藍牙標(biāo)準(zhǔn)的最新版本Bluetooth 5將提供廣泛的增強功能，例如更長的距離，更高的速度以及對無連接服務(wù)的擴展支持。這是對當(dāng)今藍牙4.2技術(shù)的重大升級，并將為智能環(huán)境開辟新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

此舉使公司和開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)可訪問，可互操作的物聯(lián)網(wǎng)。新標(biāo)準(zhǔn)通過將數(shù)據(jù)速率降低到500 Kbps和250 Kbps來指定具有現(xiàn)有設(shè)備范圍四倍的模式，以允許在家中可靠地使用更多傳感器。該范圍不僅允許控制器和傳感器之間的距離更遠，而且還為終端設(shè)備提供更強大的鏈路。它還允許兩倍的數(shù)據(jù)速率達到2 Mbps，以便從監(jiān)視器或無線揚聲器獲得更高質(zhì)量的音頻流，從而改善用戶體驗。

市場研究估計藍牙將超過三分之一到2020年所有已安裝的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，由智能手機中無處不在的實施作為控制器驅(qū)動。然而，智能手機中作為控制器或用于流式傳輸?shù)綗o線耳機的藍牙5芯片的要求與物聯(lián)網(wǎng)的要求非常不同。這些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用還需要更復(fù)雜的電源管理，以最大限度地延長系統(tǒng)的電池壽命，因此優(yōu)化的DC-DC轉(zhuǎn)換器是SoC中越來越常見的元件。

現(xiàn)在交付給芯片設(shè)計人員的設(shè)計可以容納物聯(lián)網(wǎng)SoC設(shè)備的要求。例如，RivieraWaves藍牙IP平臺由硬件基帶控制器，數(shù)字調(diào)制解調(diào)器和詳細的軟件協(xié)議棧組成。堆棧包括直到GAP/GATT的鏈路層以及一組服務(wù)和配置文件。 Riviera技術(shù)已經(jīng)用于恩智浦前幾代藍牙4.2設(shè)備，如MKW31Z256。

圖1：由開發(fā)的藍牙5 IP RivieraWaves用于物聯(lián)網(wǎng)的片上系統(tǒng)設(shè)備。

硬件基帶控制器以Verilog IP包的形式提供。它執(zhí)行分組編碼/解碼和幀調(diào)度，并由硬件AES128加密引擎補充。軟件堆棧作為C代碼IP包提供，包含鏈路層，L2CAP，ATT，SMP，GAP/GATT，服務(wù)和配置文件，可由芯片開發(fā)人員修改。

圖2：RivieraWaves的藍牙5 IP協(xié)議棧。

BLE模式與藍牙雙模式不同，藍牙雙模式協(xié)議棧包括智能手機中的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HCI接口。靈活的無線電接口允許平臺與RivieraWaves RF IP或各種合作伙伴的RF IP一起部署，從而實現(xiàn)鑄造和工藝節(jié)點的最佳選擇。

另一家IP供應(yīng)商Mindtree與德克薩斯州合作將藍牙4.2堆棧放入CC1350處理器的儀器。它將靈活的低功耗RF收發(fā)器與48MHzARM?Cortex?-M3微控制器相結(jié)合，專為多個物理層和RF標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計，使藍牙5的升級變得相對簡單。用于無線電的2 Mbps GFSK調(diào)制方案可顯著提高用戶的系統(tǒng)吞吐量，并且在硬件中實現(xiàn)相對簡單。

堆棧在專用Cortex-M0上運行，作為處理的無線電控制器存儲在ROM或RAM中的低級RF協(xié)議命令。用于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器可由專用的自主超低功耗控制器處理，該控制器可配置為處理模擬和數(shù)字傳感器，允許主Cortex-M3內(nèi)核保持睡眠模式。電源，時鐘管理和無線電系統(tǒng)需要通過軟件進行特定配置和處理才能正常運行，這已在專用的實時操作系統(tǒng)（TI-RTOS）中實現(xiàn)。這也將被更新以包括藍牙5的新功能。

這包括將廣告包擴展到237字節(jié)，這打開了用于廣告的數(shù)據(jù)信道，并且還引入了周期性廣告的概念。

Mindtree還與Synopsys合作，為4.2on TSMC的55 nm和180 nm工藝開發(fā)完整的藍牙智能IP設(shè)計。這將Synopsys物理IP與Mindtree的BlueLitE鏈路層和軟件堆棧IP相結(jié)合，為芯片設(shè)計人員提供了完整的BLE模塊，可最大限度地降低面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的超低功耗片上系統(tǒng)（SoC）的風(fēng)險和集成難題。 Synopsys的PHY IP工作電壓低于1伏電源，可延長電池壽命，并具有集成的天線匹配網(wǎng)絡(luò)，可確保天線與信號源之間的正確信號傳輸，從而降低外部元件成本。

藍牙5現(xiàn)在正在設(shè)備中實施。例如，Nordic Semiconductor的nRF52系列SoC器件是一系列超低功耗多協(xié)議SoC，采用32位ARM Cortex-M4F內(nèi)核，1 MB閃存和256 kB RAM片內(nèi)存。最新的嵌入式2.4 GHz收發(fā)器支持所有硬件中的Bluetooth5低能量數(shù)據(jù)速率，從新的2 Mbps和現(xiàn)有1 Mbps速率到500 kbps和125 kbps的藍牙5長距離速率。該無線電支持高分辨率RSSI測量和自動功能，以減少CPU負(fù)載，包括EasyDMA，用于分組數(shù)據(jù)和裝配的直接存儲器訪問。 Nordic還直接為藍牙5低能量提供協(xié)議棧 - 這些棧稱為SoftDevices，而n40F52840則由S140 SoftDevice支持，這是一個藍牙5預(yù)先認(rèn)證的藍牙低功耗協(xié)議棧。

圖3：Nordic Semiconductor的nRF52開發(fā)板將允許評估最新的藍牙5設(shè)備。

許多現(xiàn)有的藍牙4.2設(shè)備已被評估考慮到下一代設(shè)計，物聯(lián)網(wǎng)SoC中的藍牙元件可以是芯片設(shè)計中相對較小的一部分。例如，在Cypress Semiconductor的CYBL11573中，大部分芯片專門用于外設(shè)處理，如圖4所示。

圖4：賽普拉斯半導(dǎo)體公司的大部分CVBL11573專門用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中所需的傳感器管理。

SoC的BLE子系統(tǒng)由鏈路層引擎和物理層組成。鏈路層引擎支持主角色和從角色，并實現(xiàn)時間關(guān)鍵功能，例如硬件加密以降低功耗，并提供最小的處理器干預(yù)和高性能。關(guān)鍵協(xié)議元素，例如主機控制接口（HCI）和鏈路控制，在固件中實現(xiàn)。這些是藍牙5實現(xiàn)中發(fā)生變化的元素。

物理層也會更改以處理更高的2 Mbps數(shù)據(jù)速率。這已經(jīng)使用GFSK調(diào)制，在將這些BLE分組的數(shù)字基帶信號通過天線發(fā)送到空中之前將其轉(zhuǎn)換為射頻。在接收方向上，該塊在執(zhí)行GFSK解調(diào)之后將來自天線的RF信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流。 RF收發(fā)器包含一個集成的平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器，它提供一個單端RF端口引腳，通過π匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動50Ω天線端子。輸出功率可在-18 dBm至+3 dBm范圍內(nèi)編程，以優(yōu)化不同應(yīng)用的電流消耗。

同樣，Silicon Labs的EFR32MG系列藍牙控制器可升級至藍牙5.目前的系列使用40 MHz ARM Cortex-M4內(nèi)核，具有可擴展的內(nèi)存和無線電配置選項，均使用與腳印兼容的QFN封裝。與其他物聯(lián)網(wǎng)實施一樣，12通道外設(shè)反射系統(tǒng)可實現(xiàn)外設(shè)的自主管理，而集成的2.4 GHz巴倫和功率放大器可提供高達19.5 dBm的發(fā)射功率。

結(jié)論

隨著2017年初藍牙5的推出，芯片開發(fā)商正在采用多種方法來提供針對物聯(lián)網(wǎng)的片上系統(tǒng)設(shè)備的功能。使用來自RivieraWaves或MindTree等供應(yīng)商的物理和軟件IP可以讓開發(fā)人員專注于額外的外圍設(shè)備和芯片的電源管理，同時降低風(fēng)險。其他人正在尋求在SoC設(shè)計中緊密集成藍牙5功能，以增加額外功能或減小芯片尺寸。

這兩種方法都為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)計人員提供了新功能。其低功耗，更長的范圍和更高的數(shù)據(jù)速率使藍牙5嵌入式開發(fā)人員能夠輕松地為其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備添加更復(fù)雜的無線連接。