具備多廠商互操作性。據(jù)藍牙技術聯(lián)盟預測，到2018年，90%的智能手機將支持BLE。此外，BLE 在 PC、智能電視等其它主機設備中也擁有很高的普及率。

　　公布的通信距離長達100m。

　　超低的峰值、平均和空閑功耗讓大多數(shù)使用紐扣電池的BLE從設備能夠運行數(shù)年。

　　數(shù)據(jù)傳輸速率高達1Mbps。

　　這些優(yōu)勢讓BLE成為物聯(lián)網(wǎng)設備、可穿戴設備、無線PC外設和遙控器等設備的最佳選擇。事實上，BLE的誕生激發(fā)了全球各地的創(chuàng)新者打造更多前所未有的應用。

　　簡而言之，大多數(shù)BLE從設備能夠有效捕獲某種輸入，然后使用BLE將信息發(fā)送至客戶端（即PC或智能手機）。因此，BlE從設備的主要功能包括：

　　捕獲輸入

　　處理輸入

　　使用BlE協(xié)議將處理后的輸入通過無線方式發(fā)送至客戶端。

　　按照捕獲輸入這項功能倆看，BLE設備可以劃分為兩個類型：

　　類型1：使用傳感器捕獲輸入的設備（即傳感器輸入設備，SID）

　　類型2：捕獲人類用戶的輸入的設備（即人工輸入設備，HID）

　　以一個心率監(jiān)測儀為例。該設備使用傳感器捕獲人的心率。設備處理信息后，會將其發(fā)送至客戶端（PC或手機），其中用戶只需戴上該設備，不需要手動輸入任何信息。

　　再以一個使用BLE與PC進行無線通信的無線鼠標為例，其中輸入由用戶手動提供（采用點擊和滾動的形式）。

　　那么，這里面臨的問題就是：這種區(qū)別是如何影響設備設計的呢？

　　人工輸入BLE設備面臨的挑戰(zhàn)

　　為了捕獲人類用戶的輸入，我們可以使用按鍵、滑塊和/或滾輪。這種輸入既可以是機械輸入，也可以采用電容傳感技術。如果是前者，我們可以使用傳感器檢測用戶與機械組件的交互，或將機械組件直接連接到控制器。輸入被捕獲后將由MCU進行處理，然后通過BLE 協(xié)議棧傳送到客戶端。

　　市場上有無數(shù)設備將BLE協(xié)議棧與微控制器（MCU）集成在一起，從而讓開發(fā)人員能夠創(chuàng)建類似于傳感器輸入設備的單芯片系統(tǒng)：

　　但是，使用機械組件會犧牲可靠性和人體工程學理念。比如按鍵容易磨損，從而縮短設備的使用壽命。鑒于這些局限性，很多行業(yè)正在使用電容傳感解決方案替代機械用戶接口。

　　采用電容傳感用戶輸入也會面臨其他的挑戰(zhàn)。比如很多架構需要兩個芯片，一個用于實現(xiàn)電容傳感，另一個用于實現(xiàn)BLE，從而增加PCB的尺寸，從而增加制造總成本。另外還有電源管理問題，系統(tǒng)需要額外的時鐘來協(xié)調(diào)兩個芯片的待機時間。在幾乎所有應用中，采用BLE的產(chǎn)品（遙控器、鼠標等）都會使用電池供電。因此，延長電池壽命極為重要。

　　為了應對上述場景，我們需要集成了電容傳感和BLE的單一芯片。

　　除了上述問題之外，設計人員還需要解決其它一些問題。其中需要重點考慮的問題是：弧形/厚覆面和射電輻射導致的觸摸傳感SNR（信噪比）的下降。觸摸傳感SNR定義了設備區(qū)分預期輸入信號（本例中就是用戶的觸摸動作）和噪聲的能力。因此，SNR下降將增加設備區(qū)分實際觸摸動作和噪聲的失敗率，從而導致誤觸等現(xiàn)象。請想象一下，如果用戶正在觀看一場激動人心的足球比賽，但此時觸控遙控器的誤觸錯誤導致頻道不斷切換，用戶將有何反應？

　　我們在這里有必要簡要回顧一下電容傳感技術的基礎知識，然后運用這些知識了解誤觸的起源。

　　電容傳感器就是PBC上的一塊導體墊。傳感器和地層之間有一個稱為寄生電容（Cp）的電容。覆面位于傳感器上方。當用戶觸摸電容按鍵時，他實際上觸摸的是覆面的頂部，這將為傳感器增加一個手指電容（Cf）。

　　因此，

　　觸摸之前的傳感器電容 = Cp （基線）

　　觸摸時的傳感器電容 = Cp+ Cf（并聯(lián)電容器）

　　一個MCU定期掃錨傳感器，檢測其電容變化（即從Cp到Cp+Cf的變化）。掃描周期由掃描速率決定。

　　電容的計算公式是：

　　C = E* （A/d）

　　（C =電容， E= 電容率， A=面積， d=電極間距）

　　因此，對于Cf而言，“d”是覆面厚度。厚度增加（即覆面更厚）時，Cf將降低。

　　MCU在掃描電容變化時，它還需要確定變化是由實際觸摸動作導致的，還是由噪聲導致的。當Cf較低時，某些噪聲信號有可能擁有相當?shù)膹姸?，因此，MCU可能難以區(qū)分真實信號和噪聲，從而導致誤觸。

　　對于弧形覆面（比如說觸控鼠標）而言，Cf因傳感器和覆面之間的空隙（降低電容率）而下降，也會導致上述問題。

　　對于BLE 從設備而言，影響觸摸傳感精度的第三個因素是藍牙無線信號引入的“噪聲”。

　　綜上所述，我們就知道了信號減弱、噪聲增強的原因。通常而言，MCU使用信噪比區(qū)分信號和噪聲，如果兩者的強度相當，設計一款可靠的產(chǎn)品將會更加復雜。

　　有很多方法可以解決這些問題，但很多傳統(tǒng)方法會增加BOM成本（因為需要額外的組件）、設計時間和設計成本（比如更多的工時）。此外，由于存在這些挑戰(zhàn)，設計過程中可能會發(fā)生多次迭代，從而進一步推升成本，推遲最終產(chǎn)品的上市時間。

　　設計師在設計BLE從設備時還面臨另外一些挑戰(zhàn)，這些問題與BLE協(xié)議棧有關，在HID和非HID設備都會出現(xiàn)。其中一個戰(zhàn)術性挑戰(zhàn)是需要使用多個工具來開發(fā)、編程和測試BLE應用。此外，理解藍牙技術聯(lián)盟發(fā)布的BLE規(guī)范本身也是一個繁瑣的過程。為了開發(fā)固件，設計人員必需深入理解這個規(guī)范。此外，該規(guī)范會定期更新，因此需要持續(xù)開發(fā)。不遵從這些更新將會導致設備落伍，降低其互操作性。為了“通過無線方式”支持這些更新，設備還需要配備額外的存儲器。增加外設存儲器時，其通常連接至MCU；因此，需要通過MCU讀取該存儲器，這將增加功耗，并可能導致處理器因更新而阻塞。

　　BLE無線輸出需要使用一個額外的BALUN（Balanced to Unbalanced）網(wǎng)絡將輸出阻抗調(diào)節(jié)至標準的50 Ohms。一些BLE MCU/SoC內(nèi)置了BALUN，但另一些則沒有。如果沒有內(nèi)置BALUN，則必需使用外置電感器和電容器搭建一個。這需要使用9個外置組件，從而極大增加了調(diào)節(jié)通信匹配網(wǎng)絡（AMN）的復雜性。

　　幸運的是，通過選擇適當?shù)男酒?，上述很多挑?zhàn)均能在設計初期得到克服。

　　為您的BLE HID產(chǎn)品選擇適當?shù)男酒?/strong>