超低功率蓝牙设计

2004年6月A版

　　按定义，蓝牙解决方案的特点是低成本、低功耗，并且小巧玲珑。但实际上果真如此吗？而且，若是果真如此，超低功率设计也能行得通吗？

　　在理想世界中，蓝牙设备开发者的设计理念是：低功率、低成本和小尺度的完美结合。但在现实世界中，最令人担心的是，他们将不得不以牺牲功耗指标为代价，来满足其他设计指标的需求。

　　本文讨论低功率蓝牙解决方案，提出几点设计人员必需重视的问题：

什么是超低功率蓝牙？

　　首先，我们需要定义什么是超低功率。一般说，超低功率判据是低电流耗费和低供应电压，即低功率消耗。

　　在大多数设计中，正常运行时电流消耗的多寡是头等重要的。但是，使用时的待机电流和峰值电流的消耗量也相当重要。通常，应用的功率需求量决定了电池容量的研发方向，而待机功率和峰值功率的需求量则决定了电池技术的研发方向。

　　一般都认为供应电压越低的设计越好。因而，最好讨论并且比较一下，在不同操作模式下基于“能耗”的不同应用和解决方案。最终，在超低功率设计中所有参数必需综合平衡，因为它们决定了对电池的技术要求。

蓝牙简介

　　蓝牙是用于多功能个人局域网的无线通信标准。其功能包括：全球性运作、安全性、低成本、专用联网，等等。大多数功能已经从其他无线标准像HomeRF 和 WLAN 中知道。但当仔细看一下蓝牙时，有一个功能和其他无线标准之间并不总是通用的。这个功能就是“互操作性”。

　　不像其他无线标准，蓝牙无线规范同时包括该产品链接层和应用层的两个定义。符合同一应用层规范——“蓝牙配置文件”——的所有蓝牙设备都可以相互通话。这意味着，只要符合“蓝牙配置文件”，不同厂商的产品可以确保相互沟通，实现“互操作性”。                        

　　把便携式应用或便携式外设连到一个通信节点上，可以作为一种典型的蓝牙用户模型。当前，这些节点通常是笔记本电脑或手机。由此看来，可以很自然地定义两类应用：通信节点和便携式外设。

应用和功率

　　通信节点有虚拟的无限制功率分配。因而电池的尺寸被全部用途而不是只被蓝牙功能所决定。基于蓝牙的打印机和家用电器之类的外设以及各种应用，是通信节点最典型的范例。

　　在某些通信节点中，虽然它们以电池供电，但因为与核心应用相比，适用于蓝牙子系统的功率分配次要得多，所以蓝牙功耗并不很重要。在这种情况下，核心应用是确定电池尺寸的主要因素。以下是几个范例：                        

　　笔记本电脑—电池的能耗主要用于显示。因而附加装置不再要求低电压或是低电流消耗。

　　USB端口—用有线的 USB 端口时无需蓝牙解决方案，USB 端口能够传送的电流和电压值高达 1.5 A 和 5 V，因而也不要求低电压或低电流消耗。

　　手机—射频功率放大器仍旧是确定能耗从而也是确定电池技术的主要因素。并且，既然传输功率通常已经决定了总功率大小，就不需要再包含超低功率设计(包含固然不失为好事)。另外，低电流消耗当然是好事，但低电压实际上并不需要，因为一般电池电压就是 3.6 V 左右。

便携式外设

　　比较起来，基于蓝牙的便携式外设使用小蓝牙配置文件，并且电池技术和容量几乎总是被蓝牙装置的功耗所决定。蓝牙功耗的任何减少都可以在总功率分配中直接看到。

　　因而，正如下列便携式外设明显地受益于专用的超低功率设计：

　　cF/SD/MS/SM 等接口卡——这些卡一般接在使用小功率电源的袖珍便携式设备上，例如PDA 和数码相机。此处，只要不被其中的电池所限，电压为 3 V 时电流消耗大于 150 mA。因而低功耗、特别是低电流消耗是十分必要的。如为低电压则更好，但实际上并不需要，因为一般电池电压是 3 V。

　　头戴装置——一般认为，电池的大小决定了头戴装置的大小，甚至在最新的蓝牙头戴装置解决方案中同样如此。它意味着超低能耗也是十分必要的，对整体应用，低电压(纯手机系统为 1.0 V 至 1.5 V)和低功耗都必不可少。

　　人机接口设备——通常包括键盘和鼠标。再强调一下，可以理解，对于无线鼠标，一般 6 个月或更久的电池寿命应当是强制性的。随之而来的问题是，如何保持电池尽可能地小。对于键盘电池并不很重要，由于要承载较高的能耗，电池可以稍大。

设计工程师不得不割爱哪些高新技术？

　　在设计工作中，要协调不同用户的产品并不容易。

　　为得到最低功耗解决方案，常常需要组合来自不同专有资源的设备和工具。当不同厂家硬件和软件混用时，“互操作性”的问题经常会出现。

　　要铺平这条道路，就需要降低功率设计包括蓝牙协议堆栈的门槛。进而，使用 ARM7 控制器可以免除应用问题，使开发人员无需再去签订把蓝牙协议堆栈用于平台的合同。对完整的低功率设计，理解新技术环境(各公司只递送蓝牙协议堆栈软件)的方法还是不够的。蓝牙协议堆栈软件常常是通用的，并且完全不是“把需求的存储空间降至最低”的优化解决方案。

　　低成本和低功率蓝牙解决方案要求蓝牙上层协议堆栈代码生成器，它自动生成优化的上层协议堆栈软件。这个工具使工程师能指定应用环境，例如，主机控制器类型、外设和要求的配置文件，并且该工具生成专供这个特殊应用的代码。显然，这个工具应当支持几个硬件平台，允许开发人员选择最适用的解决方案。

除了成本，尺寸也关键

　　最后一个但不是最不重要的问题是，当前适用的整合水平还不够高。不仅要降低成本，还要缩小尺寸，并使之便于应用，这些都是促进整合解决方案提升的主要因素。

　　较短的产品寿命直接促成了更短的产品开发时间。工程师们不得不在他们的设计中选择适用的、合格的组件，特别是采用基于蓝牙附件功能并且不属于本公司核心能力的标准组件。这样可以降低项目的风险，并且缩短产品的上市时间。

　　最新的打包技术像 LTCC 和 HTCC 的用法是拾级而上的一条途径。基于那些技术，甚至关键的无源组件也可以被整合成越来越接近真实方便、即插即用的蓝牙模块的优化。

设计人员和终端用户会得到什么？

　　毋庸置疑，当今市场的推手是移动通信。头戴装置销量节节上升是移动电话市场增长、健康问题(电子烟雾)和官方规定的必然结果。而且，世界各国都在推动驾驶车辆时禁用手机的立法。这预示着车辆装备蓝牙的方案可望普及推广。当今，BMW、DaimlerChrysler、Saab、Citroen 等便是宣布进军蓝牙汽车领域的少数几家制造商。

　　某些预言家认为，车载通信不会是决定蓝牙远期的成败利钝。但几乎毫无疑问，它是蓝牙必经之路上的一大关口。如果蓝牙在汽车内能够成功，它将会有力地推动整个蓝牙消费应用呈爆炸式成长。

　　除了其他车内娱乐设备(游戏机、头戴式电话)，头戴装置将是汽车内最有吸引力的应用之一。

　　头戴装置将会大批量上市，供手机、PC 和 PDA 移动设备用。一般说，当前蓝牙头戴装置市价为大约 100 美元起还算公平合理。但这些产品会不会成功，将依赖于制造商能否达到几个关键性的里程碑式的标准。

　　首先，一般形成的共识是，消费水平价格需要降低到 50 美元左右。这似乎是消费者愿意为无线头戴装置功能付出的满意价位。

　　其次，消费者需要知道，同其他无线标准相比，使用蓝牙技术的安全性和各方面的好处。这包括对蓝牙无线头戴装置的认同，像出色的音质、抗射频干扰和最后一个但并非最不重要的价格问题。

　　另一个市场制约的因素自然是，消费者在购买蓝牙技术头戴装置时自然要寻求舒适度。除了音质和外壳，电池寿命也越来越重要。

　　目前，市场上的蓝牙头戴装置使用不太大的电池，通话时间比 4 小时也长不了多少。

当前的蓝牙和功率

　　当讨论无线头戴装置和低功率时，所用的电池技术举足轻重。通话多的手机用户比不常通话的用户对电池技术的要求更为迫切。一般说，手机用户按使用量可以分为三级：

　　低端用户：每天少于半小时。

　　中间用户：每天一小时左右。

　　高端用户：每天多于一个半小时。

　　本行业开始注意的一个领域是干电池。对于不可充电的一次性电池，一个月为更换周期当前尚能接受，它可以确定下述通话和待机时间：

　　低端用户通话时间：15 小时，待机时间：200 小时。

　　中间用户通话时间：30 小时，待机时间：400 小时。

　　高端用户通话时间：45 小时，待机时间：600 小时。

　　头戴装置功耗一旦降低到这种程度：用尽一个一次性电池，就能得到 30 小时通话时间和 400 小时待机时间(中间用户)，便可以用干电池代替可充电电池。这样就有显著降低头戴装置成本的潜力，由于可以使用更廉价的电池技术，无需再非得提供充电器。

　　为了切实可行，蓝牙头戴耳机在全运作(同步面向连接 SCO 高质量语音分组 HV3)时，功耗必需是在 15 mW 的数量级上。现在电压1.8 V时功耗为 25 mW的解决方案已经接近，但还不是最终解决方案。

结语

　　这里对蓝牙头戴装置的讨论表明：对某些用途，认真实施超低功率蓝牙设计，将不仅能降低整体成本，使蓝牙设计对终端消费者更富于吸引力，它也会使任何新型“便携式外设”的应用更具可行性。最新一代的蓝牙模块格外精致小巧。现在的经济是尺度、功能和对任务适用性的经济，所有这些都是蓝牙开发的长期目标。■(潘晓宇)

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