到目前為止,大多數開發人員至少聽說過藍牙。這是一種無線協定——名稱來源於將丹麥人的信仰轉變為基督教的維京國王Harald Bluetooth——最初出現在無線音訊流應用中。低功耗藍牙版本是隨著藍牙v4.0一起推出的,透過降低與核心規範相比之下的發射功率和資料速率來迎合低功耗應用(藍牙的最新版本是v5.0)。與完整的核心規範不同,低功耗藍牙的覆蓋範圍限制為50公尺,速度限制為0.27Mbps。

剛開始使用低功耗藍牙標準的開發人員在設定系統期望值時,應該將這些性能的降低作為關鍵點來考慮,只是因為設計中使用了低功耗藍牙協議並不意味著功耗就一定低。設計的工作涵蓋範圍與資料速率在確立能耗需求時扮演著重要的角色,系統的總體通訊策略也是如此,開發人員需要仔細考慮這些因素才能達到保證的低功耗特性。

在設計低功耗藍牙物聯網設備時還有許多其他因素需要考慮。就拿設計的使用者介面(UI)來說,可能涉及到與傳統嵌入式系統一樣的內建按鈕和顯示器。或者,設計也可以利用在智慧型手機上執行的應用程式(app)來提供使用者介面。同樣,設備可以利用行動電話或固定的閘道設備來實現網際網路連接。

開發人員也可以選擇讓他們的低功耗藍牙設備總是與某個主設備配對使用,從而建立起雙向通訊,或者工作在「廣告模式(advertising mode)」,實現少量資料(大約30個位元組)的未驗證式單向傳輸。工作在廣告模式的低功耗藍牙設備(比如感測器)可以向偵聽設備週期性地發送資料,而無需耗費能源去建立並維護完整的雙向鏈路。然而,廣告間隔及廣告模式(比如掃描請求——允許偵聽設備請求低功耗藍牙設備發送額外的資料)的使用可能顯著影響低功耗藍牙設計的能耗值。

設計節約

與任何類型的無線通訊一樣,低功耗藍牙對設計人員的技巧有很高的要求,特別是在射頻(RF)領域。當然我們可以借助一些幫助。諸如Nordic Semiconductor的nRF52832和Silicon Labs的BGM12x等整合式射頻/微控制器元件,就可以在現成的封裝內完成射頻訊號的產生和檢測、調製,以及低功耗藍牙通訊協議等細節的全部處理,但設計人員還是需要具備射頻專業知識來完成電路板佈局和天線設計等工作(圖1)。一旦設計完成後,設計人員還需要使他們的設備通過認證,以證明與各種國家法規標準,以及藍牙互通性標準相容。

20171002NT01P1 圖1 一款整合了處理器和低功耗藍牙射頻電路的系統單晶片(SoC),但其還不是一個完整的通訊系統。

這就導引出低功耗藍牙模組的概念。低功耗藍牙模組是一種完整的低功耗藍牙收發器,自帶控制器和內建天線,而且該天線可以透過預程式設計來處理所有設計中的射頻交互(圖2)。有些模組出於設計目的可以純粹作為主控制器的IO元件,使得低功耗藍牙連接邏輯上相當於一個串口。有些模組則可以獨立(無主控)方式工作,開發人員可以利用模組上的處理器和其他IO資源執行應用程式碼。市場上的這兩類別模組都經過了藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)針對互通性和其他法規機構的預認證。

20171002NT01P2 圖2 Laird BL652這種基於SoC的模組可以組成包含天線在內的隨插即用式低功耗藍牙通訊元件。

模組的完整設計和預認證對開發具有低功耗藍牙功能的物聯網產品成本和工作量有很大的影響。舉例來說,對射頻專業知識的需求可以顯著降低,因為模組基本上是一個隨插即用的元件,已經解決了很多微妙的細節問題(圖3)。同樣,預認證可以省去產品為了得到法規機構的認證,以及藍牙技術聯盟的承認,而成為有效藍牙元件所需的許多工作量和成本。

20171002NT01P3 圖3 有許多供應商提供多種不同配置的低功耗藍牙模組。

不過模組供應商提醒,模組的預認證並不能完全消除法規障礙。不僅是射頻子部分,而且整個設計都必須滿足射頻發射相關的標準。因此開發人員仍然必須確保設計的其餘部分能夠通過認證,並透過測試證明其相容性。同樣,雖然模組經過了低功耗藍牙標準的認證,但使用該模組的最終產品仍然需要通過藍牙技術聯盟的註冊。

不過,也許最重要的是,透過使用模組來減少射頻設計和認證的工作量可以顯著縮短專案的交付時間,從而與基於晶片的設計相比能夠使產品更快地上市。這種上市時間優勢加上設計工作量的減少,可以給使用模組的方案帶來相當大的成本優勢。在許多情況下,這種優勢可能遠遠超過與基於晶片的設計相比,使用模組所帶來的尺寸和單位成本方面的兩個弱勢。

晶片和模組比較

從圖2和圖3中可以看出,低功耗藍牙模組要比低功耗藍牙SoC晶片大很多。這是情有可原的,因為模組很可能就是圍繞SoC搭建的。但模組還包含許多額外的元件、介面和電源調節電路、天線和射頻遮罩等,而且是為了在物聯網設備設計中做到隨插即用而進行的設計。雖然基於SoC的設計也可能具有其中許多的元件,但可能並不需要全部,以便降低材料成本,另外,設計人員可以控制元件的選型、方向、位置等。這樣,基於SoC的設計會比模組設計更加緊湊,還有助於降低PCB成本。

就單位成本而言,Silicon Labs的分析報告「Six Hidden Costs in a 99 Cent Wireless SoC」顯示,他們的低功耗藍牙模組的價格在數量為10萬個時大約為3.07美元,而他們的SoC價格可以低至0.99美元。特別是對消費類產品來說,這種價格差異對產品的利潤有很大的影響,當產量接近每年百萬個,即使每個產品減少1美分,總成本的節省最終也能達到1萬美元甚至更多。

如果模組的尺寸對產品設計來說是個問題,比如穿戴式物聯網設備,那麼儘管需要付出額外的設計階段和努力,但低功耗藍牙SoC晶片可能是唯一的實用選擇。如果考慮到成本因素,那麼選擇就沒那麼清晰明確了。Silicon Labs的報告分析了總成本,包括設計和認證工作量、喪失的市場機會成本,以及材料成本,並計算了SoC設計和模組設計的盈虧平衡點。雖然具體結果取決於多個前提條件,但就幾十萬的總產量來說,基於SoC的低功耗藍牙元件設計的成本效益要比基於模組的設計高很多。

鑒於模組為低功耗藍牙物聯網設計帶來的設計簡化和成本優勢,下一個要問的問題是使用哪種低功耗藍牙模組?以下將討論開發人員在選擇低功耗藍牙模組時應該考慮的關鍵選擇標準和設計決策。

低功耗藍牙模組選擇

一旦決定採用模組來為物聯網設計增加低功耗藍牙連接功能,開發人員就需要認真考慮該選擇哪種模組。雖然這些模組都能提供低功耗藍牙連接,但在架構、配置和功耗,以及其他許多需要考慮的因素方面還是有許多細微的差異。幸運的是,選擇範圍很廣。

在許多選擇面前我們要冷靜地思考許多因素。以下列出了在為新設計選擇低功耗藍牙模組時需要考慮的一些關鍵因素。

成本——對許多應用來說,成本是關鍵考慮因素。然而,正如上文指出的那樣,與模組選擇相關的總體擁有成本可能超過模組的單位成本而成為重要因素。這個總體成本包括任何增加的開發時間、認證費用、工具和軟體購買費用,以及與元件選擇有關的部署後維護工作。除了單位價格外,要問供應商的關鍵問題還包括硬體類型和屬性、提供的軟體發展和整合支援(包括雲端服務和行動應用開發)、本地支援力道、供應商的技術經驗水準、對外部元件的需求、相容性與實際認證及清單確認,以及到藍牙5等新興標準的升級路線。

20171002NT01P4 圖4 使用無線模組和無線SoC的盈虧平衡比較示例。

尺寸——模組在PCB電路板上佔據的空間尺寸在某些應用中可能很重要,對支持該元件所需的PCB的成本和複雜性有很大影響。在比如穿戴式設備等應用中,模組的高度也可能是一個重要考慮因素。

有主控或無主控架構——某些低功耗藍牙模組被設計成隨插即用的通訊周邊,傳送消息是它們的唯一功能。這類模組工作時作為「黑盒子」連接到處理所有其他元件操作的主處理器,簡單地執行主控發送過來的設置和資料傳輸命令。有的模組則是「無主控」的獨立元件,同時作為使用者可配置的系統控制器和低功耗藍牙周邊使用。許多模組同時提供兩種架構,不過有時可能需要額外的軟體或開發工作才能以無主控模式工作。

如前所述,架構的選擇對材料和開發成本有很大的影響,也會影響開發人員應該考慮的評估準則。對於基於主控的架構來說,關鍵的額外參數包括主控與低功耗藍牙模組之間使用的連接種類、模組允許主機控制的命令、控制和資料選項,以及主控必須要處理多少上層通訊協議等。對於獨立或無主控的模組來說,開發人員應該開發低功耗藍牙功能實現之後剩餘的應用資源。記憶體、IO、介面等都是需要考慮的內容。

無主控模組所用的CPU也是需要考慮的一個因素。當模組同時用作應用處理器和低功耗藍牙周邊時,CPU的選擇可能從多方面影響設計工作。開發人員需要熟悉並擁有適合這種CPU架構的工具和程式庫,或者要購買它們。工具的可用性及來自供應商的其他支援也一樣重要,此外,CPU滿足特殊應用需求的能力—比如以高效能的方式完成訊號處理——也是一個重要的因素。

功耗——模組的能耗需求是一個重要卻極富技巧的考慮因素。諸如睡眠模式電流和滿功率發射時的電流資料值可以作為考慮的起點,但低功耗藍牙元件的實際能耗需求很大程度上取決於許多因素。這些因素包括元件在正常工作時啟動或休眠時間有多久和轉換有多頻繁、程式碼在執行通訊協議和應用程式時效率有多高、供電電壓、工作溫度等。開發人員尋求最大限度地減小設計能耗的最佳方法是縮小選擇範圍,然後在典型應用條件下測試它們的實際使用效果,而且最好在開發過程中多測試幾次,以便確保應用程式碼不會造成能耗的意外上升。

距離——為了實現低功耗工作的目的,低功耗藍牙元件特別限制了輸出功率和資料速率,因此對許多開發人員來說,模組可靠通訊的距離也是一個考慮要素。遺憾的是,通訊通道的距離如此依賴於環境,以至於規範也變得毫無意義,諸如射頻發射功率和在鏈路預算中使用的接收靈敏度等因素勢必有影響,但像天線類型和方向、環境射頻雜訊,以及鏈路另一端的元件功能都有很大的影響。就功耗估計而言,開發人員的最佳方法是縮小候選範圍,然後測試、測試、再測試。

其他考慮因素——除了模組產品的純技術因素外,在某些情況下還有其他因素值得考慮,模組結構就是其中之一。舉例來說,許多模組是針對表面貼焊方式設計,但像Fanstel模組也能適合通孔PCB設計,對某些設計來說這個特性也許很重要。其他結構考慮因素包括模組的工作溫度範圍(商業還是工業)、在接腳相容的系列產品中是否能夠提供不同的輸出射頻功率等級,以及是否能夠旁路掉內部天線而連接外部天線。

20171002NT01P5 圖5 在可穿戴設備等應用中,模組的高度也可能是一個重要考慮因素。

有些模組還能在所支援的射頻通道上提供靈活性,或者具有除了低功耗藍牙以外的其他射頻功能。能夠經過軟體配置而使用低功耗藍牙、Wi-Fi或其他協議的設計在某些應用中非常有用。同樣,能夠提供第二射頻功能,如近距離無線通訊(NFC)的模組也許是某些案例的理想選擇。

選擇指南——為了幫助開發人員從可用的許多低功耗藍牙模組中快速篩選出合適的產品,本文準備了一份包含眾多元件資訊的選擇指南以供下載(詳見https://goo.gl/3Q2cRG)。除了沒包含價格外,指南中列出了本文討論的大多數因素,並提供了模組資料手冊的超連結供大家瞭解進一步的細節。這份列表主要收集的是美國市場提供的模組,以及針對大量生產的設計用模組,因此應該沒有涵蓋現在市場上全部的模組產品。