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[導讀]藍牙設備在生活中無處不在,但是我們也只是將其作為藍牙模塊進行使用,發(fā)送簡單的AT命令實現(xiàn)數(shù)據收發(fā)。那么,像對于一些復雜的使用場合:“車載藍牙”、"智能手表"、“藍牙音箱”等,我們不得不去了解底層的藍牙實現(xiàn)原理。



BLE

藍牙設備在生活中無處不在,但是我們也只是將其作為藍牙模塊進行使用,發(fā)送簡單的AT命令實現(xiàn)數(shù)據收發(fā)。

那么,像對于一些復雜的使用場合:“車載藍牙”、"智能手表"、“藍牙音箱”等,我們不得不去了解底層的藍牙實現(xiàn)原理。



  • 1、藍牙概念

  • 2、藍牙發(fā)展歷程

  • 3、藍牙技術概述

    • 3.1 Basic Rate(BR)

    • 3.2 Low Energy(LE)

  • 4、常見藍牙架構

    • 4.1 SOC藍牙單芯片方案

    • 4.2 SOC藍牙+MCU方案

    • 4.3 藍牙host + controller分開方案

    • 4.4 使用場景

  • 5、參考文檔


1藍牙概念

藍牙,是一種利用低功率無線電,支持設備短距離通信的無線電技術,能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換,藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業(yè)、科學、醫(yī)學)頻段,使用IEEE802.11協(xié)議。



2藍牙發(fā)展歷程

自1994年由愛立信推出至今,藍牙技術已經走過了20個歲月。從最初的Bluetooth V1.0,到Bluetooth V5.2,經歷了近9個版本的修訂后,發(fā)展為當前的狀況。

“藍牙”的形成背景是這樣的

1998 年 5 月,愛立信、諾基亞、東芝、 IBM和英特爾公司等五家著名廠商, 在聯(lián)合開展短程無線通信技術的標準化活動時提出了藍牙技術,其宗旨是提供一種短距離、 低成本的無線傳輸應用技術。

芯片霸主 Intel 公司負責半導體芯片和傳輸軟件的開發(fā),愛立信負責無線射頻和移動電話軟件的開發(fā), IBM 和東芝負責筆記本電腦接口規(guī)格的開發(fā)。

1999 年下半年,著名的業(yè)界巨頭微軟、摩托羅拉、三星、朗訊與藍牙特別小組的五家公司共同發(fā)起成立了藍牙技術推廣組織,從而在全球范圍內掀起了一股“藍牙”熱潮。

全球業(yè)界即將開發(fā)一大批藍牙技術的應用產品, 使藍牙技術呈現(xiàn)出極其廣闊的市場前景,并預示著 21 世紀初將迎來波瀾壯闊的全球無線通信浪潮。

  • 第一代藍牙:關于短距離通訊早期的探索,使用的是BR技術,此時藍牙的理論傳輸速率,只能達到721.2Kbps。

  • 第二代藍牙:新增的 EDR(Enhanced Data Rate)技術,使得藍牙設備的傳輸率可達 3Mbps。

  • 第三代藍牙:核心是 AMP(Generic Alternate MAC/PHY),這是一種全新的交替射頻技術,支持動態(tài)地選擇正確射頻,傳輸速率高達 24Mbps

  • 第四代藍牙:主推” Low Energy”低功耗, BLE(Bluetooth Low Energy)低功耗功能

  • 第五代藍牙:開啟「物聯(lián)網」時代大門,在低功耗模式下具備更快更遠的傳輸能力


3藍牙技術概述

藍牙協(xié)議包括兩種技術:BR:Basic RateLE:Low Energy。這兩種技術都包括搜索(discovery)管理、連接(connection)管理等機制,但它們是不能互通的!

廠商如果只實現(xiàn)了一種,那么只能與同樣實現(xiàn)該技術的設備互通。

如果廠商要確保能和所有的藍牙設備互通,那么就只能同時實現(xiàn)兩種技術,而不去管是否真的需要。


3.1Basic Rate(BR)

BR:Basic Rate是正宗的藍牙技術,可以包括可選(optional)EDR(Enhanced Data Rate)技術,以及交替使用的(Alternate)MAC(Media Access Control)層和PHY層擴展(簡稱AMP(Alternate MAC and PHY layer extension))。

  • BR:最早期的藍牙技術,速度只能達到721.2Kbps,在那個年代,已為高大上了。

  • EDR:隨著技術的提升,使用EDR技術的藍牙,理論速率可以達到2.1Mbps。

  • AMP:使用AMP技術的藍牙,理論速率可以達到54Mbps。

AMPAlternate交替使用體現(xiàn)在:由于藍牙自身的物理層和AMP技術差異太明顯,BR/EDRAMP是不能同時使用的。

簡單的說,就是:BREDR是可以同時存在的,但BR/EDRAMP只能二選一

3.2Low Energy(LE)

上面所講的BR技術的進化路線,就是傳輸速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的,你想傳的更快,代價就是消耗更多的能量。而有很多的應用場景,并不關心傳輸速率,反而非常關心功耗。這就是Bluetooth LE(稱作藍牙低功耗)產生的背景。

從它的英文名字上就可以看出它是一種低功耗藍牙技術,是藍牙技術聯(lián)盟設計和銷售的一種個人局域網技術,旨在用于醫(yī)療保健、運動健身、信標、安防、家庭娛樂等領域的新興應用。

低功耗藍牙與經典藍牙使用相同的2.4GHz無線電頻率,因此雙模設備可以共享同一個天線。低功耗藍牙使用的調制系統(tǒng)更簡單。

LE技術相比BR技術,差異非常大,或者說就是兩種不同的技術,湊巧都加一個“藍牙”的前綴而已。

目前BLE主要廣泛應用于IoT產品領域。


4常見藍牙架構

市面上,大致有幾種藍牙架構

4.1SOC藍牙單芯片方案

一般是半導體廠商半開源協(xié)議棧,把開發(fā)的藍牙協(xié)議棧直接燒寫到藍牙芯片中,(比如CSR BC4/5,CSR8670,CSR8675,TI CC2540,NRF51xxx,NRF52xxx,樂鑫ESP32等等),架構如下:

此類芯片一般可以直接做為MCU用,這類產品一般用于消費類電子,集成度很高,調調部參數(shù)可以直接使用,常見的有藍牙耳機。


4.2SOC藍牙+MCU方案

在集成好的藍牙芯片基礎上,通過特定的接口(UART居多),發(fā)送自定義的command來達到想要的功能。比如發(fā)送0x01代表搜索周圍設備......

此部分的應用,將藍牙作為一個外設使用,用于遠程通信.


4.3藍牙host + controller分開方案

這種應用算是藍牙最復雜的應用,客戶需要使用藍牙的場景有很多,牽涉到的藍牙協(xié)議也有很多,需要將HostController分開,集成更多的藍牙協(xié)議,比如藍牙電話(HFP),藍牙音頻(A2DP),藍牙音樂控制(AVRCP),藍牙電話本(PBAP),藍牙短信(MAP)等。

其中Transport是一個協(xié)議,H2就是在USB的基礎上的協(xié)議,H4,H5,BCSP是UART基礎上的協(xié)議,當然還有SDIO。

此部分應用,將定制藍牙的各種服務,實現(xiàn)藍牙多功能需求。


4.4使用場景

大概列舉了以下幾種,幫助理解

  • 手機的藍牙復雜應用,注定要用第3種方案,也就是藍牙協(xié)議棧(host)在主芯片中,藍牙芯片為HCI架構的。

  • 藍牙音響,藍牙耳機:此種應用一般用單芯片方案就能hold住,比如CSR8670/8675/杰理藍牙等,好處在于開發(fā)便捷。

  • 藍牙手表:要看功能復雜性,如果僅僅有時間顯示,傳感器交互,那么可以選擇單芯片方案(也就是方案1),如果有網絡等比較復雜的功能就要使用MCU+藍牙芯片方案(也就是方案3)了

  • 藍牙手環(huán),藍牙心率帶等:基本上是單芯片方案





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