最新發(fā)布的藍(lán)牙5.1規(guī)范有效地創(chuàng)建了精確定位BLE發(fā)射器和接收器的方法。

作者：Dialog半導(dǎo)體公司Mark de Clercq

最新版本的藍(lán)牙通信標(biāo)準(zhǔn)于2019年1月份發(fā)布。藍(lán)牙5.1最值得注意的功能是辨別藍(lán)牙發(fā)射器和接收器方向的有效方法。該規(guī)范還介紹了旨在加速通信和提高能效的其他進(jìn)展。

不少藍(lán)牙IC制造商已經(jīng)發(fā)布了具有新5.0規(guī)范功能的硬件。以下我們大概介紹一下藍(lán)牙5.1帶來(lái)的變化，并例舉一家供應(yīng)商如何已經(jīng)開始采用該新規(guī)范。

已經(jīng)有藍(lán)牙接收器用信號(hào)強(qiáng)度來(lái)估算到藍(lán)牙發(fā)射器的距離。5.1規(guī)范提供了兩種更加精確定位的方法，代價(jià)是使用多個(gè)發(fā)射/接收天線。要實(shí)現(xiàn)到達(dá)角度（AoA）方法，接收器必須至少有兩個(gè)天線（最小間距為6.2厘米），而發(fā)射器可以只有一個(gè)天線。通過AoA方法，接收器使用接收到的多個(gè)信號(hào)來(lái)計(jì)算出信號(hào)源的角度。類似地，離開角度（AoD）方法需要發(fā)射器具有至少兩個(gè)天線。接收器可以只有一個(gè)天線，接收多個(gè)信號(hào)并計(jì)算出信號(hào)源的角度。

在藍(lán)牙5.1中實(shí)現(xiàn)的到達(dá)角度（AoA）方法中，例如實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS）中的標(biāo)簽之類的設(shè)備從單個(gè)天線發(fā)射信號(hào)。接收器包含多個(gè)天線，因?yàn)槊總€(gè)接收天線到發(fā)射天線的距離不同，從而接收器可以得出相位差。在離開角度（AoD）方法中，例如藍(lán)牙定位信標(biāo)通過天線陣列發(fā)射信號(hào)，而像智能手機(jī)這樣的接收設(shè)備使用單個(gè)天線來(lái)接收信號(hào)，并將信號(hào)解碼以計(jì)算出相對(duì)信號(hào)方向。這種尋向方法目標(biāo)用于室內(nèi)定位系統(tǒng)，例如尋路系統(tǒng)。

需要注意的一點(diǎn)是：遵循5.1規(guī)范的設(shè)備范圍與早期版本的設(shè)備范圍相同。但是當(dāng)障礙物在視線內(nèi)時(shí)，使用信號(hào)強(qiáng)度定位藍(lán)牙源的準(zhǔn)確性會(huì)嚴(yán)重下降。三角測(cè)量的能力將有可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)和室內(nèi)定位系統(tǒng)等功能。

該尋向功能使用同相和正交（IQ）采樣來(lái)測(cè)量天線接收的RF相位。在AoA方法中，采樣過程應(yīng)用于陣列中的每個(gè)天線，一次一個(gè)，按照陣列設(shè)計(jì)設(shè)置好的順序。采樣數(shù)據(jù)通過主機(jī)控制器接口（HCI）傳遞到藍(lán)牙協(xié)議棧，然后用算法計(jì)算出一臺(tái)設(shè)備相對(duì)于另一臺(tái)設(shè)備的方向。

藍(lán)牙協(xié)議的某些部分已更改，以支持IQ采樣和在協(xié)議棧中的較高層使用IQ樣本。細(xì)節(jié)變得有點(diǎn)復(fù)雜。例如，在鏈路層，有一個(gè)稱為恒定頻率擴(kuò)展信號(hào)（CTE）的新字段，它提供一個(gè)恒定的頻率和波長(zhǎng)信號(hào)材料，可以對(duì)照其進(jìn)行IQ采樣。

5.1規(guī)范還對(duì)GATT（通用屬性配置文件）進(jìn)行了一些增強(qiáng)，GATT定義了兩個(gè)BLE設(shè)備使用稱為服務(wù)和特性的概念來(lái)回傳輸數(shù)據(jù)的方式。這些增強(qiáng)通常是為了提升能效，和實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備之間更快的握手。但其中有些是為未來(lái)要發(fā)布的規(guī)范版本的增強(qiáng)功能做準(zhǔn)備。

從根本上說，5.1規(guī)范定義了BLE客戶端如何可以在曾經(jīng)通信過且未發(fā)生變化的兩個(gè)設(shè)備之間跳過服務(wù)查找的步驟。客戶端現(xiàn)在可以推斷出它所連接的設(shè)備與先前連接的類型相同，并且客戶端已經(jīng)緩存了屬性表。如果某些細(xì)節(jié)相同，則客戶端可以決定跳過部分連接協(xié)議，因?yàn)樗呀?jīng)擁有了所需的數(shù)據(jù)。

這可能派上用場(chǎng)的典型應(yīng)用是藍(lán)牙智能門鎖，智能手機(jī)可以在主人接近時(shí)打開門。服務(wù)查找只需在用戶第一次打開智能鎖時(shí)進(jìn)行一次。用戶在第一次打開門鎖時(shí)可能會(huì)有延遲，但從那之后，門鎖的響應(yīng)幾乎是瞬間的。

藍(lán)牙5.1中的AoA和AoD功能旨在為實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS）和室內(nèi)定位系統(tǒng)（IPS）帶來(lái)更高的精度。用于物品跟蹤的藍(lán)牙實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)設(shè)置調(diào)用安裝在整個(gè)場(chǎng)地中多個(gè)固定位置的藍(lán)牙接收器，通常稱為定位器。定位器連接到俗稱為定位引擎的集中式服務(wù)器。將俗稱為標(biāo)簽的藍(lán)牙發(fā)射器放置到系統(tǒng)要跟蹤的物品上。標(biāo)簽周期性地向定位引擎發(fā)送信號(hào)，定位引擎估算每個(gè)定位器的位置。在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，俗稱為定位信標(biāo)的藍(lán)牙發(fā)射器放置于固定位置。訪客一般可以使用智能手機(jī)上的應(yīng)用程序來(lái)收聽定位信標(biāo)。應(yīng)用程序使用接收到的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算其實(shí)時(shí)位置。

先進(jìn)的架構(gòu)

藍(lán)牙5.1包含的新功能為藍(lán)牙控制器帶來(lái)了額外的計(jì)算負(fù)擔(dān)。某些架構(gòu)功能可以對(duì)額外處理工作帶來(lái)幫助。例如，三角測(cè)量處理可以采用復(fù)雜的算法。因此，包含數(shù)字信號(hào)處理和大容量?jī)?nèi)存的架構(gòu)非常有用。

另外，由于三角測(cè)量涉及來(lái)自多個(gè)天線的信號(hào)，因此藍(lán)牙控制器必須包含處理所涉及的多個(gè)RF信號(hào)的功能。由于單天線藍(lán)牙的市場(chǎng)仍然很大，采用5.1標(biāo)準(zhǔn)的控制器可以通過結(jié)合用于快速操控外部RF開關(guān)的架構(gòu)特性，來(lái)處理對(duì)多個(gè)RF路徑的需求，而不是將開關(guān)包含在藍(lán)牙控制器IC本身上。

這種藍(lán)牙5.1控制器芯片的一個(gè)例子就是Dialog SmartBond DA1469x系列。它是第一個(gè)基于ARM Cortex M33處理器的無(wú)線多核MCU系列。該處理器具有數(shù)字信號(hào)處理和浮點(diǎn)功能，有助于進(jìn)行三角測(cè)量計(jì)算。此外，這些處理器具有I/O，有助于以高精度控制外部RF開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)AoA和AoD定位。使用外部RF開關(guān)處理AoA和AoD，而不是集成在藍(lán)牙芯片中的開關(guān)，可以降低單天線藍(lán)牙應(yīng)用的成本。

此外，DA1469x器件上的內(nèi)存是可擴(kuò)展的，對(duì)處理復(fù)雜應(yīng)用很有用，同時(shí)可以確保基本應(yīng)用的成本足夠低。

降低藍(lán)牙應(yīng)用中的功耗通常是有利的，所以DA1469x芯片中包含了電源管理功能，芯片中的部分功能只在需要時(shí)才開啟。例如，當(dāng)應(yīng)用不啟用尋向定位時(shí)，芯片將僅為處理無(wú)線電和簡(jiǎn)單藍(lán)牙功能的電路供電。當(dāng)要求執(zhí)行AoA或AoD任務(wù)時(shí)，整個(gè)Cortex M33處理器則會(huì)啟用。

Dialog半導(dǎo)體公司的SmartBond DA1469x系列藍(lán)牙控制器結(jié)合了藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)的AoA和AoD尋向定位特性。該器件系列還包含一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)控制器（SNC），可自主運(yùn)行并獨(dú)立處理來(lái)自與其接口相連的傳感器的數(shù)據(jù)。此外，DA1469x系列還具有內(nèi)置電源管理單元，僅在需要時(shí)啟動(dòng)芯片上的處理內(nèi)核，同時(shí)取消了對(duì)獨(dú)立PMIC的需求。

關(guān)于DA1469x芯片的另一點(diǎn)值得注意的是，設(shè)計(jì)人員可以通過應(yīng)用程序編程接口（API）獲得AoA和AoD功能。這有助于設(shè)計(jì)人員無(wú)需掌握如何處理原始AoA / AoD數(shù)據(jù)的具體知識(shí)。

DA1469x IC還有一些其他功能，它們與AoA / AoD功能相關(guān)不大，但對(duì)現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)需求非常有用。這些功能包括觸覺反饋驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（用于驅(qū)動(dòng)混合模擬/數(shù)字鐘表中的模擬鐘表機(jī)芯）、LCD驅(qū)動(dòng)器、用于讀取傳感器的高精度ADC、以及其他專用模擬模塊。 最后，該IC系列的一些版本包含內(nèi)置充電功能，用于鋰離子和鋰聚合物電池充電。

上圖是來(lái)自Dialog半導(dǎo)體公司的配置為藍(lán)牙接收器的開發(fā)板，可檢測(cè)藍(lán)牙發(fā)射器的到達(dá)角度（AoA）。該特定設(shè)備設(shè)置為十次/秒進(jìn)行與發(fā)射器角度的測(cè)量，并在LCD上顯示測(cè)量到的角度。

總而言之，藍(lán)牙5.1引入了許多功能，可以幫助設(shè)備更好地跟蹤人和物品，同時(shí)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。