提到藍牙，非工程師首先想到的是無線耳機，它似乎從幾乎每個智能手機用戶的耳朵里冒出來。另一方面，嵌入式設(shè)計人員看到了一種低成本、可互操作、電池友好的技術(shù)，可以使他們的產(chǎn)品與越來越多的消費類和工業(yè)設(shè)備交換數(shù)據(jù)文件和多媒體流。在本文中，我們將探討成功集成該技術(shù)所涉及的一些設(shè)計問題，以及專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的新一代藍牙設(shè)備的架構(gòu)和功能集。

　　藍牙及其近親藍牙低功耗為血糖儀（上）、血壓計或其他醫(yī)療保健設(shè)備（下）等嵌入式應(yīng)用與標準智能手機或平板電腦。

　　不同的配置文件

　　原始藍牙規(guī)范1 及其所有變體在全球未經(jīng)許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 2.4 GHz 短程頻段內(nèi)使用跳頻擴頻傳輸運行。目前市場上幾乎所有的設(shè)備都支持藍牙 v1.2 規(guī)范及其 720 kbit/s 的數(shù)據(jù)速率。甚至許多低成本產(chǎn)品也支持 V2.0/V2.1 +EDR 規(guī)范，這些規(guī)范具有更高的安全性、更簡單的設(shè)備配對以及可降低功耗的模式。最近推出的藍牙低功耗規(guī)范2 以降低數(shù)據(jù)速率和縮短有效范圍為代價顯著降低了功耗。

　　為了簡化應(yīng)用程序開發(fā)和互操作性，藍牙采用所謂的“配置文件”，它為特定用例定義主節(jié)點和從節(jié)點的功能和行為。除了蜂窩配件（耳機、免提和高級音頻分配或 A2DP）使用的配置文件外，還有許多支持關(guān)鍵嵌入式功能的配置文件。例如，人機接口設(shè)備 （HID） 配置文件為鼠標、操縱桿、鍵盤以及簡單的按鈕和指示器等設(shè)備提供支持，而基本打印配置文件 （BPP） 允許設(shè)備發(fā)送文本、電子郵件、電子名片、或其他項目到打印機。其他配置文件執(zhí)行特定于應(yīng)用程序的任務(wù)，例如健康設(shè)備配置文件 （HDP） 或視頻分發(fā)配置文件 （VDP）。還有其他個人資料，例如模擬串行 RS-232 有線數(shù)據(jù)連接的串行端口配置文件 （SPP），執(zhí)行可用作嵌入式系統(tǒng)的通用 M2M 接口的通用功能。創(chuàng)建低功耗藍牙產(chǎn)品不需要標準化的“配置文件”，允許制造商編寫自己的“自定義配置文件”來支持其應(yīng)用程序的需求。

　　芯片、模塊還是加密狗？

　　支持藍牙所需的程序和數(shù)據(jù)存儲器取決于特定應(yīng)用中使用的特定 MCU、無線電和配置文件。但是，作為一個典型示例，德州儀器（TI） 的 MCU 藍牙堆棧將占用 MCU 大約 100 KB 的代碼空間，其余部分可供應(yīng)用程序免費使用。TI 的 CC2564 藍牙/低功耗藍牙無線電解決方案包括適用于MSP430和Stellaris?等多種流行 TI MCU 的預(yù)集成藍牙和藍牙低功耗軟件堆棧。 同樣，TI 表示，對于大多數(shù)低功耗藍牙應(yīng)用，協(xié)議棧也將消耗大約 100 KB 的代碼空間。如果您的團隊擁有足夠的射頻專業(yè)知識和軟件技能，可以將控制器的應(yīng)用程序代碼與支持協(xié)議棧所需的代碼集成在一起，那么投入 12 到 18 個月的開發(fā)時間將通過更高效的設(shè)計和更低的生產(chǎn)成本得到豐厚回報。

　　對于預(yù)計產(chǎn)量低于 250，000 件的產(chǎn)品，通常最好使用集成無線電、相關(guān)天線和射頻元件的藍牙模塊以及支持藍牙協(xié)議棧和管理的 MCU 來簡化和縮短設(shè)計周期收音機。有幾家公司以多芯片 SoC 的形式提供完整的藍牙模塊，非常適合空間受限或中大批量應(yīng)用。德州儀器 （TI） 的CC2540和CC2541系列等模塊通常采用 BGA 封裝，通常通過 UART 串??行接口與其主機 MCU 交換數(shù)據(jù)。一些模塊還提供了 ASCII 命令模式，使主機能夠使用簡單的指令集來配置和控制模塊。

　　CC2541 是真正的單芯片低功耗藍牙解決方案，包括無線電、用于運行低功耗藍牙堆棧和應(yīng)用程序的 8051 MCU 以及集成閃存。大多數(shù)應(yīng)用不需要外部 MCU 或外部存儲器 IC。

　　采用小型板裝封裝形式的模塊是易于集成和成本之間的完美折衷（圖 2）。許多制造商都提供緊湊型模塊，包括 BlueRadios、Microchip （Microchip 模塊）和 RFM（RFM 模塊）。即插即用設(shè)備可作為 USB 加密狗和串行端口適配器從CSR等供應(yīng)商處獲得和微芯片技術(shù)。通過偽裝成常用的 I/O 設(shè)備并使用主機系統(tǒng)現(xiàn)有的軟件驅(qū)動程序來交換數(shù)據(jù)和控制消息，它們可以快速輕松地將藍牙功能添加到舊產(chǎn)品中。藍牙串行端口適配器和 USB 加密狗最流行的應(yīng)用之一是所謂的“電纜替代”產(chǎn)品，它提供 RS-232、USB 或其他常見有線接口的無線等效功能。3

　　圖 ：Microchip Technology 的 RN-41 和 RN-42 等藍牙模塊可以為中小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品提供快速上市時間和經(jīng)濟高效的無線連接。藍牙模塊常用的一些嵌入式應(yīng)用包括條形碼掃描儀、測量/監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)傳感和控制、醫(yī)療設(shè)備和資產(chǎn)跟蹤。（由 Microchip Technologies 提供）

　　互操作性

　　大多數(shù)制造商為其藍牙組件提供參考設(shè)計和易于定制的應(yīng)用軟件，從而消除了許多常見的設(shè)計級硬件/軟件問題。一般來說，如果設(shè)備和堆棧經(jīng)過互操作性測試，大多數(shù)藍牙配置文件配對應(yīng)該可以無縫工作。低功耗藍牙中的所有數(shù)據(jù)通信均由 GATT（通用屬性配置文件）協(xié)議處理，該協(xié)議包含一組用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的標準程序。iOS、MacOS 和 Windows 8 等操作系統(tǒng)使用與藍牙 v4.0 核心規(guī)范中指定的 GATT 程序直接對應(yīng)的 API。這允許不同藍牙低功耗設(shè)備之間的強大互操作性。

　　自然，一些問題仍然困擾著粗心的設(shè)計師。雖然制造商的參考軟件將對其所有產(chǎn)品進行廣泛測試，但應(yīng)格外小心以確保各種配對模式與當前市場上盡可能多的其他設(shè)備類型的順利配對和互操作性。開發(fā)人員還必須小心確保任何自動啟動應(yīng)用程序在異構(gòu)硬件環(huán)境中正常工作。對于跨多個智能手機和計算機的互操作性也是如此，尤其是跨多個版本的操作系統(tǒng)（如 iOS 和 Android）。

　　使用藍牙低功耗技術(shù)的設(shè)計需要額外考慮。要在最小化系統(tǒng)能耗和保持可接受的響應(yīng)延遲之間取得理想平衡，設(shè)計人員必須牢牢掌握連接間隔和從屬延遲的概念。對于藍牙和雙模操作，設(shè)計人員需要考慮其應(yīng)用的連接頻率（始終連接或開/關(guān)），并將發(fā)射器的輸出功率調(diào)整到滿足應(yīng)用要求的最低水平。

　　參考

• 　　維護藍牙規(guī)范的藍牙特別興趣組織有一個網(wǎng)站，提供技術(shù)及其應(yīng)用的概述 https://www.bluetooth.org/Building/overview.htm。Wikipedia 的藍牙列表提供了更詳細的信息以及其他參考資源。
• 　　“經(jīng)典”藍牙和低功耗藍牙之間的區(qū)別在“深入了解藍牙低功耗技術(shù)”中進行了討論。
• 　　Roving Networks 提供了關(guān)于電纜更換技術(shù)的精彩介紹。