蓝牙 5 物联网技术

最新蓝牙标准蓝牙 5 将提供一系列增强功能,例如更远的范围、更高的速度以及扩充的无线服务支持。这是当今蓝牙 4.2 技术的巨大飞跃,将开创智能环境物联网 (IoT) 应用新局面。
这一进步能够让公司和开发人员实现可访问、可互操作的物联网。新标准通过将数据速率降低至 500 Kbps 和 250 Kbps,使得传输范围 4 倍于现有设备,让人们可以在家中就可以可靠地使用更多传感器。经扩展的范围不仅允许在控制器和传感器之间实现更远的距离,而且还为终端设备提供了更稳定的连接。它还支持将数据速率提高到 2 倍,达到 2 Mbps,从而令监视器发出或无线扬声器接收到更高质量的音频流,以此改善用户体验。
经市场调研估计,由于蓝牙普遍作为控制器安装在智能手机中,到 2020 年蓝牙将应用于三分之一的物联网设备中。然而,蓝牙 5 芯片在智能手机中作为控制器或者向无线耳机传输数据流的要求与物联网的要求是截然不同的。这些物联网应用还需要更加复杂的电源管理来尽量延长系统的电池寿命,因此优化型 DC-DC 转换器成为片上系统 (SoC) 上越来越普遍的元件。
如今为芯片设计师提供的设计已考虑了物联网 SoC 器件的要求。例如,RivieraWaves 蓝牙 IP 平台由硬件基带控制器、数字调制解调器和详细的软件协议栈组成。该协议栈包含直达 GAP/GATT 的链路层和一系列服务及配置文件。Riviera 技术已应用于 NXP 的上一代蓝牙 4.2 设备中,例如 MKW31Z256。
RivieraWaves 开发的蓝牙 5 IP 示意图
图 1:RivieraWaves 开发的用于物联网片上系统器件的蓝牙 5 IP。
硬件基带控制器以 Verilog IP 包的形式提供。其执行数据包编码/解码和帧调度,并辅以硬件 AES128 加密引擎。该软件栈以 C 代码 IP 包的形式提供,包括链路层、L2CAP、ATT、SMP、GAP/GATT、服务和可由芯片开发者修改的配置文件。
RivieraWaves 蓝牙 5 IP 协议栈图片
图 2:RivieraWaves 蓝牙 5 IP 协议栈。
低功耗蓝牙 (BLE) 与双模蓝牙不同,区别在于在智能手机中协议栈包含了行业标准 HCI 接口。灵活的无线电接口允许平台与一个 RivieraWaves 射频 IP 或不同合作伙伴的射频 IP 配合使用,因此可以选择最佳的代工厂和流程节点。
另一家 IP 供应商 Mindtree 与 Texas Instruments 合作,将蓝牙 4.2 协议栈应用于 CC1350 处理器中。该处理器结合了灵活的低功耗射频收发器与 48 MHz ARM® Cortex®-M3 微控制器——后者专为多个物理层和射频标准而设计,从而让蓝牙 5 升级变得相当简单。这个 2 Mbps 的 GFSK 调制方案大大提高了系统吞吐量,在硬件中实现起来也相当轻松。
堆栈在专用 Cortex-M0 上运行,作为无线电控制器处理存储在 ROM 或 RAM 中的低级射频协议命令。物联网传感器可由专用的、自主的超低功耗控制器处理,而且这种控制器可配置成处理模拟和数字传感器,让主 Cortex-M3 内核保持在休眠模式。电源、时钟管理和无线电系统正常运行时,需要通过软件进行特定的配置和处理,而这种方式在专用的实时操作系统 (TI-RTOS) 中亦已实现。而这也需要升级,以包含蓝牙 5 的新功能。
其是包括将广告包扩展至 237 字节,从而打开广告数据通道,并引入周期性广告的概念。
Mindtree 还与 Synopsys 合作在 TSMC 的 55 nm 和 180 nm 工艺基础上开发出了一整套 4.2 版智能蓝牙 IP 设计。它结合了 Synopsys 物理 IP 与 Mindtree 的 BlueLitE 链路层和软件栈 IP,为芯片设计人员提供了一个完整的 BLE 块,可最大程度地降低物联网应用超低功耗片上系统 (SoC) 的风险和集成难度。Synopsys 的 PHY IP 在低于一伏的电压条件下工作以延长电池寿命,具有一个集成式天线匹配网络,可确保天线和发射源之间正常的信号传输,从而降低外部元器件成本。
蓝牙 5 实现正出现在多种器中。例如,Nordic Semiconductor 的 nRF52 系列 SoC 设备是一系列超低功耗多协议 SoC,围绕 32 位 ARM Cortex-M4F 内核构建,片上具有 1 MB 闪存和 256 kB RAM。最新嵌入的 2.4 GHz 收发器在硬件中支持所有低能耗蓝牙 5 数据速率,覆盖新的 2 Mbps 和现有的 1 Mbps 到蓝牙 5 远程速率 500 kbps 和 125 kbps。无线电支持高分辨率 RSSI 测量和自动化功能,以降低 CPU 负载,包括用于数据包数据和组件直接存储器访问的 EasyDMA。Nordic 还直接提供低功耗蓝牙 5 协议栈——这些栈称为软设备,而 nRF52840 由 S140 软设备这一蓝牙 5 预认证低功耗蓝牙协议栈提供支持。
Nordic Semiconductor 的 nRF52 开发板图片
图 3:Nordic Semiconductor 的 nRF52 开发板将可以评估最新的蓝牙 5 器件。
许多现有的蓝牙 4.2 器件在设计时考虑到了下一代需求,物联网 SoC 中的蓝牙元素可以是芯片设计中相对较小的一部分。例如,在 Cypress Semiconductor 的 CYBL11573 中,芯片的大部分用于外设处理,如图 4 所示。
Cypress Semiconductor 的 CVBL11573 示意图
图 4:Cypress Semiconductor 的 CVBL11573 的大部分专门用于物联网应用所需的传感器管理。
SoC 的 BLE 子系统包括链路层引擎和物理层。链路层引擎同时支持主机和从机角色,并实现硬件加密等时间关键型功能,以降低功耗,尽量减少处理器干预,并提供高性能。像主机控制接口 (HCI) 和链路控制等关键协议元素在固件中实现。这些是在蓝牙 5 实现中要改变的元素。
物理层也转而处理更高的 2 Mbps 数据速率。这已经用到了 GFSK 调制,它将这些 BLE 包的数字基带信号转化为无线电频率,再将其通过天线发射到空气中。在接收方向,该模块先将天线的射频信号转化为数字比特流,再执行 GFSK 调制。射频收发器包含一个集成式平衡不平衡转换器,该转换器提供单端射频端口引脚,通过 pi 匹配型网络驱动 50 Ω 天线端子。输出功率可在 -18 dBm 至 +3 dBm 范围内编程控制,从而尽量减少不同应用的电流消耗。
类似的,Silicon Labs 的 EFR32MG 系列蓝牙控制器也可以升级到蓝牙 5。当前系列采用 40 MHz ARM Cortex-M4 内核、可扩展的存储器,并具有多种无线电配置选项,均使用兼容的 QFN 封装。就像其它物联网应用一样,12 通道外设反射系统能够实现外设自主管理,同时集成的 2.4 GHz 平衡不平衡转换器和功率放大器可提供高至 19.5 dBm 的发射功率。

总结

自 2017 年初蓝牙 5 发布之后,芯片开发商正采用多种方法,为物联网片上系统器件增添新功能。有些开发商使用 RivieraWaves 或 MindTree 等供应商的物理和软件 IP,让开发人员能够专注于其他外设和芯片电源管理,从而降低了设计风险。其他开发商则在寻求将蓝牙 5 功能紧密集成到 SoC 器件中,以增加其他功能或减少芯片尺寸。
这两种方法都能让物联网节点设计师实现新的功能。蓝牙 5 具有更低功耗、更远传输距离和更高数据速率,允许嵌入式开发人员轻松为物联网设备添加更加复杂的无线连接。
 

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