Bluetooth® Low Energy系统的开发

2014年2月18日

在通过与智能手机和平板终端的结合来提高利便性的应用(例如钟表、健身/保健器材等)中,Bluetooth® LE(Low Energy)正得到迅速普及。在这些应用中,纽扣电池驱动的设备居多,为了实现更长的电池寿命与更高的性能,对于低功耗化的要求日益强劲。不仅如此,由于毫无无线体验经验的用户也可通过身边的智能手机等连接Bluetooth® LE,因此,Bluetooth® LE在众多产品中的应用趋势已势不可挡。另一方面,要想利用以Bluetooth® LE为首的无线系统,必须在特定的实验机构进行合标确认,并获得各国规定的无线电认证。因此,在研究从零开始构建系统时,需要充分的无线及协议相关知识,否则,极有可能在产品即将推向市场之前遇阻停滞。
在这种情况下,ROHM(罗姆)旗下LAPIS Semiconductor开发出支持Bluetooth® LE的、实现业界顶级低耗电量(发送数据时9.8mA,接收数据时8.9mA,2秒间歇工作时的平均电流8μA)的LSI(ML7105-00x)。另外,取得耗时耗力的Bluetooth SIG认证和国内外无线电认证后向客户供货的模块也在开发中。
在此,针对本LSI和模块以及构建系统所需的示例软件、配置文件进行介绍说明。

<Bluetooth® LE LSI>
首先,针对Bluetooth® LE LSI(ML7105-00x)的内部结构进行说明。(图1)

Bluetooth® LE LSI(ML7105-00x)的内部结构
【图1】Bluetooth® LE LSI(ML7105-00x)的内部结构

本LSI搭载的电路块由无线单元(RF)、调制解调器单元(MODEM)、Bluetooth® LE控制器单元、低功耗逻辑单元、电源单元(Main Reg. / Low Power Reg.)、振荡电路单元(26MHz/32kHz)、主机接口单元(UART、I2C、SPI、GPIO)构成。各单元的主要功能分别是:无线单元提供2.4GHz数据发送电路和数据接收电路,发送系统通过D/A转换器将调制解调器单元(调制器)输入的调制信号转换为模拟信号,再通过本地PLL与2.4GHz频段的信号叠加。然后,通过功率放大器放大到足够的功率作为电波由天线发射。接收系统输入由天线捕捉到的各种强度的接收信号,由低噪声放大器放大微小信号。后面的混频器将2.4GHz频段的频率转换为几MHz左右的中间频率,输入到带通滤波器,仅选择所需信道的信号。接着,由限幅器将信号放大,传输给调制解调器单元(解调器)。这些无线单元的特点是,采用PLL直接调制方式,对各电路块整体进行优化,从而实现更低峰值电流(10mA以下)。
然后,在控制器单元进行Bluetooth® LE数据包的编码、解码处理,由链路处理单元(LL)与协议栈(GATT/ATT/SMP/GAP/L2CAP)发现设备并与发现的设备连接并提供双向通信。另外,通过与低功耗逻辑单元的联动,新开发了在电源关断时更加省电的抑制泄漏电流的电路;同时,还优化了Bluetooth® LE的协议处理固件,缩短了数据包收发数据处理时间,使工作时的耗电量更低。然后,电源单元内置主稳压器和低功耗稳压器,在非通信时仅通过功耗更低的低功耗稳压器进行数据存储。通过这些设计,实现了整体泄漏电流的最小化。振荡电路单元内置主要工作用的26MHz和低功耗工作用的32kHz。特别是主要工作用26MHz振荡电路是按Bluetooth® LE的连接间隔周期每次停动的,因此,通过调整,使从停动状态到启动之间的时间最短化,从而减少了待机电流。最后,主机接口单元配备了Bluetooth® LE标准化的HCI(UART)和LAPIS Semiconductor独有的BACI(SPI)。HCI主要与PC连接,可用于无线认证试验。BACI与安装了Bluetooth® LE配置文件和应用程序的主机微控制器连接,提供Bluetooth® LE服务。
BACI通过简化与主机之间的通信来降低访问频率。而且,在结构设计上采用通过事件使主机启动的结构,因此,是尽可能使主机停动来抑制耗电量的设计。综上所述,本LSI在整个结构模块上进行了降低耗电量的设计,从而,使纽扣电池驱动3年以上连续工作成为可能。主机和堆栈结构如图2所示。

主机和Bluetooth® LE控制器堆栈结构
【图2】主机和Bluetooth® LE控制器堆栈结构

<Bluetooth® LE模块>
接下来,针对Bluetooth® LE模块的结构进行说明。(图3)

Bluetooth® LE模块的外形照片和结构
【图3】Bluetooth® LE模块的外形照片和结构

本模块在Bluetooth® LE LSI (ML7105-00x)之外还内置有Pattern ANT、RF匹配电路、EEPROM、OSC。LAPIS Semiconductor出货时将通过Pattern ANT及RF匹配电路调整RF性能,因此,用户无需调整即可安装于商品中。EEPROM可存储主要含有RF调整值、通信模式、设备地址的配置参数,并可存储用户自己的参数。OSC由主时钟的26MHz晶体振荡器和调整电路构成,已调整为Bluetooth® LE所要求的频率精度。
该产品为将多数元器件一体化封装的SiP(System in Package)构造,因此,可与LSI同等处理。另外,产品将通过Bluetooth SIG认证的组件测试(RF、PHY、LL、4.0HCI、L2CAP、GAP、SMP、GATT/ATT)获得QDID后作为模块提供给客户,因此,作为最终产品注册时,只需嵌入用户准备的配置文件即可轻松登记到Bluetooth SIG官网的产品一览中。还有,要想进行注册工作,需要事先向Bluetooth SIG成员(创始成员、加盟成员、应用成员)登记。另外,该产品计划在获得日本国内外无线电认证后进行供货,因此,可直接在日本国内以及获得认证的海外地区操作Bluetooth® LE(输出电波),客户可在短时间内快速导入到商品中。

<Bluetooth® LE评估套件和示例软件>
为了提高LAPIS Semiconductor的Bluetooth® LE产品的导入速度与开发速度,公司准备了评估套件和示例软件。评估套件(图4)包含USB加密狗和无线传感器节点,可通过PC操作Bluetooth® LE通信(各种传感器数据接收、LED ON/OFF控制)。

Bluetooth® LE开发评估套件
【图4】Bluetooth® LE开发评估套件

示例软件(图5)包含可安装于主机微控制器的独有配置文件VSSPP(Vendor Specific Serial Port Profile)/VSP(Vendor Specification Profile),使用这些软件,可通过基于UART的终端通信轻松确认P2P(对等计算,PEER-TO-PEER)的Bluetooth® LE通信控制。
此外,LAPIS Semiconductor还开设了技术支持网站。
(URL: https://www.lapis-semi.com/cgi-bin/MyLAPIS/regi/login.cgi
该网站提供相关的数据表、用户手册、设计指南、评估套件用户手册等,为用户的开发提供支持。

示例软件的结构
【图5】示例软件的结构

连接时已实施配对,限制其后的连接设备,实现加密数据通信。另外,可作为点对点的Bluetooth® LE设备与智能手机通信,使用专用的智能手机应用程序,可确认独有配置文件的服务。

<Bluetooth® LE配置文件>
为使用Bluetooth® LE正确通信,与主终端与从终端相同,需要安装一样配置文件。配置文件为层次结构,内部有定义几个服务及其属性(read/write等)的特征值。例如,在Heart Rate Profile中有Heart Rate Service和Device Information Service等。LAPIS Semiconductor相继开发了标准配置文件,所有的配置文件都是与第三方联合开发的,预计均可供货,并有望支持向用户平台的移植。

<未来展望>
今后,Bluetooth® LE的应用范围有望进一步扩大,对更低耗电量、更加小型、系统开发更容易的需求日益强劲。因此,继当前的ML7105系列之后,LAPIS Semiconductor正在开发后续系列。根据计划,后续系列不仅耗电量进一步降低,而且,为满足小型化需求,采用超小型薄型封装的WL-CSP(Wafer Level Chip Size Package),产品阵容将更加丰富。另外,为了比以往更容易导入Bluetooth® LE,在目前开发中的模块基础上,LAPIS Semiconductor还计划开发内置主机微控制器和ROHM集团开发的各种传感器的SiP模块。
LAPIS Semiconductor同时还在探讨满足进一步高性能化(高速传输、树连接等)的需求,结合最新的Bluetooth® LE Core Spec4.1标准,公司今后将一如既往地为客户提供一站式解决方案。

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