【技术大神】入门篇：低功耗透传蓝牙的开发研究

时间： 2019-09-02 来源：世强

互联网时代下，智能联网生活场景成为发展新趋势，例如智能楼宇/家居、医疗健身、可穿戴及便携设备等。无论是便携医疗设备还是可穿戴设备都在朝着小型化和智能化方向发展，并将是很长一段时间内人机交互领域的发展重点。蓝牙因其低功耗以及简单便捷的通信方式，必将在未来的物联网和穿戴设备领域大放异彩。

笔者此前因工作需要，开始开发蓝牙透传模块（bluetooth v4.x），由于之前从未有过相关经验，几乎是从零基础开始研究，所以有使用不当或者错误的地方望指正。

模块具体研发要求：将用在电池供电设备，休眠占据大量时间，只在需要执行动作的时候可快速唤醒，必须功耗低；可传输大数据（>255bytes）；体积尽量小；距离范围10M即可；安全加密算法；可状态指示。

瑞萨电子（RENESAS）新款的超低功耗、高集成度的RL78/G1D系列微控制器（MCU）让我们眼前一亮。首先，它兼具高性能蓝牙4.1技术和适用于蓝牙低功耗的低功率RF收发器技术，能够支持BLE V4.1协议及功耗智能控制。其次，待机时需求功耗足够低是我们开发的基础，而RL78/G1D系列MCU具有业界领先的低功耗特性，供电电压1.8 to 3.6 V，在射频接收Rx时仅为3.5mA，发射Tx时4.3 mA， RF睡眠模式（POWER_DOWN mode）仅0.3μA。第三，其新增“射频适应性技术”可针对通信范围自动地优化功耗，即允许在无线通讯距离不同时通过调整耗电量，优化功率分配，有效提高电源效率。最后，客户要求做到越小越好，方便匹配原来的产品，而RL78/G1D集成度较高，内部不但集成DC-DC、32.768kHz，而且包含了无线连接所需的平衡转换器元件，外围只需接简单的L/C器件和天线即可，所以体积非常容易就符合设计标准。加上其还具有丰富的模拟外设功能，以及多工作模式的通信接口，在体积上占据优势的同时还节省了外围元件成本，这将是蓝牙传统模块未来的亮点和卖点。

在扩展方面，我们后期在透传模块的基础上来开发蓝牙卡项目，也得益于RL78/G1D的高集成度，因此不需额外添加外围设备器件就轻松实现了我们的开发目的。比如，通过片上的ADC模块，采集变化的外界模拟信号；利用芯片内部温度传感器直接判定环境温度等。所以如果各位技术大神在用这款蓝牙芯片时，也可以充分利用其强大的功能，通过灵活的选择通讯接口或增加外设，简化开发进程，能够一举多得。

图1：蓝牙RL78/G1D的内部集成

根据蓝牙标准化组织联盟（SIG）定义的profile，创建自定义的属性。打开Renesas官方网站，可下载对应系列的工具包，搭配瑞萨开发工具CubeSuite+支持，用其提供的BLE_Embedded工程，按照下图2流程创建用户自定义的属性（Creating a User Profile）。根据透传功能需要，Profile选用Custom；Profile role选用 Server（GATT Server）；GAP role 选用Peripheral。GATT Server Role的创建文件分别在prf_config.h、db_handle.h、prf_config.c中。

图2：创建用户自定义的属性

BLE 透传服务，包含一个用于数据下发（Tx）的特征值和一个用于数据上传（Rx）的特征值，如图3。

图3：BLE透传服务说明

实现的基本原理如下：

1）硬件端发起广播（Adverting）

2）手机端搜索设备，发起连接要求

3）硬件端响应事件，设备进行连接（Connection）

4）手机端搜索对应的Service的Handle，通过该Service发送相应的命令

下图红色函数为BLE_Embedded工程中的对应功能函数。

图4：透传功能BLE 软件流程图

最终我们做出的模块大小18.5mm*12.5mm，在3.3V供电下测试：休眠状态（待机下）电流1uA，唤醒状态电流2.5±1.0mA，数据传输期峰值电流5.5±1.5mA。

总的来说，瑞萨的RL78/G1D继续秉承它的低功耗优势，且其符合蓝牙4.1规范，并在比特流过程中具有白化、CRC功能，大幅度提高输出信号的质量。灵敏度为90dBm左右，输出功率可0 dBm，简易地进行15M距离测试，这些强大的硬件指标也是对我们产品后期开发和维护最大的动力。

作者：惠惠

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luose Lv8. 研究员 2017-09-29

挺有帮助

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