如何将蓝牙技术集成到嵌入式系统

　　提到蓝牙，非工程师首先想到的是无线耳机，它似乎从几乎每个智能手机用户的耳朵里冒出来。另一方面，嵌入式设计人员看到了一种低成本、可互操作、电池友好的技术，可以使他们的产品与越来越多的消费类和工业设备交换数据文件和多媒体流。在本文中，我们将探讨成功集成该技术所涉及的一些设计问题，以及专为嵌入式应用设计的新一代蓝牙设备的架构和功能集。

　　蓝牙及其近亲蓝牙低功耗为血糖仪（上）、血压计或其他医疗保健设备（下）等嵌入式应用与标准智能手机或平板电脑。

　　不同的配置文件

　　原始蓝牙规范¹ 及其所有变体在全球未经许可的工业、科学和医疗 （ISM） 2.4 GHz 短程频段内使用跳频扩频传输运行。目前市场上几乎所有的设备都支持蓝牙 v1.2 规范及其 720 kbit/s 的数据速率。甚至许多低成本产品也支持 V2.0/V2.1 +EDR 规范，这些规范具有更高的安全性、更简单的设备配对以及可降低功耗的模式。最近推出的蓝牙低功耗规范² 以降低数据速率和缩短有效范围为代价显着降低了功耗。

　　为了简化应用程序开发和互操作性，蓝牙采用所谓的“配置文件”，它为特定用例定义主节点和从节点的功能和行为。除了蜂窝配件（耳机、免提和高级音频分配或 A2DP）使用的配置文件外，还有许多支持关键嵌入式功能的配置文件。例如，人机接口设备 （HID） 配置文件为鼠标、操纵杆、键盘以及简单的按钮和指示器等设备提供支持，而基本打印配置文件 （BPP） 允许设备发送文本、电子邮件、电子名片、或其他项目到打印机。其他配置文件执行特定于应用程序的任务，例如健康设备配置文件 （HDP） 或视频分发配置文件 （VDP）。还有其他个人资料，例如模拟串行 RS-232 有线数据连接的串行端口配置文件 （SPP），执行可用作嵌入式系统的通用 M2M 接口的通用功能。创建低功耗蓝牙产品不需要标准化的“配置文件”，允许制造商编写自己的“自定义配置文件”来支持其应用程序的需求。

　　芯片、模块还是加密狗？

　　支持蓝牙所需的程序和数据存储器取决于特定应用中使用的特定 MCU、无线电和配置文件。但是，作为一个典型示例，德州仪器（TI） 的 MCU 蓝牙堆栈将占用 MCU 大约 100 KB 的代码空间，其余部分可供应用程序免费使用。TI 的 CC2564 蓝牙/低功耗蓝牙无线电解决方案包括适用于MSP430和Stellaris®等多种流行 TI MCU 的预集成蓝牙和蓝牙低功耗软件堆栈。 同样，TI 表示，对于大多数低功耗蓝牙应用，协议栈也将消耗大约 100 KB 的代码空间。如果您的团队拥有足够的射频专业知识和软件技能，可以将控制器的应用程序代码与支持协议栈所需的代码集成在一起，那么投入 12 到 18 个月的开发时间将通过更高效的设计和更低的生产成本得到丰厚回报。

　　对于预计产量低于 250，000 件的产品，通常最好使用集成无线电、相关天线和射频元件的蓝牙模块以及支持蓝牙协议栈和管理的 MCU 来简化和缩短设计周期收音机。有几家公司以多芯片 SoC 的形式提供完整的蓝牙模块，非常适合空间受限或中大批量应用。德州仪器 （TI） 的CC2540和CC2541系列等模块通常采用 BGA 封装，通常通过 UART 串​​行接口与其主机 MCU 交换数据。一些模块还提供了 ASCII 命令模式，使主机能够使用简单的指令集来配置和控制模块。

　　CC2541 是真正的单芯片低功耗蓝牙解决方案，包括无线电、用于运行低功耗蓝牙堆栈和应用程序的 8051 MCU 以及集成闪存。大多数应用不需要外部 MCU 或外部存储器 IC。

　　采用小型板装封装形式的模块是易于集成和成本之间的完美折衷（图 2）。许多制造商都提供紧凑型模块，包括 BlueRadios、Microchip （Microchip 模块）和 RFM（RFM 模块）。即插即用设备可作为 USB 加密狗和串行端口适配器从CSR等供应商处获得和微芯片技术。通过伪装成常用的 I/O 设备并使用主机系统现有的软件驱动程序来交换数据和控制消息，它们可以快速轻松地将蓝牙功能添加到旧产品中。蓝牙串行端口适配器和 USB 加密狗最流行的应用之一是所谓的“电缆替代”产品，它提供 RS-232、USB 或其他常见有线接口的无线等效功能。³

　　图 ：Microchip Technology 的 RN-41 和 RN-42 等蓝牙模块可以为中小批量生产的产品提供快速上市时间和经济高效的无线连接。蓝牙模块常用的一些嵌入式应用包括条形码扫描仪、测量/监控系统、工业传感和控制、医疗设备和资产跟踪。（由 Microchip Technologies 提供）

　　互操作性

　　大多数制造商为其蓝牙组件提供参考设计和易于定制的应用软件，从而消除了许多常见的设计级硬件/软件问题。一般来说，如果设备和堆栈经过互操作性测试，大多数蓝牙配置文件配对应该可以无缝工作。低功耗蓝牙中的所有数据通信均由 GATT（通用属性配置文件）协议处理，该协议包含一组用于发送和接收数据的标准程序。iOS、MacOS 和 Windows 8 等操作系统使用与蓝牙 v4.0 核心规范中指定的 GATT 程序直接对应的 API。这允许不同蓝牙低功耗设备之间的强大互操作性。

　　自然，一些问题仍然困扰着粗心的设计师。虽然制造商的参考软件将对其所有产品进行广泛测试，但应格外小心以确保各种配对模式与当前市场上尽可能多的其他设备类型的顺利配对和互操作性。开发人员还必须小心确保任何自动启动应用程序在异构硬件环境中正常工作。对于跨多个智能手机和计算机的互操作性也是如此，尤其是跨多个版本的操作系统（如 iOS 和 Android）。

　　使用蓝牙低功耗技术的设计需要额外考虑。要在最小化系统能耗和保持可接受的响应延迟之间取得理想平衡，设计人员必须牢牢掌握连接间隔和从属延迟的概念。对于蓝牙和双模操作，设计人员需要考虑其应用的连接频率（始终连接或开/关），并将发射器的输出功率调整到满足应用要求的最低水平。

　　参考

• 　　维护蓝牙规范的蓝牙特别兴趣组织有一个网站，提供技术及其应用的概述 https://www.bluetooth.org/Building/overview.htm。Wikipedia 的蓝牙列表提供了更详细的信息以及其他参考资源。
• 　　“经典”蓝牙和低功耗蓝牙之间的区别在“深入了解蓝牙低功耗技术”中进行了讨论。
• 　　Roving Networks 提供了关于电缆更换技术的精彩介绍。