蓝牙4.2协议芯片BlueNRG-1的低功耗蓝牙通信设计
刘先刚，李玉波，毕增军
【摘 要】摘要: 针对传统蓝牙通信系统设计中存在的电路设计复杂、功耗大、速率低和性价比低等问题，提出了一种基于蓝牙4.2协议的BlueNRG-1芯片蓝牙通信系统设计方案。首先，介绍了BlueNRG-1芯片的内部结构和功能；然后，进行了系统的硬件电路和控制程序的设计；最后，进行试验。试验的结果表明，该方案降低了功耗，简化了电路，具有体小便携、功耗低、性价比高、传输速率高和使用寿命长等优点。 【期刊名称】单片机与嵌入式系统应用 【年(卷),期】2018(018)005 【总页数】5
【关键词】关键词: 蓝牙；低功耗；BlueNRG-1芯片
引 言
蓝牙[1]是一种标准无线通信协议，基于设备低成本的收发器芯片，传输距离近、功耗低，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换。无线蓝牙耳机、蓝牙USB软件狗等都是蓝牙产品的典型代表，未来的物联网将是蓝牙技术应用的新蓝海[2]。
蓝牙技术发展迅速，到现在拥有3种类别和4个版本，传输速率从1 Mbps发展到接近54 Mbps。在传输速率上与WiFi类似，然而，蓝牙通信系统最致命的弱点在于功耗大。因为，一旦打开蓝牙设备，它就会持续进行搜索并试图与设备保持连接，这个过程的功耗是很大的，所以，未来的蓝牙技术发展就在于保持高速传输速率的前提下，降低设备功耗。总体来说，低功耗、高传输率、
高集成度、高性价比和更长的通信距离的简化蓝牙技术设计是当前一个热点问题[4-5]。
参考文献[3]提出了一种基于蓝牙4.2的无线通信的设计方法。该方法在降低系统功耗上有一定的探索，并取得了较好的效果，但其电路结构复杂，成本昂贵，不易实现。本文针对传统蓝牙通信系统设计中存在的电路设计复杂、功耗大、速率低和性价比低等问题，提出了一种基于蓝牙4.2协议的BlueNRG-1芯片蓝牙通信系统设计方案。试验的结果表明，该方案降低了功耗，简化了电路，具有体小便携、功耗低、性价比高、传输速率高和使用寿命长等优点。
1 BlueNRG-1芯片介绍
BlueNRG-1芯片是ST公司生产的一款蓝牙低功耗(BLE)单模式系统级芯片(SoC)，符合蓝牙4.2规范[3]。该芯片继承了Award-winning BlueNRG网络处理器的特点，使用嵌入式Cortex-M0的内核运行应用程序代码，具有多功能定时器、看门狗、ADC、RTC和DMA控制器，此外，ADC与模拟传感器连接，用于读取测量电池电量。该芯片在提供优良的射频性能的同时，也集成了高效率DC/DC转换器，并且能保持超低功耗特性，优化了在睡眠模式电流的消耗，使供电电池的寿命进一步提高。
BlueNRG-1芯片作为一种BLE单芯片，还具有如下特性：
① 符合BLE4.2规范，集成Stack、Profile等，所有应用软件的执行可在一片IC内完成。
② 内含16或32 MHz Cortex-M0内核，160 KB Flash，24 KB RAM。 ③ 具有丰富外设：UART、SPI、I2C、GPIO、ADC、Timer、RTC、Watchdog，易于扩展。
④ 供电电压范围较宽：1.7～3.6 V，温度要求较宽：-40～105 ℃，可提供汽车级BLE芯片。
⑤ 低功耗：睡眠模式电流为0.35 μA，高发射功率为8 dBm。
⑥ 提供QFN32及WLCSP34超小封装、STM32的软件架构，便于更宽泛的应用及便捷的开发。 图1是它的内部结构框图。
2 基于BlueNRG-1的低功耗蓝牙通信设计
2.1 低功耗设计依据
低功耗设计主要针对核心器件的选择和电路的设计。在核心器件的选择上，选用ST公司生产的低功耗蓝牙单芯片BlueNRG-1。BlueNRG-1芯片包括一个完全集成的低功耗的16/32 MHz的晶体振荡器和一个嵌入式幅度调节环，其中，16 MHz晶振为高速晶振，32 MHz晶振为低速晶振，在正常工作时，16 MHz高速晶振运行，在低功耗模式时处于睡眠状态，32 MHz低速晶振运行。通过选择石英晶振来实现低功耗和快速启动。为了实现低功耗运行和良好的晶振频率稳定度，必须对相对于石英的负载电容C及其外围电路进行优化设计。 电路的总功耗由工作状态和睡眠状态两种状态的功耗组成。 P=PR+PS PR=VDDIR PS=VDDIS
式中，PR为正常工作时的电路功耗，IR为正常工作时的电路电流；PS为睡眠状态时的电路功耗，IS为睡眠状态时的电路电流。
从上式可以看出，能反映电路功耗的主要参数是电路电流。出于可控性因素考
蓝牙4.2协议芯片BlueNRG-1的低功耗蓝牙通信设计
