ST推出的BlueNRG-LP，這是首款支持 128 個并發(fā)連接的藍(lán)牙低功耗 SoC。它也是我們第一款獲得藍(lán)牙低功耗 5.2 認(rèn)證的設(shè)備。BlueNRG-LP 支持遠(yuǎn)程、2 Mbps 傳輸和廣告擴(kuò)展等功能，僅舉幾例。此外，它借鑒了以前的架構(gòu)，在 ST 藍(lán)牙芯片上提供了最廣泛的動態(tài)范圍。為了達(dá)到這樣的性能和優(yōu)化水平，我們的團(tuán)隊專注于 SoC 的無線電和微控制器。后者現(xiàn)在是運行在 64 MHz 的 Cortex-M0+，它使用 64 KB 的 RAM。相比之下，BlueNRG-1 和BlueNRG-2 依賴于 32 MHz 的 Cortex-M0 和 24 KB 的 RAM. 出于安全目的，新設(shè)備還具有一次性可編程存儲區(qū)。

BlueNRG-LP：其他任何事情之前的第一步

STEVAL-IDB011V1 評估板和更新的 BlueNRG 軟件

流程工程團(tuán)隊選擇藍(lán)牙 SoC 的過程通常很復(fù)雜。許多因素可能會影響決策，從成本到過去的經(jīng)驗、性能和易用性。因此，為了幫助團(tuán)隊更快地評估 BlueNRG-LP，我們還發(fā)布了軟件和開發(fā)工具的更新。例如，開發(fā)人員可以將新的STEVAL-IDB011V1 BlueNRG-LP 評估板與BlueNRG Navigator GUI一起使用。該軟件可以上傳示例應(yīng)用程序，從而幫助管理人員了解我們對新 SoC 的期望。

BlueNRG Navigator GUI 提供的演示項目數(shù)量非常多。在大約20 個應(yīng)用程序中，開發(fā)人員可以快速測試 SoC連接多達(dá) 128 個設(shè)備的能力。他們還可以嘗試通過廣播到八個頻道而不是傳統(tǒng)的三個頻道來進(jìn)行廣告擴(kuò)展。同樣，一個項目展示了更高的可用吞吐量，而另一個項目則提供了更長的范圍能力。因此，工程師擁有大量應(yīng)用程序啟動器，可以極大地加快其概念驗證的開發(fā)。

ST還發(fā)布了新版BlueNRG電流消耗工具。該實用程序以令人信服的圖形表示我們新設(shè)備的低功耗功能，以影響決策者。開發(fā)人員還可以決定通過移植在以前的 BlueNRG SoC 上運行的代碼來測試新設(shè)備。由于只是從 Cortex-M0 遷移到 Cortex-M0+ 的問題，因此該過程相對簡單。

左側(cè)是 BlueNRG 電流消耗工具。右側(cè)是展示 ST 工具精度的實際功率波形。

了解新的工業(yè)和技術(shù)挑戰(zhàn)

在選擇藍(lán)牙 SoC 時，工程師會關(guān)注正在塑造其行業(yè)的最新趨勢等。工業(yè)應(yīng)用必須將更多的傳感器節(jié)點連接到網(wǎng)關(guān)。音頻處理能力變得越來越重要。藍(lán)牙 SoC 必須提供更多的處理能力，同時保持較低的材料清單和功耗。應(yīng)對這些挑戰(zhàn)絕非易事，它需要在無線電和微控制器層面進(jìn)行優(yōu)化。事實上，一次僅連接多達(dá) 128 臺設(shè)備在當(dāng)今世界上是獨一無二的，但還不夠。我們知道工程師會問兩個關(guān)鍵問題：“這些連接有多好？” “我能用它們做什么？” 答案在于 BlueNRG-LP 如何實現(xiàn)更大的功率、更好的安全性、更高的效率和更低的成本。

BlueNRG-LP：更強大、更安全、更高效的連接

高速

從事工業(yè)應(yīng)用的團(tuán)隊必須處理影響范圍或數(shù)據(jù)速率的重大限制。例如，一些系統(tǒng)必須覆蓋難以置信的長距離。這種應(yīng)用的一個例子是連接到整個智能工廠的無數(shù)板的網(wǎng)關(guān)。另一方面，其他設(shè)備必須快速傳輸大量數(shù)據(jù)，例如在固件更新期間。新的 ST SoC 實現(xiàn)了兩者。通過提供 LE 2M PHY，BlueNRG-LP 可以達(dá)到高達(dá) 2 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。相比之下，之前 BlueNRG SoC 中的 LE 1M PHY 停止在 1 Mbps。正如我們在BlueNRG-2N 博客文章中解釋的那樣，更快的傳輸在一定程度上要歸功于數(shù)據(jù)長度擴(kuò)展的更大有效負(fù)載，以及藍(lán)牙 5.0 固有的帶寬增加。

長距離

在 LE 2M PHY 的另一端，藍(lán)牙 5.0 提供更大的覆蓋范圍。不幸的是，許多工程師經(jīng)常忽視這種遠(yuǎn)程功能，因為他們低估了它的潛力。BlueNRG-LP 提供 LE 編碼 PHY，可在兩個藍(lán)牙設(shè)備之間實現(xiàn)更遠(yuǎn)的距離，而無需額外的功率放大器。ST 使用現(xiàn)有開發(fā)板和應(yīng)用程序的實際測試達(dá)到了 1.3 公里（0.8 英里）。

范圍的增加是可能的，因為 LE 編碼 PHY 使用前向糾錯等功能，它為每個數(shù)據(jù)包添加了額外的位。但是，數(shù)據(jù)冗余會導(dǎo)致 125 kbps 的較低帶寬。另一個有助于避免干擾的功能是頻道選擇算法#2 （CSA #2）。雖然 CSA #1 只能在 37 個頻道之間跳轉(zhuǎn)，但 CSA #2 有 65，535 個頻道可供使用。這種大選擇有助于避免碰撞和褪色效果。無論附近有很多設(shè)備，還是它們之間的距離很遠(yuǎn)，CSA #2 都能提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。最終，更遠(yuǎn)的距離是可能的，因為藍(lán)牙 5.0 可以更好地處理在覆蓋很遠(yuǎn)距離時不可避免地困擾信號的背景噪聲。

鏈接預(yù)算

從事藍(lán)牙應(yīng)用程序的工程師總是運行鏈路預(yù)算分析，這是一種幫助他們預(yù)測整體性能的設(shè)計輔助工具。簡而言之，它確保設(shè)計人員能夠預(yù)見特定問題，例如無法到達(dá)接收器的信號強度不足。在大多數(shù)教科書中，鏈路預(yù)算分析使用以下等式：

接收功率 （dBm） = 發(fā)射功率 （dBm） + 增益 （dB） - 損耗 （dB）。

然而，如今工程師使用的數(shù)據(jù)表幾乎總是給出發(fā)射功率 （TX） 和接收器的靈敏度水平 （RX）。因此，大多數(shù)現(xiàn)實世界的項目根據(jù)以下等式定義其鏈路預(yù)算：

| 鏈路預(yù)算 （dB） | = TX 功率 （dBm） – 靈敏度水平 （dBm）。

BlueNRG-LP 的 TX 功率能夠達(dá)到 +8 dBm（可按 1 dBm 步長進(jìn)行編程），RX 靈敏度為 -104 dBm（125 kbps）或 -97 dBm（1 Mbps）。因此，新的 ST SoC 具有 112 dB 和 105 dB 的鏈路預(yù)算，具有業(yè)界最大的鏈路預(yù)算。因此，與鏈路預(yù)算較低的設(shè)備相比，工程師可以預(yù)期在相同功耗下具有更好的性能。

阻止黑客

安全性是工程師在設(shè)計系統(tǒng)時關(guān)注的另一個重要方面。消費者對隱私和保護(hù)免受威脅的問題更加敏感。因此，希望構(gòu)建藍(lán)牙系統(tǒng)的團(tuán)隊會著眼于保護(hù)用戶和數(shù)據(jù)的功能。BlueNRG-LP 為這些關(guān)鍵的工程挑戰(zhàn)提供了答案。其中之一是存在一個安全引導(dǎo)加載程序，它在啟動固件之前檢查固件的簽名。這種措施可以防止 rootkit 或低級攻擊。開發(fā)人員還可以禁用 SWD 和 UART訪問以保護(hù) Flash。同樣，1 KB 的內(nèi)存是一次性可編程的，以保證其完整性。因此，理論上，有權(quán)訪問該設(shè)備的黑客將無法克隆或修改其內(nèi)容。

更高的計算吞吐量和更低的功耗

開發(fā)人員必須找到提高性能、準(zhǔn)確性和用戶體驗的方法。為了解決這一挑戰(zhàn)，工程師們經(jīng)常求助于具有更高計算吞吐量的設(shè)備。然而，許多藍(lán)牙終端產(chǎn)品必須具有低功耗才能保持電池壽命。因此，工程師應(yīng)該找到一種方法來調(diào)和這些看似矛盾的要求。

BlueNRG-LP 為這一挑戰(zhàn)提供了新的解決方案。由于其更高的頻率和更強大的架構(gòu)，SoC 現(xiàn)在支持更復(fù)雜的算法。這些建立在 MEMS 和語音庫之上的過程在嵌入式系統(tǒng)中非常流行。此外，意法半導(dǎo)體還免費提供藍(lán)牙SIG認(rèn)證的Mesh stack。因此，覆蓋大面積區(qū)域并達(dá)到 126 跳或 32，000 個節(jié)點變得非常容易。

然而，盡管頻率更高、內(nèi)存更多，BlueNRG-LP 的功耗卻低于其前代產(chǎn)品。它的傳輸峰值電流為4.3 mA （0 dBm），而 BlueNRG-2 需要 8.3 mA （-2 dBm）。同樣，新設(shè)備的 RX 峰值為3.4 mA（在靈敏度級別），而上一代需要 7.7 mA。空閑時功耗的改善也很顯著。BlueNRG-LP 在深度停止模式下僅需0.6 μA，并具有完整的 RAM 保留。另一方面，BlueNRG-2 需要 9.5 μA，盡管 RAM 較少。所有這些改進(jìn)都證明了我們最新的芯片優(yōu)化和改進(jìn)的實施。

BlueNRG-LP：更具成本效益的設(shè)計

降低物料清單

連接 128 臺設(shè)備的能力是獨一無二的，BlueNRG-LP 解決了許多技術(shù)挑戰(zhàn)。但是，一些工程師會非常重視總體成本。因此，新的 SoC 必須提供減少材料清單的獨特優(yōu)勢。解決此問題的一種方法是將 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（或帶抽取濾波器的 16 位）與 8 個輸入通道集成。與以前的 SoC 相比，精度的提高意味著 BlueNRG-LP 現(xiàn)在可以擁有一個可編程增益放大器。PGA 將音頻信號從 0 dB 放大到 30 dB，從而允許使用模擬麥克風(fēng)。與數(shù)字麥克風(fēng)相比，模擬替代品更具成本效益，從而確保更低的物料清單。

另一種更具成本效益的系統(tǒng)的方法是減少外部設(shè)備的數(shù)量。因此，我們設(shè)計 BlueNRG-LP 以嵌入更多組件并簡化 PCB。例如，新的 SoC 現(xiàn)在有六個負(fù)載電容器。因此，設(shè)計人員無需在 PCB 上焊接外部電容器即可使用高速晶體。BlueNRG-LP 還集成了射頻巴倫，這意味著工程師不再需要專用的巴倫。這也意味著新器件只有一個射頻單端輸出引腳，簡化了布局。最后，SoC 的 SMPS 具有更高的時鐘。因此，設(shè)計人員可以使用更小、更具成本效益的電感器。

價格合適

當(dāng)工程師尋找藍(lán)牙 SoC 并根據(jù)其層次結(jié)構(gòu)證明他們的選擇是合理的時，低單價至關(guān)重要。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)并保持 BlueNRG-LP 的成本效益，ST 堅持使用 256 KB 的閃存。新設(shè)備的藍(lán)牙堆棧通常需要 80 KB 到 100 KB。因此，開發(fā)人員有大約 120 KB 的空間用于他們的應(yīng)用程序，這對于大多數(shù)用例來說已經(jīng)足夠了。如果設(shè)計需要更多的存儲空間、更強大的計算能力或臨時外圍設(shè)備，它們自然會傾向于BlueNRG-2N 和專用主機(jī) MCU。

我們通過提供三種類型的套餐進(jìn)一步優(yōu)化了我們的定價結(jié)構(gòu)。QFN32 有 20 個 GPIO，而 QFN48 和 WLCSP49 分別有 32 個和 26 個。此外，我們還提供具有一半 RAM 的 BlueNRG-LP 變體。因此，只需要 32 KB 和更少 pin 的團(tuán)隊不需要支付更多。同樣，我們提供最高可達(dá) 85 oC 的型號和最高可達(dá) 105 oC 的相同型號。工業(yè)設(shè)計會很樂意使用后者，而其他人會選擇前者并保存。

審核編輯：郭婷