Bluetooth® Low Energy 設計入門：從晶片組、協定堆疊到模組

低功耗藍牙 (BLE)，亦稱 Bluetooth Smart 已成為連線穿戴式裝置、智慧電器和接近標籤的關鍵幕後功臣。 此短程無線標準在設計上能利用更快速的連線，以較低延遲傳輸更少量數據，進而降低功耗。

Bluetooth Smart 的目標是在功耗上僅耗用 Bluetooth Classic 連線的十分之一左右，光是這點就能看出投入了多少工程心力，針對小型外型尺寸應用努力改造此無線連線機制（圖 1）。

Bluetooth Smart 的鏈路位元速率為 1 Mbit/s，應用的處理量為 800 Kbit/s。 相較於 Bluetooth Classic 規格的延遲時間為 100 ms，Bluetooth Smart 縮短至 6 ms，因此混入位元率在此被抵銷。 Bluetooth Smart 有了這些創新，便可從常見的穿戴式設計（如智慧手錶與手環）的連線媒介，成為更廣泛的穿戴式設備和物聯網 (IoT) 應用。

圖 1：Bluetooth Smart（又稱 BLE）已經演進，不僅是既定的通訊協定，更可用於穿戴式與物聯網裝置（圖片來源：Aislelabs）。

舉例來說，虛擬實境 (VR) 動作遊戲平台的穿戴感測器目前也利用 Bluetooth Smart 連線，以最短的延遲將資料傳送至無線耳機。 也有一些助聽器運用 BLE 鏈路，透過智慧型手機調整聲音、傳送警示、檢查電池狀態並且進行程式變更。

Bluetooth Smart 技術也頻繁應用於信標、遠端感測器與穿戴式生物辨識護照，促進許多行動廣告與商業、售票、門鎖及其他安全性應用的發展。 智慧型手機和筆電等支援 Bluetooth Smart 的裝置，能監控其半徑 5 至 30 公尺內任何已標記裝置的位置、加速情況與接近程度。

最新版本的 Bluetooth v4.2 規格能促成更多裝置或「物品」在超級互連世界中彼此連結，為下一代穿戴式設備與物聯網應用建立基礎。 首先，最高數據傳輸率提升至 800 Kbit/s（比先前版本快 2.6 倍），並加快感測器數據記錄速度以及韌體更新速率。

簡化 BLE 設計

新一代的端對端 BLE 解決方案，涵蓋矽晶、軟體堆疊至模組，目前能在 BLE 設計的連線能力、安全性與功耗層面上提供重大的改善。 首先從安全性層面來探討。安全性早已被視為物聯網的一大挑戰。

Bluetooth v4.2 不僅帶來一些安全性升級，同時也提高了透過藍牙連線追蹤裝置的難度。 首先，新規格為 Bluetooth Classic 層級帶來驗證機制，且只能在連線安全無虞的情況下才可以進行裝置配對。

其次，提供了自動配對及雙模式通訊功能：在開放模式中能更輕鬆進行配對，在封閉模式中傳輸數據則需要更高的安全性。 另一個關鍵功能兼具安全性與能源效率，強制信標或接近標籤必須獲得裝置的許可後才可與其通訊。

透過這種隱私與過濾功能，Bluetooth Smart 晶片組只會在指定為可信任物體靠近使用者時才會喚醒。 此外，新款 BLE 子系統以增量方式少量消耗電力，不使用時則會自動關閉保存能量。

圖 2：高度整合式藍牙 SoC 與模組，能讓您將 BLE 鏈路快速納入到穿戴式與物聯網設計中。 （圖片來源：Cypress Semiconductor）

Bluetooth Smart 晶片組可切換各種電源模式以控制用電，包含作用、睡眠、深眠、休眠、停止模式。 舉例來說，藍牙晶片能判定何時要讓裝置進入「深眠」模式即關閉 CPU 但 BLE 鏈路仍處於作用狀態。

Bluetooth Smart 晶片進入深眠模式時，耗電量可低於 500 nA，同時資料會維持在保留記憶體中。 另一方面，休眠與停止模式會中斷連線，同時讓晶片在奈安培的範圍內耗用電流。

如先前所提，開發成本與電路板空間是 BLE 設計的另外兩項重大挑戰。 與最新版藍牙規格相容的單晶片藍牙解決方案及高度整合式模組，有助於設計人員將電路板空間最佳化，同時降低 BOM 與開發時間以節省成本。

單晶片 BLE 解決方案

從佔用空間和能源效率的觀點來看，使用多重晶片與 BLE 的設計背道而馳，因此您必須轉用超低功率系統單晶片 (SoC)，這種晶片結合創新的處理器結構與多重協定無線電電路，能減少成本、覆蓋區與功耗。

在這些 SoC 中，板載處理器能處理控制功能，例如依照特定需求在特定時間執行電源模式。 接著，藉由充足的記憶體容量，此處理器能執行包含安全性與多重設定檔的合格 Bluetooth Smart 通訊協定堆疊。 單一 IC 亦提供資料儲存與客戶應用程式軟體所需之記憶體。 在電路板上進行這一切便不需要使用第二個微控制器，也沒有相關的成本、功耗與資料介面功率損耗。

再來看看多重通訊協定藍牙無線電，這能讓設計人員達到 BLE 鏈路的最佳化，以便進行關鍵任務的數據傳輸，同時支援低延遲應用，例如以 2.4 GHz 私有協定進行音訊串流。 訊號強度的提升與多面向數據傳輸方法，有助於減少電池續航力的耗損，同時讓傳輸範圍保持穩定。

當然，如果您對一般藍牙或 RF 設計的經驗有限，高度整合式 SoC 能協助您解決常見的設計難題，並可便利地將 BLE 連線能力增添至您的設計中。 而且，藍牙 SoC 提供增進的無線電靈敏度和更大的範圍，最重要的是，提供全自動電源管理系統。

圖 3：Cypress 的低功率藍牙 SoC 主要適用於感測器架構的穿戴式設備與物聯網應用。

以 Cypress Semiconductor 的 PSoC 4 BLE 晶片組為例， 其整合了類比前端、數位邏輯、Bluetooth Smart 無線電及 CapSense 電容式感測器。 此晶片組以 ARM® Cortex®-M0 處理器為基礎，也包含與藍牙 4.2 規格相容、免權利金的 BLE 通訊協定堆疊。

Cypress 以 PSoC 4 為中心，建立完整的設計生態系統（先從模組開始），努力減輕您的負擔。 EZ-BLE PSoC 模組含有 PSoC 4 BLE 晶片、天線、晶體，以及建立隨插即用式藍牙子系統所需使用的所有被動元件。

圖 4：Cypress Semiconductor 的 EZ-BLE 模組包括全系列的全整合式、通過認證的可編程模組，能簡化並加速設計，並含有板載晶體、板載天線、屏蔽與被動元件。 在大小方面，此 10 x 10 x 1.80 mm 的模組比 1 美分硬幣還小。

而且，Cypress 提供評估板，能讓工程師在 EZ-BLE PSoC 模組上開發和評估應用。 評估板會將 GPIO 佈線至 CapSense、LED 與開關等元件，讓您更輕易製作原型。 評估板周圍搭載 PSoC Creator 快速設計圖形使用者介面（圖 5）。

圖 5：Cypress 的 PSoC Creator 工具能幫助您快速設計，此例中為 BLE 心率監測器，配有自訂式類比前端 (AFE)。 （圖片來源：Cypress Semiconductor）

此工具會在圖形化拖曳介面中提供預先建立的元件，一旦設計完成後，便會為線路圖中的每個元件產生一組應用程式編程介面 (API)。 BLE 元件能簡化堆疊與設定檔組態。

模組：完整的 BLE 子系統

許多 Bluetooth Smart SoC 供應商也提供模組，例如 Atmel、Cypress 與 Silicon Labs，這對設計人員來說是件好事。 這對供應商本身也有益處，因為他們能針對自己的 IC 進行創新，並在成本、覆蓋區與低能耗方面為您帶來更多的價值。 綜合以上各點，BLE 模組是真正的新一代設計先驅，能為穿戴式設備與物聯網產品提供完整的硬體子系統。

這些模組結合了 BLE 架構應用開發作業所需的所有硬體和韌體。 更將 Bluetooth Smart SoC 與天線和介面結合，以便連接周邊裝置及感測器。 這些模組已事先獲得認證，能讓設計人員避開複雜的天線設計與核准程序。

雖然如此，透過藍牙天線處理 RF 通訊仍是件棘手的事。 天線設計對藍牙來說非常關鍵，因為它必須配置在特定位置，並具有特定輸出設定檔。 否則，若天線藏在電路板上的某個不當位置，就會嚴重影響效能（輸出輻射功率與接收靈敏度），並大幅影響電池續航力。

現在有一些 BLE 模組整合了前端元件，其中含有陶瓷晶片天線、低通濾波器與匹配的平衡不平衡轉換器。 平衡不平衡轉換器能在平衡與不平衡模式間轉換訊號，以進行天線匹配。 這會大幅降低雜散輻射與諧波，進而讓穿戴式設計縮減整體設計覆蓋區。

舉例來說，Skyworks Solutions 的 SKY66111-11 前端模組 (FEM) 由 TX/RX 與天線開關、濾波及放大器組成（圖 6）。 您很可能會發現，Nordic Semiconductor、Dialog Semiconductor、Texas Instruments 等廠商的藍牙無線電皆具有此元件。 前端模組能避免與主機藍牙 IC 連線時品質不佳，並能將耗電量降低至 10 mA（+10 dBm 時）。

圖 6：Skyworks Solutions 的 SKY66111-11 是適合加入至 SoC 以延伸範圍的 RF 前端模組 (FEM)。 看起來很簡單，但經過高度整合，在講究效能時，能在 RF 頻域中發揮關鍵功能。

Cypress 的 EZ-BLE 模組大小為 10 x 10 mm，Skyworks 的 FEM 雖有 20 個引腳，但尺寸也只增加 3.3 x 3.0 mm。 運作電壓範圍為 1.8 至 5 V，睡眠電流則低於 1 µA。 使用時，小心不要在輸入端上施加太多無線射頻，以免過度驅動開關。 輸入電源請從 -20 dBm 開始起跳。

再來看看 Silicon Labs 的 Blue Gecko BGM113 低功耗藍牙模組，其結合了 2.4 GHz Blue Gecko 無線晶片組與高效率晶片天線，同樣能縮減開發時間與所需心力。 此模組附有符合藍牙 4.1 的軟體堆疊，但軟體可升級至藍牙 4.2。 除此之外，Silicon Labs 提供 Energy Profiler 與 Packet Trace 等開發工具。

圖 7：Silicon Labs 的 Blue Gecko BGM113 模組是預先經過組裝及測試的平台，隨附板載堆疊、天線與認證。

BGM113 隨附 DC-DC 轉換器，並特別注重安全性，具有自主式硬體密碼編譯加速器與真實亂數產生器 (TRNG)。

結論

要快速可靠地進入市場，Bluetooth Smart 模組與隨附的前端模組明顯是您邁向成功的絕佳途徑。 設計人員了解這一點，供應商與廠商也都知道，因此提供必要的支援系統與軟體生態系統以加速創新。 若能同時留意佈局配置、匹配元件與軟體開發的細節，您就能駕馭創意型穿戴式設備、連網住宅與其他許多物聯網應用。