超低功率藍(lán)牙設(shè)計(jì)

2004年6月A版

　　按定義，藍(lán)牙解決方案的特點(diǎn)是低成本、低功耗，并且小巧玲瓏。但實(shí)際上果真如此嗎？而且，若是果真如此，超低功率設(shè)計(jì)也能行得通嗎？

　　在理想世界中，藍(lán)牙設(shè)備開發(fā)者的設(shè)計(jì)理念是：低功率、低成本和小尺度的完美結(jié)合。但在現(xiàn)實(shí)世界中，最令人擔(dān)心的是，他們將不得不以犧牲功耗指標(biāo)為代價(jià)，來滿足其他設(shè)計(jì)指標(biāo)的需求。

　　本文討論低功率藍(lán)牙解決方案，提出幾點(diǎn)設(shè)計(jì)人員必需重視的問題：

什么是超低功率藍(lán)牙？

　　首先，我們需要定義什么是超低功率。一般說，超低功率判據(jù)是低電流耗費(fèi)和低供應(yīng)電壓，即低功率消耗。

　　在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，正常運(yùn)行時(shí)電流消耗的多寡是頭等重要的。但是，使用時(shí)的待機(jī)電流和峰值電流的消耗量也相當(dāng)重要。通常，應(yīng)用的功率需求量決定了電池容量的研發(fā)方向，而待機(jī)功率和峰值功率的需求量則決定了電池技術(shù)的研發(fā)方向。

　　一般都認(rèn)為供應(yīng)電壓越低的設(shè)計(jì)越好。因而，最好討論并且比較一下，在不同操作模式下基于“能耗”的不同應(yīng)用和解決方案。最終，在超低功率設(shè)計(jì)中所有參數(shù)必需綜合平衡，因?yàn)樗鼈儧Q定了對電池的技術(shù)要求。

藍(lán)牙簡介

　　藍(lán)牙是用于多功能個(gè)人局域網(wǎng)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。其功能包括：全球性運(yùn)作、安全性、低成本、專用聯(lián)網(wǎng)，等等。大多數(shù)功能已經(jīng)從其他無線標(biāo)準(zhǔn)像HomeRF 和 WLAN 中知道。但當(dāng)仔細(xì)看一下藍(lán)牙時(shí)，有一個(gè)功能和其他無線標(biāo)準(zhǔn)之間并不總是通用的。這個(gè)功能就是“互操作性”。

　　不像其他無線標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙無線規(guī)范同時(shí)包括該產(chǎn)品鏈接層和應(yīng)用層的兩個(gè)定義。符合同一應(yīng)用層規(guī)范——“藍(lán)牙配置文件”——的所有藍(lán)牙設(shè)備都可以相互通話。這意味著，只要符合“藍(lán)牙配置文件”，不同廠商的產(chǎn)品可以確保相互溝通，實(shí)現(xiàn)“互操作性”。                        

　　把便攜式應(yīng)用或便攜式外設(shè)連到一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)上，可以作為一種典型的藍(lán)牙用戶模型。當(dāng)前，這些節(jié)點(diǎn)通常是筆記本電腦或手機(jī)。由此看來，可以很自然地定義兩類應(yīng)用：通信節(jié)點(diǎn)和便攜式外設(shè)。

應(yīng)用和功率

　　通信節(jié)點(diǎn)有虛擬的無限制功率分配。因而電池的尺寸被全部用途而不是只被藍(lán)牙功能所決定?；谒{(lán)牙的打印機(jī)和家用電器之類的外設(shè)以及各種應(yīng)用，是通信節(jié)點(diǎn)最典型的范例。

　　在某些通信節(jié)點(diǎn)中，雖然它們以電池供電，但因?yàn)榕c核心應(yīng)用相比，適用于藍(lán)牙子系統(tǒng)的功率分配次要得多，所以藍(lán)牙功耗并不很重要。在這種情況下，核心應(yīng)用是確定電池尺寸的主要因素。以下是幾個(gè)范例：                        

　　筆記本電腦—電池的能耗主要用于顯示。因而附加裝置不再要求低電壓或是低電流消耗。

　　USB端口—用有線的 USB 端口時(shí)無需藍(lán)牙解決方案，USB 端口能夠傳送的電流和電壓值高達(dá) 1.5 A 和 5 V，因而也不要求低電壓或低電流消耗。

　　手機(jī)—射頻功率放大器仍舊是確定能耗從而也是確定電池技術(shù)的主要因素。并且，既然傳輸功率通常已經(jīng)決定了總功率大小，就不需要再包含超低功率設(shè)計(jì)(包含固然不失為好事)。另外，低電流消耗當(dāng)然是好事，但低電壓實(shí)際上并不需要，因?yàn)橐话汶姵仉妷壕褪?3.6 V 左右。

便攜式外設(shè)

　　比較起來，基于藍(lán)牙的便攜式外設(shè)使用小藍(lán)牙配置文件，并且電池技術(shù)和容量幾乎總是被藍(lán)牙裝置的功耗所決定。藍(lán)牙功耗的任何減少都可以在總功率分配中直接看到。

　　因而，正如下列便攜式外設(shè)明顯地受益于專用的超低功率設(shè)計(jì)：

　　cF/SD/MS/SM 等接口卡——這些卡一般接在使用小功率電源的袖珍便攜式設(shè)備上，例如PDA 和數(shù)碼相機(jī)。此處，只要不被其中的電池所限，電壓為 3 V 時(shí)電流消耗大于 150 mA。因而低功耗、特別是低電流消耗是十分必要的。如為低電壓則更好，但實(shí)際上并不需要，因?yàn)橐话汶姵仉妷菏?3 V。

　　頭戴裝置——一般認(rèn)為，電池的大小決定了頭戴裝置的大小，甚至在最新的藍(lán)牙頭戴裝置解決方案中同樣如此。它意味著超低能耗也是十分必要的，對整體應(yīng)用，低電壓(純手機(jī)系統(tǒng)為 1.0 V 至 1.5 V)和低功耗都必不可少。

　　人機(jī)接口設(shè)備——通常包括鍵盤和鼠標(biāo)。再強(qiáng)調(diào)一下，可以理解，對于無線鼠標(biāo)，一般 6 個(gè)月或更久的電池壽命應(yīng)當(dāng)是強(qiáng)制性的。隨之而來的問題是，如何保持電池盡可能地小。對于鍵盤電池并不很重要，由于要承載較高的能耗，電池可以稍大。

設(shè)計(jì)工程師不得不割愛哪些高新技術(shù)？

　　在設(shè)計(jì)工作中，要協(xié)調(diào)不同用戶的產(chǎn)品并不容易。

　　為得到最低功耗解決方案，常常需要組合來自不同專有資源的設(shè)備和工具。當(dāng)不同廠家硬件和軟件混用時(shí)，“互操作性”的問題經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)。

　　要鋪平這條道路，就需要降低功率設(shè)計(jì)包括藍(lán)牙協(xié)議堆棧的門檻。進(jìn)而，使用 ARM7 控制器可以免除應(yīng)用問題，使開發(fā)人員無需再去簽訂把藍(lán)牙協(xié)議堆棧用于平臺(tái)的合同。對完整的低功率設(shè)計(jì)，理解新技術(shù)環(huán)境(各公司只遞送藍(lán)牙協(xié)議堆棧軟件)的方法還是不夠的。藍(lán)牙協(xié)議堆棧軟件常常是通用的，并且完全不是“把需求的存儲(chǔ)空間降至最低”的優(yōu)化解決方案。

　　低成本和低功率藍(lán)牙解決方案要求藍(lán)牙上層協(xié)議堆棧代碼生成器，它自動(dòng)生成優(yōu)化的上層協(xié)議堆棧軟件。這個(gè)工具使工程師能指定應(yīng)用環(huán)境，例如，主機(jī)控制器類型、外設(shè)和要求的配置文件，并且該工具生成專供這個(gè)特殊應(yīng)用的代碼。顯然，這個(gè)工具應(yīng)當(dāng)支持幾個(gè)硬件平臺(tái)，允許開發(fā)人員選擇最適用的解決方案。

除了成本，尺寸也關(guān)鍵

　　最后一個(gè)但不是最不重要的問題是，當(dāng)前適用的整合水平還不夠高。不僅要降低成本，還要縮小尺寸，并使之便于應(yīng)用，這些都是促進(jìn)整合解決方案提升的主要因素。

　　較短的產(chǎn)品壽命直接促成了更短的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。工程師們不得不在他們的設(shè)計(jì)中選擇適用的、合格的組件，特別是采用基于藍(lán)牙附件功能并且不屬于本公司核心能力的標(biāo)準(zhǔn)組件。這樣可以降低項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)，并且縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。

　　最新的打包技術(shù)像 LTCC 和 HTCC 的用法是拾級(jí)而上的一條途徑?；谀切┘夹g(shù)，甚至關(guān)鍵的無源組件也可以被整合成越來越接近真實(shí)方便、即插即用的藍(lán)牙模塊的優(yōu)化。

設(shè)計(jì)人員和終端用戶會(huì)得到什么？

　　毋庸置疑，當(dāng)今市場的推手是移動(dòng)通信。頭戴裝置銷量節(jié)節(jié)上升是移動(dòng)電話市場增長、健康問題(電子煙霧)和官方規(guī)定的必然結(jié)果。而且，世界各國都在推動(dòng)駕駛車輛時(shí)禁用手機(jī)的立法。這預(yù)示著車輛裝備藍(lán)牙的方案可望普及推廣。當(dāng)今，BMW、DaimlerChrysler、Saab、Citroen 等便是宣布進(jìn)軍藍(lán)牙汽車領(lǐng)域的少數(shù)幾家制造商。

　　某些預(yù)言家認(rèn)為，車載通信不會(huì)是決定藍(lán)牙遠(yuǎn)期的成敗利鈍。但幾乎毫無疑問，它是藍(lán)牙必經(jīng)之路上的一大關(guān)口。如果藍(lán)牙在汽車內(nèi)能夠成功，它將會(huì)有力地推動(dòng)整個(gè)藍(lán)牙消費(fèi)應(yīng)用呈爆炸式成長。

　　除了其他車內(nèi)娛樂設(shè)備(游戲機(jī)、頭戴式電話)，頭戴裝置將是汽車內(nèi)最有吸引力的應(yīng)用之一。

　　頭戴裝置將會(huì)大批量上市，供手機(jī)、PC 和 PDA 移動(dòng)設(shè)備用。一般說，當(dāng)前藍(lán)牙頭戴裝置市價(jià)為大約 100 美元起還算公平合理。但這些產(chǎn)品會(huì)不會(huì)成功，將依賴于制造商能否達(dá)到幾個(gè)關(guān)鍵性的里程碑式的標(biāo)準(zhǔn)。

　　首先，一般形成的共識(shí)是，消費(fèi)水平價(jià)格需要降低到 50 美元左右。這似乎是消費(fèi)者愿意為無線頭戴裝置功能付出的滿意價(jià)位。

　　其次，消費(fèi)者需要知道，同其他無線標(biāo)準(zhǔn)相比，使用藍(lán)牙技術(shù)的安全性和各方面的好處。這包括對藍(lán)牙無線頭戴裝置的認(rèn)同，像出色的音質(zhì)、抗射頻干擾和最后一個(gè)但并非最不重要的價(jià)格問題。

　　另一個(gè)市場制約的因素自然是，消費(fèi)者在購買藍(lán)牙技術(shù)頭戴裝置時(shí)自然要尋求舒適度。除了音質(zhì)和外殼，電池壽命也越來越重要。

　　目前，市場上的藍(lán)牙頭戴裝置使用不太大的電池，通話時(shí)間比 4 小時(shí)也長不了多少。

當(dāng)前的藍(lán)牙和功率

　　當(dāng)討論無線頭戴裝置和低功率時(shí)，所用的電池技術(shù)舉足輕重。通話多的手機(jī)用戶比不常通話的用戶對電池技術(shù)的要求更為迫切。一般說，手機(jī)用戶按使用量可以分為三級(jí)：

　　低端用戶：每天少于半小時(shí)。

　　中間用戶：每天一小時(shí)左右。

　　高端用戶：每天多于一個(gè)半小時(shí)。

　　本行業(yè)開始注意的一個(gè)領(lǐng)域是干電池。對于不可充電的一次性電池，一個(gè)月為更換周期當(dāng)前尚能接受，它可以確定下述通話和待機(jī)時(shí)間：

　　低端用戶通話時(shí)間：15 小時(shí)，待機(jī)時(shí)間：200 小時(shí)。

　　中間用戶通話時(shí)間：30 小時(shí)，待機(jī)時(shí)間：400 小時(shí)。

　　高端用戶通話時(shí)間：45 小時(shí)，待機(jī)時(shí)間：600 小時(shí)。

　　頭戴裝置功耗一旦降低到這種程度：用盡一個(gè)一次性電池，就能得到 30 小時(shí)通話時(shí)間和 400 小時(shí)待機(jī)時(shí)間(中間用戶)，便可以用干電池代替可充電電池。這樣就有顯著降低頭戴裝置成本的潛力，由于可以使用更廉價(jià)的電池技術(shù)，無需再非得提供充電器。

　　為了切實(shí)可行，藍(lán)牙頭戴耳機(jī)在全運(yùn)作(同步面向連接 SCO 高質(zhì)量語音分組 HV3)時(shí)，功耗必需是在 15 mW 的數(shù)量級(jí)上?，F(xiàn)在電壓1.8 V時(shí)功耗為 25 mW的解決方案已經(jīng)接近，但還不是最終解決方案。

結(jié)語

　　這里對藍(lán)牙頭戴裝置的討論表明：對某些用途，認(rèn)真實(shí)施超低功率藍(lán)牙設(shè)計(jì)，將不僅能降低整體成本，使藍(lán)牙設(shè)計(jì)對終端消費(fèi)者更富于吸引力，它也會(huì)使任何新型“便攜式外設(shè)”的應(yīng)用更具可行性。最新一代的藍(lán)牙模塊格外精致小巧。現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)是尺度、功能和對任務(wù)適用性的經(jīng)濟(jì)，所有這些都是藍(lán)牙開發(fā)的長期目標(biāo)?！?潘曉宇)

索愛發(fā)布車載藍(lán)牙HCB-300，

將于今年3季度面市