新闻中心

EEPW首页 > 手机与无线通信 > 设计应用 > 蓝牙低功耗无线技术的价值

蓝牙低功耗无线技术的价值

作者:Thomas Embla Bonnerud,Nordic Semiconductor超低功耗无线通讯部产品经理时间:2008-09-08来源:EDN China收藏

  技术取得成功的关键。人们希望,使用普通的钮扣电池的装置可运行几个月甚至几年。人们对设想的目标市场和产品路线是十分清晰的,目前预计样机的推出和标准的批准会在同一个时间。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/87792.htm

  在短距离低功率无线领域,似乎蓝牙技术的地位已经不容置疑。但在功耗和成本成为主要约束的情况下,应用就受到了限制,较高的功耗使其应用不能使用功率极小的钮扣电池(图1)。此外,越来越多的产品要求装置和设备之间要能够实现无线协作,以现行的蓝牙技术,这只是一个梦想。

  蓝牙低功耗无线技术填补空白

  在研究人员视蓝牙低功耗无线技术(ULP蓝牙)为新的希望之前,想把无线连接加到设计中的设计工程师面对着扑朔迷离的各种选择,如WiMAX(IEEE802.16d)、(IEEE802.11b/g/n)、蓝牙(IEEE802.11.15.1)、(IEEE802.15.4)。不同的技术似乎覆盖了整个无线通讯领域,包括从远距离、高带宽一直到短距离、低功耗(适合电池供电的便携式装置使用)。但是,许多工程师意识到迫切需要另外一种无线射频技术,其能够在小型个人便携式产品之间协作,而且耗电量极小,电池的寿命能够达到数月至一年。

  由于缺乏这样一个开放的标准,在消费类应用系统领域留下了一个利润丰厚的市场,它需要专门的解决方案来填补(在发射或接收时低于15mA且平均电流在微安的范围)短距离(数十米)无线连接的空白。

  专有解决方案都具备高带宽、抗干扰、价格好、电池寿命令人羡慕的特点。例如,Nordic Semiconductor的nRF24xxx系列2.4 GHz收发器在全球数以百万计的无线鼠标器、键盘、保健传感器和运动手表中应用得非常成功;其中nRF24l01收发器在发射或接收功率为0dBm、速度为2Mbps时,消耗电流约12mA;把Nordic的nRF2601无线桌面协议(WDP)用在无线鼠标器中时,正常使用的情况下两节AA电池的寿命约为一年,相比之下,使用蓝牙的同类鼠标器寿命仅一个月。

  专有解决方案的产品的缺点是彼此之间不能协作。点到点连接的终端产品制造商主要通过专有解决方案的优异性价比获利,而几乎都不关心这个问题。但一些想以无线方式和其他公司产品连接起来,或想使用其他的收发器的制造商,就不能采用专有解决方案。而这些公司正是蓝牙低功耗无线技术所针对的客户。

  扩大无线连接

  很多人说,开放标准增加了繁琐的官僚作风、扼杀了创新,但如果没有1998年成立的非营利组织Bluetooth SIG(蓝牙技术联盟),很有可能蓝牙技术不会像现在这样蓬勃发展。在最初几年,只有为数不多的赞助者大量地投资到技术规范的制定、市场宣传和推广上,而且没有人能保证它一定成功。此外,由于得到的支持有限,有些公司可能望而却步,因为害怕过时而不会纳入自己的产品中。蓝牙作为一个开放标准,鼓励半导体厂商之间进行良性竞争,促成了一系列相互竞争然而能够协同运作的产品和服务,而也正是Bluetooth SIG培育了新兴的Wibree技术,并将其作为“蓝牙无线技术(ULP蓝牙)”纳入蓝牙技术规范。

  最早,诺基亚只想Wibree与Bluetooth SIG能很好地相处,以手机作为无线PAN的中心,协调无线外设一起工作。目前,几乎所有最基本的移动电话都装了蓝牙芯片,手机能够很容易地与其他设备进行通信。但是Bluetooth SIG已经认识到,如果这个通信功能可以延伸到安装了超低功耗无线连接的传感器或者其他装置,如装有心率传感器、脚步加速度传感器的智能型运动手表、具有远距离射频控制功能的装置、保健传感器等,它的应用是无止境的。

  目前的蓝牙做不到这样的连接性,因为用于移动电话的任何外围设备必须很小、重量轻,要用钮扣电池供电。此外,手机制造商并不想在移动电话中另外增加射频装置。但是如果无线手机外设使用ULP蓝牙,而且在手机上配备经过适当修改的蓝牙芯片(加入超低功耗的功能),这一切将很容易实现。

  蓝牙低功耗无线技术

  ULP蓝牙技术的规范草案对超低功耗短距离射频通信技术作了详细规定,这是一个简化的协议,并与蓝牙技术整合在一起。根据目前的估计,协作规范(也称作互操作或互用性规范)的第一个商用版本将在2008年下半年出台。

  ULP蓝牙技术和蓝牙工作频率一样为2.4GHz,这是供工业、科学和医疗(ISM)使用的波段。它的物理层的比特率为1Mb/s,作用距离达到15m。该带宽可能超出工程的需要,但却是经过精心选择的。多年实地经验与专有技术(如Nordic的nRF24xxx收发器)的使用经验,以及按给定的数据量在发射功率(随着带宽增加而增大)和工作周期(随着带宽增加而下降)之间的权衡比较表明,1Mb/s的速度是最合适的。

  ULP蓝牙技术规范有“双模式”和“独立式”两种实施方案。“双模式”是把蓝牙低功耗功能加到传统的蓝牙电路中。这样的芯片具备现有蓝牙技术的大部分功能和射频功能,与现在的芯片相比,增加的费用是最少的(图2)。

  独立式芯片是集成度很高而且尺寸很小的器件。简化的蓝牙低功耗无线技术协议栈有一个简化的链接层(LL),提供超低功耗的运行模式,它找到设备的过程很简单,点对多点的数据传输很可靠,具有先进的节电功能和加密功能。

  超低功耗是ULP蓝牙技术取得成功的关键。人们希望,使用普通的钮扣电池的装置可运行几个月甚至几年。独立式芯片通常工作在低工作周期的情形,进入超低功耗闲置和睡眠模式,定期地唤醒进行短时间的通讯。典型的独立式ULP蓝牙设备在运行时(例如运动手表与心率监测仪交换数据),芯片在发射或接收时消耗的最大电流不到15mA,在待机模式下降到约2mA,在睡眠模式则降到900nA。

  双模式芯片主要用于手机、多媒体电脑和个人电脑。芯片工作在ULP蓝牙模式时,功耗大约是普通蓝牙芯片的75%~80%。下一代双模式蓝牙芯片将具备蓝牙技术的大部分现有功能和射频功能,不过,由于双模式器件将使用蓝牙技术的部分硬件,它的功耗最终取决于蓝牙的实施情况。因此,双模式器件没有ULP蓝牙技术规范中列出的优势和可能性。

  潜力巨大

  最初使用蓝牙低功耗无线技术的有娱乐、医疗保健和办公电子设备。一个人在训练时可以利用配备了蓝牙双模式芯片的智能手机作为个人局域网(PAN)的中心,而组成这个PAN的设备有:安装了ULP蓝牙的跑鞋、心率腕带和运动手表。也有可能把这个数据传送到配备适当的GPS装置,它能够根据当前的进展速度预测使用者会到什么地方去。另外,运动手表能够与健身房中步行机上的ULP蓝牙芯片进行通信,把数据传送到智能电话上。ULP蓝牙也可以用来监测心率和血压,并定期地发送短信给医院的医生;或在跑步时记录心率、距离和速度,发送至其他手机上。在娱乐方面,甚至可以通过ULP蓝牙技术用移动电话驾驶玩具赛车避开障碍物。由于手机上的双模式蓝牙芯片能够与其他配备蓝牙的装置和配备ULP蓝牙的独立产品进行通信,许多新的商机会涌现。独立式芯片也将能够与其他的独立式芯片直接沟通。

  正如Nordic Semiconductor的CEO Svenn-Tore Larsen所说:一旦有一个低成本的方法把具备协作能力的无线连接加到任何由电池供电的设备上,那么它的潜力就非常巨大,特别是如果信息可以传送到手提电话并储存起来的话。

  前景无量

  人们对ULP蓝牙设想的目标市场和产品路线是十分清晰的,目前预计ULP蓝牙样机的推出和标准的批准会在同一个时间。ULP蓝牙技术迅速推广的唯一主要障碍可能在于非射频类工程师在把ULP蓝牙设计到产品中时可能会感到担忧。为了解决这个问题,Nordic Semiconductor一直在与这样的客户共同工作,以期提供一种可以提供高度集成的射频集成电路、蓝牙低功耗无线技术软件、开发工具和参考设计来缩短学习时间,加快进入市场速度的解决办法。

  到了2008年北京奥运盛会之际,我们将可以看到使用ULP蓝牙技术的手机在市场上出售。鉴于智能运动传感器和运动员状态表现监测将是蓝牙低功耗无线技术的一个主要市场,相信这令人振奋的新型无线技术将随2008年奥运会一起走向全球市场。



评论


相关推荐

技术专区

关闭