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在多個(gè)從設備需要與一個(gè)主設備進(jìn)行對話(huà)的無(wú)線(xiàn)通信應用中，藍牙低功耗(BLE)協(xié)議已毫無(wú)疑問(wèn)成為它們的理想選擇。與其它通信協(xié)議相比，BLE具備以下優(yōu)勢： 1. BLE擁有極高的行業(yè)普及率，具備多廠(chǎng)商互操作性。據藍牙技術(shù)聯(lián)盟預測，到2018年，90%的智能手機將支持BLE。此外，BLE 在 PC、智能電視等其它主機設備中也擁有很高的普及率。 2. 公布的通信距離長(cháng)達100m。 3. 超低的峰值、平均和空閑功耗讓大多數使用紐扣電池的BLE從設備能夠運行數年。 4. 數據傳輸速率高達1Mbps。 這些優(yōu)勢讓BLE成為物聯(lián)網(wǎng)設備、可穿戴設備、無(wú)線(xiàn)PC外設和遙控器等設備的最佳選擇。事實(shí)上，BLE的誕生激發(fā)了全球各地的創(chuàng )新者打造更多前所未有的應用。 簡(jiǎn)而言之，大多數BLE從設備能夠有效捕獲某種輸入，然后使用BLE將信息發(fā)送至客戶(hù)端(即PC或智能手機)。因此，BlE從設備的主要功能包括 ： 1. 捕獲輸入 2. 處理輸入 3. 使用BlE協(xié)議將處理后的輸入通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送至客戶(hù)端。 按照捕獲輸入這項功能倆看，BLE設備可以劃分為兩個(gè)類(lèi)型。 類(lèi)型1：使用傳感器捕獲輸入的設備(即傳感器輸入設備，SID)。 類(lèi)型2：捕獲人類(lèi)用戶(hù)的輸入的設備(即人工輸入設備，HID)。 以一個(gè)心率監測儀為例。該設備使用 傳感器捕獲人的心率。設備處理信息后，會(huì )將其發(fā)送至客戶(hù)端(PC或手機)，其中用戶(hù)只需戴上該設備，不需要手動(dòng)輸入任何信息。 再以一個(gè)使用BLE與PC進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的無(wú)線(xiàn)鼠標為例，其中輸入由用戶(hù)手動(dòng)提供(采用點(diǎn)擊和滾動(dòng)的形式) 那么，這里面臨的問(wèn)題就是：這種區別是如何影響設備設計的呢? 人工輸入BLE設備面臨的挑戰 為了捕獲人類(lèi)用戶(hù)的輸入，我們可以使用按鍵、滑塊和/或滾輪。這種輸入既可以是機械輸入，也可以采用電容傳感技術(shù)。如果是前者，我們可以使用傳感器檢測用戶(hù)與機械組件的交互，或將機械組件直接連接到控制器。輸入被捕獲后將由MCU進(jìn)行處理，然后通過(guò)BLE 協(xié)議棧傳送到客戶(hù)端。 市場(chǎng)上有無(wú)數設備將BLE協(xié)議棧與微控制器(MCU)集成在一起，從而讓開(kāi)發(fā)人員能夠創(chuàng )建類(lèi)似于傳感器輸入設備的單芯片系統： 但是，使用機械組件會(huì )犧牲可靠性和人體工程學(xué)理念。比如按鍵容易磨損，從而縮短設備的使用壽命。鑒于這些局限性，很多行業(yè)正在使用電容傳感解決方案替代機械用戶(hù)接口。 采用電容傳感用戶(hù)輸入也會(huì )面臨其他的挑戰。比如很多架構需要兩個(gè)芯片，一個(gè)用于實(shí)現電容傳感，另一個(gè)用于實(shí)現BLE，從而增加PCB的尺寸，從而增加制造總成本。另外還有電源管理問(wèn)題，系統需要額外的時(shí)鐘來(lái)協(xié)調兩個(gè)芯片的待機時(shí)間。在幾乎所有應用中，采用BLE的產(chǎn)品(遙控器、鼠標等)都會(huì )使用電池供電。因此，延長(cháng)電池壽命極為重要。 為了應對上述場(chǎng)景，我們需要集成了電容傳感和BLE的單一芯片。 除了上述問(wèn)題之外，設計人員還需要解決其它一些問(wèn)題。其中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是：弧形/厚覆面和射電輻射導致的觸摸傳感SNR(信噪比)的下降。 觸摸傳感SNR定義了設備區分預期輸入信號(本例中就是用戶(hù)的觸摸動(dòng)作)和噪聲的能力。因此，SNR下降將增加設備區分實(shí)際觸摸動(dòng)作和噪聲的失敗率，從而導致誤觸等現象。請想象一下，如果用戶(hù)正在觀(guān)看一場(chǎng)激動(dòng)人心的足球比賽，但此時(shí)觸控遙控器的誤觸錯誤導致頻道不斷切換，用戶(hù)將有何反應? 我們在這里有必要簡(jiǎn)要回顧一下電容傳感技術(shù)的基礎知識，然后運用這些知識了解誤觸的起源。 電容傳感器就是PBC上的一塊導體墊。傳感器和地層之間有一個(gè)稱(chēng)為寄生電容(Cp)的電容。覆面位于傳感器上方。當用戶(hù)觸摸電容按鍵時(shí)，他實(shí)際上觸摸的是覆面的頂部，這將為傳感器增加一個(gè)手指電容(Cf)。 因此， 觸摸之前的傳感器電容 = Cp (基線(xiàn)) 觸摸時(shí)的傳感器電容 = Cp+ Cf(并聯(lián)電容器) 一個(gè)MCU定期掃錨傳感器，檢測其電容變化(即從Cp到Cp+Cf的變化)。掃描周期由掃描速率決定。 電容的計算公式是： C = E* (A/d) (C =Capacitance電容, E= Permittivity電容率, A=Area面積, d= distance between electrodes電極間距) 因此，對于Cf而言，“d”是覆面厚度。厚度增加(即覆面更厚)時(shí)，Cf將降低。 MCU在掃描電容變化時(shí)，它還需要 確定變化是由實(shí)際觸摸動(dòng)作導致的，還是由噪聲導致的。當Cf較低時(shí)，某些噪聲信號有可能擁有相當的強度，因此，MCU可能難以區分真實(shí)信號和噪聲，從而導致誤觸。 對于弧形覆面(比如說(shuō)觸控鼠標)而言，Cf因傳感器和覆面之間的空隙(降低電容率)而下降，也會(huì )導致上述問(wèn)題。 對于BLE 從設備而言，影響觸摸傳感精度的第三個(gè)因素是藍牙無(wú)線(xiàn)信號引入的“噪聲”。 綜上所述，我們就知道了信號減弱、噪聲增強的原因。通常而言，MCU使用信噪比區分信號和噪聲，如果兩者的強度相當，設計一款可靠的產(chǎn)品將會(huì )更加復雜。 有很多方法可以解決這些問(wèn)題， 但很多傳統方法會(huì )增加BOM成本(因為需要額外的組件)、設計時(shí)間和設計成本(比如更多的工時(shí))。此外，由于存在這些挑戰，設計過(guò)程中可能會(huì )發(fā)生多次迭代，從而進(jìn)一步推升成本，推遲最終產(chǎn)品的上市時(shí)間。 設計師在設計BLE從設備時(shí)還面臨另外一些挑戰，這些問(wèn)題與BLE協(xié)議棧有關(guān)，在HID和非HID設備都會(huì )出現。其中一個(gè)戰術(shù)性挑戰是需要使用多個(gè)工具來(lái)開(kāi)發(fā)、編程和測試BLE應用。此外，理解藍牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布的BLE規范本身也是一個(gè) 繁瑣的過(guò)程。為了開(kāi)發(fā)固件，設計人員必需深入理解這個(gè)規范。此外，該規范會(huì )定期更新，因此需要持續開(kāi)發(fā)。不遵從這些更新將會(huì )導致設備落伍，降低其互操作性。為了“通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式”支持這些更新，設備還需要配備額外的存儲器。增加外設存儲器時(shí)，其通常連接至MCU;因此，需要通過(guò)MCU讀取該存儲器，這將增加功耗，并可能導致處理器因更新而阻塞。 BLE無(wú)線(xiàn)輸出需要使用一個(gè)額外的BALUN(Balanced to Unbalanced)網(wǎng)絡(luò )將輸出阻抗調節至標準的50 Ohms。一些BLE MCU/SoC內置了BALUN，但另一些則沒(méi)有。如果沒(méi)有內置BALUN，則必需使用外置電感器和電容器搭建一個(gè)。這需要使用9個(gè)外置組件，從而極大增加了調節通信匹配網(wǎng)絡(luò )(AMN)的復雜性。 幸運的是，通過(guò)選擇適當的芯片，上述很多挑戰均能在設計初期得到克服。 為您的BLE HID產(chǎn)品選擇適當的芯片 選擇芯片時(shí)應牢記最終目標：即一個(gè)需要最少的組件、能夠提供高性能、消耗最少電能的簡(jiǎn)單設計。好消息是市場(chǎng)上有很多芯片組可供選擇。這些芯片具有不同的價(jià)值定位。詳情請參閱http://www.argenox.com/bluetooth-low-energy-ble-v4-0-development/library/a-guide-to-selecting-a-bluetooth-chipset/。 但是，同時(shí)支持電容傳感和BLE的單芯片架構在市場(chǎng)上并不多見(jiàn)。賽普拉斯的PRoC BLE采用了其被市場(chǎng)廣泛接受的CapSense技術(shù)，并且保留了CapSense的所有USP。CapSense和BLE子系統讓PRoC BLE成為了HID BLE產(chǎn)品的一個(gè)整體解決方案。除了集成核心功能之外，PRoC BLE還解決了以下設計問(wèn)題： 1. 足量的嵌入式閃存(最大128KB)和SRAM(最大16KB)以便通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式更新BLE規范。 PRoC BLE還具備DMA(直接內存存取)功能，有助于在無(wú)需CPU的干涉下直接存取內存。 2. 靈活的低功耗模式有助于設備大幅降低功耗。 3. 使用配備BLE組件的PSoC Creator簡(jiǎn)化設計。隨時(shí)可用的內置BLE協(xié)議�？勺屧O計人員利用BLE，而且無(wú)需掌握BLE 規范，從而簡(jiǎn)化設計。此外，PRoC BLE內置對藍牙技術(shù)聯(lián)盟所采用的協(xié)議和服務(wù)的支持，并提供有助于創(chuàng )建定制協(xié)議和服務(wù)的功能。 詳情請參閱：http://www.cypress.com/products/proc-ble-bluetooth-smart 若想初步了解PRoC BLE： 1. 下載PSoC Creator IDE：www.cypress.com/creator 2. 根據您的應用購買(mǎi)一個(gè)工具包。對于觸控鼠標、遙控器等常見(jiàn)應用，我們提供RDK。對于其它應用，我們提供標準的工具包和模塊。 3. 另請參閱以下應用說(shuō)明： http://www.cypress.com/file/140661/download |
