Beacon 技術(shù)旨在向短距離內(nèi)的用戶提供信息，例如在零售店或購物中心。雖然新興的基于位置的應(yīng)用程序依賴于在數(shù)百米范圍內(nèi)傳輸信標(biāo)的能力令人興奮，但開發(fā)人員受到傳統(tǒng)藍牙低功耗 （BLE） 無線電范圍的限制。

　　為了應(yīng)對遠(yuǎn)程信標(biāo)應(yīng)用中出現(xiàn)的新機遇，開發(fā)人員需要能夠提供顯著更高發(fā)射功率輸出的 BLE 解決方案，以及能夠加速這些設(shè)計開發(fā)的開發(fā)工具。Cypress Semiconductor 和Silicon Labs的藍牙收發(fā)器通過將藍牙無線電和功率放大器組合在一個封裝中來滿足這一需求。

　　本文將描述什么是信標(biāo)，討論設(shè)計選項，并提供一些解決方案來幫助開發(fā)人員快速啟動并運行支持 BLE 的遠(yuǎn)程信標(biāo)實現(xiàn)。

　　信標(biāo)為簡單的遠(yuǎn)程實施招手

　　信標(biāo)技術(shù)為構(gòu)建鄰近感知服務(wù)提供了一種相對簡單的機制。通過定期傳輸唯一標(biāo)識符和其他數(shù)據(jù)，信標(biāo)在某些有限的物理區(qū)域內(nèi)宣傳它們的存在。通過使用藍牙無線通信，信標(biāo)應(yīng)用程序可以利用智能手機和其他移動設(shè)備對藍牙的幾乎普遍支持。在這些移動設(shè)備上運行的應(yīng)用程序開發(fā)人員可以利用特定信標(biāo)信號的存在來呈現(xiàn)與移動用戶的物理位置相關(guān)的信息。例如，在零售店內(nèi)，應(yīng)用程序可以使用信標(biāo)來檢測個人何時接近商店內(nèi)的特定區(qū)域或柜臺并顯示相關(guān)的商店優(yōu)惠券。

　　盡管這些短程零售應(yīng)用是信標(biāo)的首批應(yīng)用之一，但遠(yuǎn)程信標(biāo)機會正在更廣泛的領(lǐng)域出現(xiàn)，包括資產(chǎn)管理、運輸、公共交通、航空航站樓、大型活動以及鄰近感知服務(wù)可以創(chuàng)造更高效率的任何領(lǐng)域車輛、包裹或個人的移動。然而，在服務(wù)于廣泛的物理區(qū)域時，合適的信標(biāo)硬件設(shè)計需要能夠在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出零售信標(biāo)支持范圍的范圍內(nèi)進行廣告宣傳。然而，硬件設(shè)計人員在擴展其無線系統(tǒng)的范圍時發(fā)現(xiàn)了一些基本限制。

　　設(shè)計選項

　　硬件工程師發(fā)現(xiàn)用于擴展無線通信范圍的設(shè)計選項數(shù)量有限。在給定范圍 （r） 上，接收器檢測到的功率 （Pr） 與發(fā)射功率 （Pt） 成正比，如 Friis 傳輸方程所述：

　　其中G r和G t分別為接收和發(fā)射天線增益，λ 為波長。

　　專有網(wǎng)絡(luò)的新無線設(shè)計通常可以自由移動到較低頻率以增加接收功率，從而允許更遠(yuǎn)范圍的操作。對于針對標(biāo)準(zhǔn)頻率和協(xié)議（如藍牙）的設(shè)計，可用的選項很有限。對于針對已安裝的接收器基礎(chǔ)的設(shè)計，例如智能手機和其他無線電靈敏度和天線有限的移動設(shè)備，選項的選擇會進一步減少。由于部署位置對天線尺寸和配置的限制，遠(yuǎn)程信標(biāo)設(shè)計人員可用的選項往往僅限于增加發(fā)射功率。

　　直到最近，增加藍牙設(shè)計的發(fā)射功率意味著射頻工程師需要設(shè)計定制的功率增益級，以遵循廣泛可用的現(xiàn)成藍牙收發(fā)器。即使在構(gòu)建這些電源電路方面擁有豐富的經(jīng)驗，工程師仍面臨著在不增加噪聲的情況下優(yōu)化信號路徑的持續(xù)挑戰(zhàn)。然而，RF 前端模塊 （FEM） 的出現(xiàn)現(xiàn)在為開發(fā)人員提供了一種更簡單的替代方案。

　　FEM 將功率放大器 （PA）、低噪聲放大器 （LNA） 或兩者結(jié)合在不同的設(shè)計中，經(jīng)過優(yōu)化以增加發(fā)射器功率輸出或接收器無線電靈敏度，而不會增加系統(tǒng)級設(shè)計復(fù)雜性。例如，Skyworks Solutions SKY66111-11 BLE FEM 將 PA 與用于雙向通信的簡單開關(guān)網(wǎng)絡(luò)集成在一起（圖 1a）。

　　圖 1a

　　圖 1b

　　圖 1：開發(fā)人員可以將 MCU GPIO 連接到 Skyworks Solutions SKY66111-11 BLE FEM 上的 CRX 和 CTX，以在通過功率放大器的 TX 輸出或通過低插入損耗路徑 （A） 的 RX 輸入之間切換，同時修改 VBIAS 上的電壓電平設(shè)置發(fā)射機功率輸出電平 （B）。（圖片來源：Skyworks Solutions）

　　為了擴展藍牙發(fā)射器或收發(fā)器的范圍，開發(fā)人員只需將藍牙設(shè)備的 RF I/O 端口連接到 FEM 輸入并添加最少數(shù)量的無源組件。BLE 設(shè)備制造商在范圍擴展器參考設(shè)計中使用這種方法。例如，Dialog Semiconductor在其自己的范圍擴展器 BLE 參考設(shè)計中將其DA14580 BLE SoC 與 Skyworks SKY66111-11 FEM 配對（圖 2）。

　　圖 2：使用 FEM 實現(xiàn)擴展范圍藍牙設(shè)計只需要從藍牙收發(fā)器 RF I/O 引腳連接到 FEM，如 Dialog Semiconductor 的此參考設(shè)計所示。（圖片來源：對話半導(dǎo)體）

　　盡管 FEM 簡化了功能設(shè)計，但它們對物理實現(xiàn)也提出了自己的挑戰(zhàn)。設(shè)計人員必須確保印刷電路板、模塊或封裝的物理設(shè)計提供有效的散熱，以確保長期的可靠性和性能。為了解決這個問題，3.3 x 3.0 mm Skyworks SKY66111-11 等 FEM 采用外露中心焊盤封裝以促進散熱。此外，Skyworks 為多個銅 PC 板通孔的放置和焊料覆蓋提供了具體指南，以增強導(dǎo)熱性并促進封裝的熱流（圖 3）。

　　圖 3：諸如 Skyworks Solutions SKY66111-11 之類的 FEM 包含一個外露的中心焊盤以促進散熱，并且需要一條互補的導(dǎo)熱路徑，該路徑包括內(nèi)置在 PC 板上的多個銅通孔。（圖片來源：Skyworks Solutions）

　　除了熱管理和電路板設(shè)計，元件選擇和布局也很關(guān)鍵。如果不仔細(xì)關(guān)注每一個細(xì)節(jié)，設(shè)計人員可能會無意中引入可能降低性能的寄生效應(yīng)和阻抗失配。集成 BLE 收發(fā)器和 FEM 的解決方案的出現(xiàn)使開發(fā)人員能夠在很大程度上避免這些細(xì)節(jié)，依賴于模塊制造商優(yōu)化設(shè)備的能力。

　　擴展范圍 BLE 模塊

　　Cypress Semiconductor CYBLE-202007-01 BLE 模塊為擴展范圍的 BLE 無線提供單一封裝解決方案。15 x 23 x 2 mm 模塊通過了全球大多數(shù)地區(qū)的認(rèn)證，通過結(jié)合賽普拉斯可編程片上無線電 （PRoC）、Skyworks Solutions RFX2401C射頻前端、無源元件和晶體振蕩器，提供完整的遠(yuǎn)程 BLE 子系統(tǒng)。CYBLE-202007-01 模塊包括一個板載天線，以及一個用于外部天線（如Antenova B4844-01或Pulse Electronics W1030 ）的 U.FL 連接。

　　由于集成了 PA，Skyworks RFX2401C FEM 具有高達 22 dBm 的輸出功率，還在其接收路徑中添加了一個 LNA，并包括一個匹配網(wǎng)絡(luò)。該模塊的 PRoC 本身就是一個復(fù)雜的集成系統(tǒng)，將 32 位 ARM ? Cortex ? -M0 內(nèi)核與專用藍牙子系統(tǒng)、多個存儲器以及完整的模擬和數(shù)字外設(shè)集成在一起（圖 4）。

　　圖 4：Cypress Semiconductor 可編程片上無線電 （PRoC） 將低功耗 ARM Cortex-M0 內(nèi)核、內(nèi)存和外設(shè)與完整的藍牙子系統(tǒng)相結(jié)合，以提供能夠支持典型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備要求的無線 MCU。（圖片來源：賽普拉斯半導(dǎo)體）

　　藍牙堆棧在內(nèi)置于 PRoC 的專用子系統(tǒng)中運行。因此，集成工作量很小。賽普拉斯建議設(shè)計人員在電源和模塊之間放置一個或兩個外部鐵氧體磁珠，例如Murata BLM21PG331SN1D，并盡可能靠近模塊。在許多情況下，設(shè)計人員可能只需要添加適當(dāng)?shù)?a href="http://www.nxhydt.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器即可完成無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)計。由于該模塊引出了 PRoC 的許多引腳，因此設(shè)計人員可以使用 PRoC 的集成 ADC 進行信號采集，甚至在需要時利用 PRoC GPIO 的驅(qū)動能力來提供傳感器激勵源。

　　開發(fā)套件

　　賽普拉斯在其模塊的CYBLE-202007-EVAL評估板中演示了CYBLE-202007-01模塊的非常簡單的接口要求。除鐵氧體磁珠外，該評估板還包括四個連接器，用于引出模塊引腳（以及相應(yīng)的 PRoC 引腳）。

　　為進行開發(fā)，設(shè)計人員將評估板插入賽普拉斯CY8CKIT-042-BLE-A基板。除了開發(fā)板，賽普拉斯還提供了一個全面的開發(fā)包，包括其 PSoC Creator 和 PSoC Programmer 工具，以及套件設(shè)計文件、文檔和軟件示例。Cypress 開發(fā)包和GitHub 上的 C 語言軟件包括分別演示 BLE 模塊和 PRoC 應(yīng)用程序的示例軟件。

　　在開發(fā)包中，一個示例應(yīng)用程序演示了基本 Eddystone 信標(biāo)的軟件設(shè)計模式（清單 1）。在這里，主循環(huán)以初始化例程開始，該例程啟動 BLE 軟件組件并注冊 EddystoneEventHandler 函數(shù)，該函數(shù)為應(yīng)用程序提供來自 BLE 組件的事件。

　　int main（）

　　{

　　/* Enable global interrupt mask */

　　CyGlobalIntEnable;

　　/* This function will initialize the system resources such as BLE and ADC */

　　Initialization（）;

　　while （1）

　　{

　　/* BLE stack processing state machine interface */

　　CyBle_ProcessEvents（）;

　　/* Process BLESS states */

　　IncrementAdvPacketCount（）;

　　/* Update the TLM Adv packets with “advPacketCount” and

　　* “SecCnt” */

　　UpdateTLMAdvPacket（）;

　　/* Put CPU and BLESS to low power mode */

　　LowPower（）;

　　if（stopAdv && （CyBle_GetState（） == CYBLE_STATE_ADVERTISING））

　　{

　　/* Reset the stop advertisement flag. */

　　stopAdv = false;

　　/* Stop advertisement. */

　　CyBle_GappStopAdvertisement（）;

　　}

　　}

　　}

　　清單 1：賽普拉斯 BLE 開發(fā)包中的示例軟件演示了信標(biāo)應(yīng)用程序的基本設(shè)計模式，包括此處顯示的主循環(huán)。（代碼來源：賽普拉斯半導(dǎo)體）

　　當(dāng)該 BLE 組件啟動時，事件處理程序配置廣告數(shù)據(jù)包并通過對CyBle_GappStartAdvertisement（）（清單 2）的簡單調(diào)用來啟動廣告。開發(fā)者可以通過配置與廣告包關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)來控制廣告時長。當(dāng)應(yīng)用程序指示需要時，開發(fā)人員只需調(diào)用CyBle_GappStopAdvertisement（）。

　　void EddystoneEventHandler（uint32 event， void* eventParam）

　　{

　　CYBLE_API_RESULT_T apiResult;

　　/* To prevent compiler warning. */

　　eventParam = eventParam;

　　switch （event）

　　{

　　/**********************************************************

　　* General Events

　　***********************************************************/

　　/* This event is received when component is Started */

　　case CYBLE_EVT_STACK_ON：

　　/* Configure WDT counter 0 with 2 second interval */

　　WDT_Initialize（CY_SYS_WDT_COUNTER0， TWO_SECOND_INTERRUPT_COUNT）;

　　/* Enable WDT counter 0 */

　　WDT_EnableCounter（CY_SYS_WDT_COUNTER0_MASK）;

　　/* Ignore the initial delay. Start counter to track the time since

　　* power ON. */

　　SetEnableSecCnt（true）;

　　beaconCurrentRole = eddystoneImplenmentation;

　　ConfigureAdvPacket（）;

　　/* Start advertisement */

　　apiResult = CyBle_GappStartAdvertisement（CYBLE_ADVERTISING_CUSTOM）;

　　if（apiResult ！= CYBLE_ERROR_OK）

　　{

　　CYASSERT（0）;

　　}

　　break;

　　清單 2：賽普拉斯 BLE 開發(fā)包中的這段代碼片段演示了信標(biāo)的事件處理，這里顯示了初始啟動事件的處理程序，它初始化廣告數(shù)據(jù)包并啟動廣告序列。（代碼來源：賽普拉斯半導(dǎo)體）

　　片上有限元法

　　雖然很難實現(xiàn)，但集成趨勢預(yù)示著無線 MCU 開始在片上添加 FEM，Silicon Labs 已經(jīng)通過其EFR32BG13P732F512GM48 Blue Gecko BLE SoC 實現(xiàn)了這一目標(biāo)。在其無線電子系統(tǒng)中，Silicon Labs 在 SoC 的 2.4 GHz 和 sub-GHz 路徑中集成了單獨的 PA 和 LNA 模塊（圖 5）。除了遠(yuǎn)程無線電子系統(tǒng)外，BLE SoC 還結(jié)合了 ARM Cortex-M4 與片上閃存和 RAM，以及一整套模擬和數(shù)字外設(shè)。其他模塊提供硬件加密功能和一套復(fù)雜的電源管理功能。

　　圖 5：如完整框圖的這個有限部分所示，Silicon Labs Blue Gecko BLE SoC 集成了前端射頻組件，包括功率放大器和低噪聲放大器，以增強 2.4 GHz 和 sub-GHz 的功率輸出和無線電靈敏度無線電操作。（圖片來源：Silicon Labs）

　　作為首批藍牙 5 SoC 之一，該設(shè)備充分利用了藍牙 5 規(guī)范中規(guī)定的增加功率輸出。使用其片上 PA，Silicon Labs 的 BLE SoC 可以實現(xiàn)超過 19 dBm 的輸出功率。盡管 SoC 在沒有無線電活動的活動模式下僅消耗 70 μA/MHz，但在高功率 TX 期間功耗當(dāng)然會顯著上升。在其最大 19.5 dBm 輸出時，該器件消耗大約 131 mA（典型值）。

　　與其他高度集成的設(shè)備一樣，Silicon Labs BLE SoC 只需很少的外部組件即可提供完整的系統(tǒng)設(shè)計。少數(shù)推薦的組件中的一些組成了一個四元素匹配網(wǎng)絡(luò)，用于在 2.4 GHz 時超過 13 dBm 的發(fā)射功率輸出（圖 6）。

　　圖 6：開發(fā)人員可以實施基于 Silicon Labs Blue Gecko BLE SoC 的無線設(shè)計，除了推薦用于超過 13 dBm 的 2.4 GHz 功率輸出的四元素匹配網(wǎng)絡(luò)之外，幾乎沒有其他組件。（圖片來源：Silicon Labs）

　　該公司在其SLWRB4104A Blue Gecko 無線電板中包含此匹配網(wǎng)絡(luò)以及所需的其他最小組件集。對于開發(fā)，工程師只需將無線電板直接插入SLWSTK6020B BLE 入門套件即可。對于軟件開發(fā)，Silicon Labs 提供其 Simplicity Studio 和藍牙軟件開發(fā)套件 （SDK），以幫助加快遠(yuǎn)程信標(biāo)設(shè)計的開發(fā)。

　　結(jié)論

　　遠(yuǎn)程藍牙信標(biāo)技術(shù)在多個行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中獲得認(rèn)可。為了構(gòu)建遠(yuǎn)程信標(biāo)設(shè)備，直到最近，工程師還需要設(shè)計定制的功率級來提高功率輸出。集成 FEM 的可用性簡化了這些設(shè)備的基本功能設(shè)計，但工程師仍面臨熱管理、寄生和阻抗匹配方面的挑戰(zhàn)。

　　具有集成 FEM 的藍牙收發(fā)器的出現(xiàn)，使開發(fā)人員能夠輕松添加遠(yuǎn)程藍牙功能，依靠設(shè)備制造商優(yōu)化這些設(shè)計的能力。今天，開發(fā)人員可以找到 FEM 集成藍牙模塊和 SoC，它們能夠加快設(shè)計的開發(fā)，能夠向數(shù)百米外的移動設(shè)備提供信標(biāo)信號。