低功耗蓝牙模块的设计使用经验谈

越来越多的厂商，积极参与低功耗蓝牙模块市场。

因为超低功耗蓝牙技术，提供了将任何从设备连接到未来数十亿台智能手机、平板电脑和笔记本电脑的简单方法。

然而，无线物联网的无线连接技术，比如ZigBee和Wi-Fi，与低功耗蓝牙相比，谁更有优势吗？事实上，如果仅仅需要数据传输和长电池寿命的话，低功耗蓝牙有明显优势。

一、低功耗蓝牙（ble蓝牙）与经典蓝牙的区别：
蓝牙BLE与过去说到的经典蓝牙，虽然有相同的‘蓝牙’二字，但ble蓝牙在许多重要方面都有不同。

BLE(Bluetooth Low Energy，低功耗蓝牙)是对传统蓝牙BR/EDR技术的补充。

尽管BLE和传统蓝牙都称之为蓝牙标准，且共享射频，但是，BLE是一个完全不一样的技术。

BLE不具备和传统蓝牙
BR/EDR的兼容性。

它是专为小数据率、离散传输的应用而设计的。

通信距离上也有改变，传统蓝牙的传输距离几十米到几百米不等，BLE则规定为100米。

BLE的低功耗并非通过优化空中的无线射频传输实现，而是通过改变协议的设计来实现。

一般来说，为了实现极低的功耗，BLE协议设计为：在不必要射频的时候，彻底将空中射频关断。

与传统蓝牙BR\EDR相比，BLE有这三大特性，从而实现低功耗：缩短无线开启时间、快速建立连接、降低收发峰值功耗（具体由芯片决定）。

缩短无线开启时间的第一个技巧是只用3个“广告”信道，第二个技巧是通过优化协议栈来降低工作周期。

一个在广告的设备可以自动和一个在搜索的设备快速建立连接，所以可以在3ms内完成连接的建立和数据的传输。

低功耗的设计会带来一些牺牲，例如：音频数据就无法通过BLE来进行传输。

BLE仍然是一种非常棒的技术。

它依然支持跳频（37个数据信道），并且采用了一种改进的GFSK 调制方法来提高链路的稳定性。

BLE也仍是非常安全的技术，因为在芯片级提供了128 bit AES加密。

单模设备可以作为Master或者Slave，但是不能同时充当两种角色。

这意味着BLE只能建立简单的星状拓扑，不能实现散射网。

BLE的无线电规范中定义了低功耗蓝牙的最高数据率为305kbps，但是，这只是理论数据。

在实际应用中，数据的吞吐量取决于上层协议栈。

而UART的速度、处理器的能力和主设备都会影响数据吞吐能力。

高的数据吞吐能力的BLE只有通过私有方案或者基于ATT notification才能实现。

事实上，如果是高数据率或高数据量的应用，蓝牙BR/EDR通常显得更加省电。

经典蓝牙提供永远在线的无线管道，并且支持高达3Mbps的数据速率，同时经典蓝牙也具有复杂的协议栈，建立和保持两个配对设备之间的连接时比较复杂。

低功耗蓝牙则不同：它采用了一种简单的协议栈，连接的建立和断开特别快，采用间歇性地传送短脉冲数据机制。

支持设备处于深度睡眠模式，即在大部分时间内，射频是断电状态。

因而，它可以实现非常低的功耗，单粒钮扣电池可以工作数月甚至数年。

低功耗蓝牙与经典蓝牙都是处于2.4GHz频段，模块由天线和协议栈的某些组成部分。

因此能够几乎较低成本地在经典蓝牙芯片中增加低功耗蓝牙功能。

对于设计师来说，低功耗蓝牙的主要吸引力表现为：智能手机、平板电脑与笔记本电脑，能方便地，与用电池供电的从设备进行连接。

这有利于将这种新技术应用到，包括健身监视器、心率监视器和脉搏血氧计等个人健康护理设备、门禁控制系统中的接近传感器以及智能手表等设备。

二、硬件和软件的设计
低功耗蓝牙芯片主要用于大批量产品，其批次数量可达到数十万或数百万个。

采用低功耗蓝牙，给大多数电子OEM厂商提出了相当大的挑战。

这些挑战分成以下几大类：
1.射频系统设计
低功耗蓝牙芯片组包含一个2.4GHz的收发器和一个基带控制器。

我们的产品必须在要求的距离范围内实现可靠的通信。

因此，关键设计任务包括配置和放置天线、将连接路由到射频子系统以及电路板设计。

这种设计必须考虑干扰源，并确保不降低射频的灵敏度。

系统设计的这部分需要资深的射频专业知识。

2.协议软件设计
低功耗蓝牙设备协议软件设计，通常必须在系统的主要微控制器上，运行低功耗蓝牙协议栈。

芯片组制造商一般向用户免费提供协议栈参考设计。

但它不是一个完整的马上可以使用的栈，仅仅是用户自己的栈设计的起点。

同样，栈开发要求专门的嵌入式软件开发技巧。

3.一致性测试与认证
所有新的射频产品都要求经过全面的测试以验证：
a. 它们的射频辐射在允许的频率和功率电平范围内；
b.它们不会在允许频段范围之外产生干扰
由独立实验室开展的测试既昂贵又耗时。

设计团队经常会承受成本风险和超时限风险，因为设计第一次通不过一致性测试很常见。

如果OEM厂商想在设备上张贴‘Bluetooth Smart'标志，那也需要经过独立的蓝牙验证，以确认产品符合规范要求。

同样，一致性设计很昂贵，并且需要经过一整套Bluetooth Smart认证测试。

Bluetooth Smart标识。

蓝牙工业组织默认：如果产品不需要作为Bluetooth Smart设备推销给第三方，没有经过蓝牙工业组织的认证就使用低功耗蓝牙技术也是可以的。

如果要推销给第三方，加贴Bluetooth Smart标签，那么就要求产品获得与射频辐射和EMI一致性相关的法规批准。

与经典蓝牙相比，低功耗蓝牙无疑是更容易实现的技术。

但设计任务也不简单，需要在设计时间和设计资源方面做出许多OEM厂商承受能力范围之外的投资。

那么，使用专门的低功耗蓝牙模块在多大程度上能减轻与基于芯片组的设计相关的问题呢？
三、采用BLE蓝牙模块，减少设计成本、时间和风险
现成的蓝牙模块，射频系统设计是不需要的。

包括天线在内的所有射频电路都被封装在模块内。

只有一个射频设计要求：由于模块包含低功耗蓝牙天线，必须不被屏蔽，因此设备外壳应该用塑料而不是金属制作。

在集成模块时，硬件设计功能一般仅限于向系统的主要微控制器提供电源和USB或UART接口。

另外，和模块一起提供的还有完整的低功耗蓝牙协议栈，协议栈提供了控制低功耗蓝牙射频传送的方法。

一个高集成度蓝牙模块将包含嵌入式微控制器，其主要功能是运行协议栈。

一般情况下，产品系统设计师可以将蓝牙模块中的协议栈看作是一个黑盒子，几乎不需要栈操作的任何知识。

使用蓝牙模块还可以消除与一致性和认证相关的所有设计风险。

所提供的模块应是经过‘预先认证了的’。

作为一个凭借自身能力可以独立工作的器件，在射频辐射方面应该符合了所有合适的全球认证标准。

假如OEM设计师遵循有关输入电源、版图和外壳的模块制造商指南，那么内嵌模块的完整终端产品可确保通过所有要求的一致性和认证测试。

因此使用低功耗蓝牙模块可以给OEM设计团队带来减少设计成本、设计时间和设计风险的好处。

目前，市场上有一款超低功耗，小尺寸，外尺寸9X9mm，带FLASH的蓝牙4.0数传模块，适合绝大多数场合使用。

另有一款超小尺寸的蓝牙数传模块，外形尺寸6.5X9mm，不过没有板载FLASH。

小尺寸蓝牙模块SBM14580S 超小尺寸蓝牙模块SBM14580M。