開發可上市的低功耗藍牙(BLE)產品

八月 14, 2016
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你有新的產品構想希望能上市嗎?在本系列文章中,約翰‧提爾(John Teel)為將您介紹從原型到生產的開發過程,每篇文章都會介紹如何將生開發產品的要素一一導入。
如果你想要開發的電子產品需要無線收發少量的資料,那最好的解決方案就是低功耗藍牙(BLE)。雖然BLE對串流音訊、影片和傳輸大量資料而言不夠快,對需要一般層級資料傳輸的應用卻是完美的技術。
別被「低功耗」一詞給誤導了,因為它在電池有充足電量時也是強大的無線技術。低功耗藍牙(又稱Bluetooth Smart)是應用於新產品上最容易也最低成本的無線技術。

和傳統藍牙不同的是低功耗藍牙是一種單晶片解決方案。BLE解決方案採用的是稱為系統單晶片(SoC)的技術。BLE晶片解決方案用單一個晶片包含RF收發器和執行藍牙堆疊(韌體)的微控制器。傳統藍牙則是較為複雜的雙晶片解決方案,採用一個收發器晶片和獨立的微控制器晶片。BLE不僅是佈署較為簡單的無線通訊協定,成本更是低得多。傳統藍牙的開發成本有很大一部份來自必須另外購買的軟體堆疊,通常要先付10,000美元,再依每單位授權進行收費。

反過來看,BLE的堆疊已經內建在SoC,所以成本只存在於晶片本身。一個BLE晶片通常僅要價1到2美元(一千個單位的批發價)。其他BLE晶片所需的支援元件(晶體、電容器、天線等)會再花1到2美元。

舉例來說,Arduino 101就具備晶片解決方案(Nordic NRF51822)。你可以搜尋我們的開發板比較表裡具有BLE的開發板。

模組與晶片解決方案

對多數的無線技術而言,起初最好採用模組解決方案,而非訂製的獨立晶片解決方案。BLE模組可以幫你節省FCC認證所需的大筆前期成本。

然而,採用BLE模組所節省的成本不及其他無線通訊協定,而這是因為BLE的軟體堆疊已經內建在晶片上,所以沒有額外的堆疊成本。雖說如此,避開FCC認證(或至少避開最貴的「意圖輻射器」這部份)仍然是採用BLE模組解決方案的一大優勢。模組同時讓你不用調諧天線,可以省下幾千美元。

對傳統藍牙而言,模組解決方案的成本通常明顯高於獨立晶片解決方案,但多數的開發人員起初通常願意吸收膨脹的單位成本來降低前期成本。

BLE還有一個優勢在於模組的成本只比獨立晶片解決方案多出幾美元。事實上,對多數的產品而言,數量必須達到至少五十萬個單位才能讓採用晶片比模組更划算。

等你達到這種產量,並決定要轉移成晶片解決方案時,只需要在設計上進行相當單純的修改,尤其如果採用和模組相同晶片的話。

下表是幾種最常見的BLE晶片解決方案。

天線設計

如果你用的模組沒有內建天線,則設計裡最關鍵的面向之一就會是天線。對這類的產品而言,通常有兩種天線可以選擇:陶瓷天線和板載天線。

陶瓷天線的優勢在於尺寸較小,調諧也較單純。所有無線裝置都需要經過天線調諧的程序來取得最高效能(最大收發範圍)。調諧天線是需要昂貴儀器的複雜程序,所以通常會外包給專門提供RF調諧的公司。

天線電路通常以pi網路進行天線的匹配(即調諧),過程中會調整pi網路中使用的電容器和感應器的數值來把天線調諧最佳化。如果收發範圍對產品而言不是極為重要,則BLE的晶片天線不一定需要調諧(至少初期測試不需要)。

板載天線內建於印刷電路板(PCB)本身。PCB板載天線的主要優勢為降低成本。事實上,因為這種天線就是PCB上的佈線,天線基本上沒有成本。

但是,晶片天線相當便宜,所以我通常至少在會建議在初期採用晶片天線。等產品達到很高的產量,可以再考慮用PCB板載天線來取代晶片天線,藉此降低成本、增加利潤。

PCB的調諧較為複雜,而且可能需要多次修改PCB才能最佳化。和晶片天線相比,變更PCB的設計也可能對板載天線的效能有更顯著的影響。

總結

BLE是很強大的技術,主要因為它的單純,以及超低的能耗。所以在開發產品時,考慮其他較複雜的無線技術前可以先考慮BLE。
我整理了八種市面現有BLE晶片的比較表,包含根據晶片種類和預估價格所挑選的可用模組,供你免費下載
 
(譯:屠建明)
[原文]

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