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【干货 】 物联网时代下,BLE协议在无线通信中的应用
dengxiao
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发表于 2016-08-10 16:01:20  只看楼主 

在多个从设备需要与一个主设备进行对话的无线通信应用中,蓝牙低功耗(BLE)协议已毫无疑问成为它们的理想选择。与其它通信协议相比,BLE具备以下优势:

  BLE拥有极高的行业普及率,具备多厂商互操作性。据蓝牙技术联盟预测,到2018年,90%的智能手机将支持BLE。此外,BLE 在 PC、智能电视等其它主机设备中也拥有很高的普及率。

  公布的通信距离长达100m。

  超低的峰值、平均和空闲功耗让大多数使用纽扣电池的BLE从设备能够运行数年。

  数据传输速率高达1Mbps。

  这些优势让BLE成为物联网设备、可穿戴设备、无线PC外设和遥控器等设备的最佳选择。事实上,BLE的诞生激发了全球各地的创新者打造更多前所未有的应用。

  简而言之,大多数BLE从设备能够有效捕获某种输入,然后使用BLE将信息发送至客户端(即PC或智能手机)。因此,BlE从设备的主要功能包括:

  捕获输入

  处理输入

  使用BlE协议将处理后的输入通过无线方式发送至客户端。

  按照捕获输入这项功能俩看,BLE设备可以划分为两个类型:

  类型1:使用传感器捕获输入的设备(即传感器输入设备,SID)

  类型2:捕获人类用户的输入的设备(即人工输入设备,HID)

  以一个心率监测仪为例。该设备使用传感器捕获人的心率。设备处理信息后,会将其发送至客户端(PC或手机),其中用户只需戴上该设备,不需要手动输入任何信息。

  再以一个使用BLE与PC进行无线通信的无线鼠标为例,其中输入由用户手动提供(采用点击和滚动的形式)。

  那么,这里面临的问题就是:这种区别是如何影响设备设计的呢?

  人工输入BLE设备面临的挑战

  为了捕获人类用户的输入,我们可以使用按键、滑块和/或滚轮。这种输入既可以是机械输入,也可以采用电容传感技术。如果是前者,我们可以使用传感器检测用户与机械组件的交互,或将机械组件直接连接到控制器。输入被捕获后将由MCU进行处理,然后通过BLE 协议栈传送到客户端。

  市场上有无数设备将BLE协议栈与微控制器(MCU)集成在一起,从而让开发人员能够创建类似于传感器输入设备的单芯片系统:  

  但是,使用机械组件会牺牲可靠性和人体工程学理念。比如按键容易磨损,从而缩短设备的使用寿命。鉴于这些局限性,很多行业正在使用电容传感解决方案替代机械用户接口。

  采用电容传感用户输入也会面临其他的挑战。比如很多架构需要两个芯片,一个用于实现电容传感,另一个用于实现BLE,从而增加PCB的尺寸,从而增加制造总成本。另外还有电源管理问题,系统需要额外的时钟来协调两个芯片的待机时间。在几乎所有应用中,采用BLE的产品(遥控器、鼠标等)都会使用电池供电。因此,延长电池寿命极为重要。

  为了应对上述场景,我们需要集成了电容传感和BLE的单一芯片。

  除了上述问题之外,设计人员还需要解决其它一些问题。其中需要重点考虑的问题是:弧形/厚覆面和射电辐射导致的触摸传感SNR(信噪比)的下降。触摸传感SNR定义了设备区分预期输入信号(本例中就是用户的触摸动作)和噪声的能力。因此,SNR下降将增加设备区分实际触摸动作和噪声的失败率,从而导致误触等现象。请想象一下,如果用户正在观看一场激动人心的足球比赛,但此时触控遥控器的误触错误导致频道不断切换,用户将有何反应?

  我们在这里有必要简要回顾一下电容传感技术的基础知识,然后运用这些知识了解误触的起源。

  电容传感器就是PBC上的一块导体垫。传感器和地层之间有一个称为寄生电容(Cp)的电容。覆面位于传感器上方。当用户触摸电容按键时,他实际上触摸的是覆面的顶部,这将为传感器增加一个手指电容(Cf)。

  因此,

  触摸之前的传感器电容 = Cp (基线)

  触摸时的传感器电容 = Cp+ Cf(并联电容器)

  一个MCU定期扫锚传感器,检测其电容变化(即从Cp到Cp+Cf的变化)。扫描周期由扫描速率决定。  

  电容的计算公式是:

  C = E* (A/d)

  (C =电容, E= 电容率, A=面积, d=电极间距)

  因此,对于Cf而言,“d”是覆面厚度。厚度增加(即覆面更厚)时,Cf将降低。

  MCU在扫描电容变化时,它还需要确定变化是由实际触摸动作导致的,还是由噪声导致的。当Cf较低时,某些噪声信号有可能拥有相当的强度,因此,MCU可能难以区分真实信号和噪声,从而导致误触。

  对于弧形覆面(比如说触控鼠标)而言,Cf因传感器和覆面之间的空隙(降低电容率)而下降,也会导致上述问题。

  对于BLE 从设备而言,影响触摸传感精度的第三个因素是蓝牙无线信号引入的“噪声”。

  综上所述,我们就知道了信号减弱、噪声增强的原因。通常而言,MCU使用信噪比区分信号和噪声,如果两者的强度相当,设计一款可靠的产品将会更加复杂。

  有很多方法可以解决这些问题,但很多传统方法会增加BOM成本(因为需要额外的组件)、设计时间和设计成本(比如更多的工时)。此外,由于存在这些挑战,设计过程中可能会发生多次迭代,从而进一步推升成本,推迟最终产品的上市时间。

  设计师在设计BLE从设备时还面临另外一些挑战,这些问题与BLE协议栈有关,在HID和非HID设备都会出现。其中一个战术性挑战是需要使用多个工具来开发、编程和测试BLE应用。此外,理解蓝牙技术联盟发布的BLE规范本身也是一个繁琐的过程。为了开发固件,设计人员必需深入理解这个规范。此外,该规范会定期更新,因此需要持续开发。不遵从这些更新将会导致设备落伍,降低其互操作性。为了“通过无线方式”支持这些更新,设备还需要配备额外的存储器。增加外设存储器时,其通常连接至MCU;因此,需要通过MCU读取该存储器,这将增加功耗,并可能导致处理器因更新而阻塞。

  BLE无线输出需要使用一个额外的BALUN(Balanced to Unbalanced)网络将输出阻抗调节至标准的50 Ohms。一些BLE MCU/SoC内置了BALUN,但另一些则没有。如果没有内置BALUN,则必需使用外置电感器和电容器搭建一个。这需要使用9个外置组件,从而极大增加了调节通信匹配网络(AMN)的复杂性。  

  幸运的是,通过选择适当的芯片,上述很多挑战均能在设计初期得到克服。

  为您的BLE HID产品选择适当的芯片

  选择芯片时应牢记最终目标:即一个需要最少的组件、能够提供高性能、消耗最少电能的简单设计。好消息是市场上有很多芯片组可供选择。这些芯片具有不同的价值定位。详情请参阅http://www.argenox.com/bluetooth-low-energy-ble-v4-0-development/library/a-guide-to-selecting-a-bluetooth-chipset/。

  但是,同时支持电容传感和BLE的单芯片架构在市场上并不多见。赛普拉斯的PRoC BLE采用了其被市场广泛接受的CapSense技术,并且保留了CapSense的所有USP。CapSense和BLE子系统让PRoC BLE成为了HID BLE产品的一个整体解决方案。除了集成核心功能之外,PRoC BLE还解决了以下设计问题:

  足量的嵌入式闪存(最大128KB)和SRAM(最大16KB)以便通过无线方式更新BLE规范。

  PRoC BLE还具备DMA(直接内存存取)功能,有助于在无需CPU的干涉下直接存取内存。

  灵活的低功耗模式有助于设备大幅降低功耗。

  使用配备BLE组件的PSoC Creator简化设计。随时可用的内置BLE协议栈可让设计人员利用BLE,而且无需掌握BLE 规范,从而简化设计。此外,PRoC BLE内置对蓝牙技术联盟所采用的协议和服务的支持,并提供有助于创建定制协议和服务的功能。


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