Bluetooth Low Energy系统的开发

在通过与智能手机和平板终端的结合来提高利便性的应用（例如钟表、健身/保健器材等）中，Bluetooth® LE（Low Energy）正得到迅速普及。在这些应用中，纽扣电池驱动的设备居多，为了实现更长的电池寿命与更高的性能，对于低功耗化的要求日益强劲。不仅如此，由于毫无无线体验经验的用户也可通过身边的智能手机等连接Bluetooth® LE，因此，Bluetooth® LE在众多产品中的应用趋势已势不可挡。另一方面，要想利用以Bluetooth® LE为首的无线系统，必须在特定的实验机构进行合标确认，并获得各国规定的无线电认证。因此，在研究从零开始构建系统时，需要充分的无线及协议相关知识，否则，极有可能在产品即将推向市场之前遇阻停滞。

在这种情况下，ROHM（罗姆）旗下LAPIS Semiconductor开发出支持Bluetooth® LE的、实现业界顶级低耗电量（发送数据时9.8mA，接收数据时8.9mA，2秒间歇工作时的平均电流8μA）的LSI(ML7105-00x)。另外，取得耗时耗力的Bluetooth SIG认证和国内外无线电认证后向客户供货的模块也在开发中。
在此，针对本LSI和模块以及构建系统所需的示例软件、配置文件进行介绍说明。

＜Bluetooth® LE LSI＞
首先，针对Bluetooth® LE LSI(ML7105-00x)的内部结构进行说明。（图1）
 

【图1】Bluetooth® LE LSI（ML7105-00x）的内部结构

本LSI搭载的电路块由无线单元（RF）、调制解调器单元（MODEM）、Bluetooth® LE控制器单元、低功耗逻辑单元、电源单元（Main Reg. / Low Power Reg.）、振荡电路单元(26MHz/32kHz)、主机接口单元（UART、I2C、SPI、GPIO）构成。各单元的主要功能分别是：无线单元提供2.4GHz数据发送电路和数据接收电路，发送系统通过D/A转换器将调制解调器单元（调制器）输入的调制信号转换为模拟信号，再通过本地PLL与2.4GHz频段的信号叠加。然后，通过功率放大器放大到足够的功率作为电波由天线发射。接收系统输入由天线捕捉到的各种强度的接收信号，由低噪声放大器放大微小信号。后面的混频器将2.4GHz频段的频率转换为几MHz左右的中间频率，输入到带通滤波器，仅选择所需信道的信号。接着，由限幅器将信号放大，传输给调制解调器单元（解调器）。这些无线单元的特点是，采用PLL直接调制方式，对各电路块整体进行优化，从而实现更低峰值电流（10mA以下）。

然后，在控制器单元进行Bluetooth® LE数据包的编码、解码处理，由链路处理单元(LL)与协议栈（GATT/ATT/SMP/GAP/L2CAP）发现设备并与发现的设备连接并提供双向通信。另外，通过与低功耗逻辑单元的联动，新开发了在电源关断时更加省电的抑制泄漏电流的电路；同时，还优化了Bluetooth® LE的协议处理固件，缩短了数据包收发数据处理时间，使工作时的耗电量更低。然后，电源单元内置主稳压器和低功耗稳压器，在非通信时仅通过功耗更低的低功耗稳压器进行数据存储。通过这些设计，实现了整体泄漏电流的最小化。振荡电路单元内置主要工作用的26MHz和低功耗工作用的32kHz。特别是主要工作用26MHz振荡电路是按Bluetooth® LE的连接间隔周期每次停动的，因此，通过调整，使从停动状态到启动之间的时间最短化，从而减少了待机电流。最后，主机接口单元配备了Bluetooth® LE标准化的HCI（UART）和LAPIS Semiconductor独有的BACI（SPI）。HCI主要与PC连接，可用于无线认证试验。BACI与安装了Bluetooth® LE配置文件和应用程序的主机微控制器连接，提供Bluetooth® LE服务。

BACI通过简化与主机之间的通信来降低访问频率。而且，在结构设计上采用通过事件使主机启动的结构，因此，是尽可能使主机停动来抑制耗电量的设计。综上所述，本LSI在整个结构模块上进行了降低耗电量的设计，从而，使纽扣电池驱动3年以上连续工作成为可能。主机和堆栈结构如图2所示。
 

【图2】主机和Bluetooth® LE控制器堆栈结构

＜Bluetooth® LE模块＞
接下来，针对Bluetooth® LE模块的结构进行说明。（图3）
 

【图3】Bluetooth® LE模块的外形照片和结构

本模块在Bluetooth® LE LSI （ML7105-00x）之外还内置有Pattern ANT、RF匹配电路、EEPROM、OSC。LAPIS Semiconductor出货时将通过Pattern ANT及RF匹配电路调整RF性能，因此，用户无需调整即可安装于商品中。EEPROM可存储主要含有RF调整值、通信模式、设备地址的配置参数，并可存储用户自己的参数。OSC由主时钟的26MHz晶体振荡器和调整电路构成，已调整为Bluetooth® LE所要求的频率精度。
该产品为将多数元器件一体化封装的SiP（System in Package）构造，因此，可与LSI同等处理。另外，产品将通过Bluetooth SIG认证的组件测试(RF、PHY、LL、4.0HCI、L2CAP、GAP、SMP、GATT/ATT)获得QDID后作为模块提供给客户，因此，作为最终产品注册时，只需嵌入用户准备的配置文件即可轻松登记到Bluetooth SIG官网的产品一览中。还有，要想进行注册工作，需要事先向Bluetooth SIG成员（创始成员、加盟成员、应用成员）登记。另外，该产品计划在获得日本国内外无线电认证后进行供货，因此，可直接在日本国内以及获得认证的海外地区操作Bluetooth® LE（输出电波），客户可在短时间内快速导入到商品中。

＜Bluetooth® LE评估套件和示例软件＞
为了提高LAPIS Semiconductor的Bluetooth® LE产品的导入速度与开发速度，公司准备了评估套件和示例软件。评估套件（图4）包含USB加密狗和无线传感器节点，可通过PC操作Bluetooth® LE通信（各种传感器数据接收、LED ON/OFF控制）。
 

【图4】Bluetooth® LE开发评估套件

示例软件（图5）包含可安装于主机微控制器的独有配置文件VSSPP（Vendor Specific Serial Port Profile）/VSP(Vendor Specification Profile)，使用这些软件，可通过基于UART的终端通信轻松确认P2P（对等计算，PEER-TO-PEER）的Bluetooth® LE通信控制。
此外，LAPIS Semiconductor还开设了技术支持网站。
（URL: https://www.lapis-semi.com/cgi-bin/MyLAPIS/regi/login.cgi）
该网站提供相关的数据表、用户手册、设计指南、评估套件用户手册等，为用户的开发提供支持。

 

【图5】示例软件的结构

连接时已实施配对，限制其后的连接设备，实现加密数据通信。另外，可作为点对点的Bluetooth® LE设备与智能手机通信，使用专用的智能手机应用程序，可确认独有配置文件的服务。

＜Bluetooth® LE配置文件＞
为使用Bluetooth® LE正确通信，与主终端与从终端相同，需要安装一样配置文件。配置文件为层次结构，内部有定义几个服务及其属性（read/write等）的特征值。例如，在Heart Rate Profile中有Heart Rate Service和Device　Information Service等。LAPIS Semiconductor相继开发了标准配置文件，所有的配置文件都是与第三方联合开发的，预计均可供货，并有望支持向用户平台的移植。

＜未来展望＞
今后，Bluetooth® LE的应用范围有望进一步扩大，对更低耗电量、更加小型、系统开发更容易的需求日益强劲。因此，继当前的ML7105系列之后，LAPIS Semiconductor正在开发后续系列。根据计划，后续系列不仅耗电量进一步降低，而且，为满足小型化需求，采用超小型薄型封装的WL-CSP（Wafer Level Chip Size Package），产品阵容将更加丰富。另外，为了比以往更容易导入Bluetooth® LE，在目前开发中的模块基础上，LAPIS Semiconductor还计划开发内置主机微控制器和ROHM集团开发的各种传感器的SiP模块。
LAPIS Semiconductor同时还在探讨满足进一步高性能化（高速传输、树连接等）的需求，结合最新的Bluetooth® LE Core Spec4.1标准，公司今后将一如既往地为客户提供一站式解决方案。