Bluetooth? Low Energy系統(tǒng)的開發(fā)

　　在通過與智能手機(jī)和平板終端的結(jié)合來提高利便性的應(yīng)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(yīng)用中，紐扣電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備居多，為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池壽命與更高的性能，對(duì)于低功耗化的要求日益強(qiáng)勁。不僅如此，由于毫無無線體驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的用戶也可通過身邊的智能手機(jī)等連接Bluetooth? LE，因此，Bluetooth? LE在眾多產(chǎn)品中的應(yīng)用趨勢(shì)已勢(shì)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(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合標(biāo)確認(rèn)，并獲得各國規(guī)定的無線電認(rèn)證。因此，在研究從零開始構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，需要充分的無線及協(xié)議相關(guān)知識(shí)，否則，極有可能在產(chǎn)品即將推向市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)業(yè)界頂級(jí)低耗電量（發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)9.8mA，接收數(shù)據(jù)時(shí)8.9mA，2秒間歇工作時(shí)的平均電流8μA）的LSI（ML7105-00x）。另外，取得耗時(shí)耗力的Bluetooth SIG認(rèn)證和國內(nèi)外無線電認(rèn)證后向客戶供貨的模塊也在開發(fā)中。

　　在此，針對(duì)本LSI和模塊以及構(gòu)建系統(tǒng)所需的示例軟件、配置文件進(jìn)行介紹說明。

　　Bluetooth? LE LSI

　　首先，針對(duì)Bluetooth? LE LSI（ML7105-00x）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。（圖1）

　　 圖1 Bluetooth? LE LSI（ML7105-00x）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　本LSI搭載的電路塊由無線單元（RF）、調(diào)制解調(diào)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(jī)接口單元（UART、I2C、SPI、GPIO）構(gòu)成。各單元的主要功能分別是：無線單元提供2.4GHz數(shù)據(jù)發(fā)送電路和數(shù)據(jù)接收電路，發(fā)送系統(tǒng)通過D/A轉(zhuǎn)換器將調(diào)制解調(diào)器單元（調(diào)制器）輸入的調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再通過本地PLL與2.4GHz頻段的信號(hào)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(qiáng)度的接收信號(hào)，由低噪聲放大器放大微小信號(hào)。后面的混頻器將2.4GHz頻段的頻率轉(zhuǎn)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(hào)。接著，由限幅器將信號(hào)放大，傳輸給調(diào)制解調(diào)器單元（解調(diào)器）。這些無線單元的特點(diǎn)是，采用PLL直接調(diào)制方式，對(duì)各電路塊整體進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)更低峰值電流（10mA以下）。

　　然后，在控制器單元進(jìn)行Bluetooth? LE數(shù)據(jù)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(shè)備并與發(fā)現(xiàn)的設(shè)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(dòng)，新開發(fā)了在電源關(guān)斷時(shí)更加省電的抑制泄漏電流的電路；同時(shí)，還優(yōu)化了Bluetooth? LE的協(xié)議處理固件，縮短了數(shù)據(jù)包收發(fā)數(shù)據(jù)處理時(shí)間，使工作時(shí)的耗電量更低。然后，電源單元內(nèi)置主穩(wěn)壓器和低功耗穩(wěn)壓器，在非通信時(shí)僅通過功耗更低的低功耗穩(wěn)壓器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過這些設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整體泄漏電流的最小化。振蕩電路單元內(nèi)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(dòng)的，因此，通過調(diào)整，使從停動(dòng)狀態(tài)到啟動(dòng)之間的時(shí)間最短化，從而減少了待機(jī)電流。最后，主機(jī)接口單元配備了Bluetooth? LE標(biāo)準(zhǔn)化的HCI（UART）和LAPIS Semiconductor獨(dú)有的BACI（SPI）。HCI主要與PC連接，可用于無線認(rèn)證試驗(yàn)。BACI與安裝了Bluetooth? LE配置文件和應(yīng)用程序的主機(jī)微控制器連接，提供Bluetooth? LE服務(wù)。

　　BACI通過簡(jiǎn)化與主機(jī)之間的通信來降低訪問頻率。而且，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用通過事件使主機(jī)啟動(dòng)的結(jié)構(gòu)，因此，是盡可能使主機(jī)停動(dòng)來抑制耗電量的設(shè)計(jì)。綜上所述，本LSI在整個(gè)結(jié)構(gòu)模塊上進(jìn)行了降低耗電量的設(shè)計(jì)，從而，使紐扣電池驅(qū)動(dòng)3年以上連續(xù)工作成為可能。主機(jī)和堆棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主機(jī)和Bluetooth? LE控制器堆棧結(jié)構(gòu)

　　Bluetooth? LE模塊

　　接下來，針對(duì)Bluetooth? LE模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。（圖3）

　　
　　 圖3 Bluetooth? LE模塊的外形照片和結(jié)構(gòu)

　　本模塊在Bluetooth? LE LSI （ML7105-00x）之外還內(nèi)置有Pattern ANT、RF匹配電路、EEPROM、OSC。LAPIS Semiconductor出貨時(shí)將通過Pattern ANT及RF匹配電路調(diào)整RF性能，因此，用戶無需調(diào)整即可安裝于商品中。EEPROM可存儲(chǔ)主要含有RF調(diào)整值、通信模式、設(shè)備地址的配置參數(shù)，并可存儲(chǔ)用戶自己的參數(shù)。OSC由主時(shí)鐘的26MHz晶體振蕩器和調(diào)整電路構(gòu)成，已調(diào)整為Bluetooth? LE所要求的頻率精度。