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藍牙BLE協議在無線技術中的應用說明

來源: 作者: 發布日期:2016-09-23 14:59:55 加入收藏 關注:
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      藍牙低能耗技術,簡稱BLE。它是一種低成本、短距離、可互操作的魯棒性無線技術,工作在免許可的2.4GHz ISM射頻頻段。 在無線傳輸通信中,在多個從設備需要與一個主設備進行對話的應用無疑藍牙低功耗(BLE)協議成為它們的理想選擇。那么與其它通信協議相比,BLE具備哪些優勢呢?

首先BLE擁有極高的行業普及率,具備多廠商互操作性。據藍牙技術聯盟預測,到2018年,90%的智能手機將支持BLE。此外,BLE 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使用紐扣電池的BLE從設備能夠運行數年。

數據傳輸速率高達1Mbps

 

這些優勢讓BLE成為物聯網設備、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的誕生激發了全球各地的創新者打造更多前所未有的應用。

 

簡而言之,大多數BLE從設備能夠有效捕獲某種輸入,然后使用BLE將信息發送至客戶端(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協議將處理后的輸入通過無線方式發送至客戶端。

 

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BLEPC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:這種區別是如何影響設備設計的呢?  

 

   人工輸入BLE設備面臨的挑戰

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 協議棧傳送到客戶端。

 

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

 

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。比如很多架構需要兩個芯片,一個用于實現電容傳感,另一個用于實現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,系統需要額外的時鐘來協調兩個芯片的待機時間。在幾乎所有應用中,采用BLE的產品(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下降將增加設備區分實際觸摸動作和噪聲的失敗率,從而導致誤觸等現象。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(并聯電容器)

 

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

                  1.png

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的強度,因此,MCU可能難以區分真實信號和噪聲,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使用信噪比區分信號和噪聲,如果兩者的強度相當,設計一款可靠的產品將會更加復雜。

 

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,設計過程中可能會發生多次迭代,從而進一步推升成本,推遲最終產品的上市時間。

 

設計師在設計BLE從設備時還面臨另外一些挑戰,這些問題與BLE協議棧有關,在HID和非HID設備都會出現。其中一個戰術性挑戰是需要使用多個工具來開發、編程和測試BLE應用。此外,理解藍牙技術聯盟發布的BLE規范本身也是一個繁瑣的過程。為了開發固件,設計人員必需深入理解這個規范。此外,該規范會定期更新,因此需要持續開發。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BALUNBalanced to Unbalanced)網絡將輸出阻抗調節至標準的50 Ohms。一些BLE MCU/SoC內置了BALUN,但另一些則沒有。如果沒有內置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,從而極大增加了調節通信匹配網絡(AMN)的復雜性。

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幸運的是,通過選擇適當的芯片,上述很多挑戰均能在設計初期得到克服。

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