Bluetooth Low Energy系统的开发
品慧电子讯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。本文就Bluetooth Low Energy系统的开发进行详细介绍。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）
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。
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）
图3：Bluetooth® LE模块的外形照片和结构12下一页>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）。
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。
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。<上一页12
