柏海如，劉 偉

（上海聞泰電子技術(shù)有限公司，上海 200232）

0 引言

隨著無線技術(shù)飛速發(fā)展，智能終端設(shè)備逐年更新?lián)Q代，目前BLE藍(lán)牙基本支持V5.1/2/3版本，高算力、低延時(shí)、低功耗的芯片應(yīng)用于移動(dòng)終端產(chǎn)品開發(fā)越來越普及。本文重點(diǎn)介紹基于目前消費(fèi)者普遍應(yīng)用的智能手機(jī)、智能手表、智能耳機(jī)等搭載BLE藍(lán)牙芯片設(shè)計(jì)，基于BLE藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)方案。本文講述的智能耳機(jī)是基于ATS 3019E藍(lán)牙芯片設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，可以與其他藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行配對(duì)連接；智能手表是基于W307+GR5515主控芯片平臺(tái)，內(nèi)置BLE藍(lán)牙協(xié)議，并配備有eSIM卡及Modem，支持LTE通信、Wi-Fi（2.4 GHz 802.11b/g/n）、藍(lán)牙（V2.1、BLE V4.2、GR5515-BLE V5.3）、2G/3G/4G，系統(tǒng)集成有PKE及NFC芯片；智能手機(jī)端是通用高通MTK SoC芯片（常規(guī)SoC芯片集成藍(lán)牙芯片）；智能汽車端一般配備有IVI或智能座艙系統(tǒng)，常規(guī)系統(tǒng)均支持集成藍(lán)牙芯片?；緫?yīng)用場(chǎng)景包括以下方面。

（1）智能手表與智能汽車通信：①本系統(tǒng)支持智能手表通過BLE藍(lán)牙及PKE加密芯片與車載PEPS（Passive Entry & PassiveStart）裝置進(jìn)行通信；②智能手表內(nèi)置Modem及eSIM進(jìn)行遠(yuǎn)程與車載PEPS裝置通信；③智能手表內(nèi)置NFC近場(chǎng)與智能汽車PEPS通信。

（2）智能手機(jī)與智能汽車通信：智能手機(jī)通過App及LTE網(wǎng)絡(luò)與智能汽車通信。

（3）智能耳機(jī)與智能手機(jī)通信：智能耳機(jī)通過內(nèi)置BLE藍(lán)牙芯片與智能手機(jī)藍(lán)牙通信。

（4）智能耳機(jī)與智能手表通信：智能耳機(jī)通過內(nèi)置BLE藍(lán)牙芯片與智能手表內(nèi)置BLE藍(lán)牙芯片通信。

（5）智能耳機(jī)與智能汽車通信：①智能耳機(jī)與智能汽車通過BLE藍(lán)牙進(jìn)行通信；②智能汽車與智能手機(jī)或智能手表進(jìn)行BLE藍(lán)牙連接后，通過系統(tǒng)支持的語(yǔ)音助手連接智能手機(jī)App或智能手表App，通過終端App對(duì)智能汽車進(jìn)行通信。

本文重點(diǎn)講解智能手表終端設(shè)計(jì)及與智能汽車終端通信。

圖1 基于BLE藍(lán)牙智能終端通信網(wǎng)絡(luò)

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 智能手表終端硬件配置

⊙ Apollo4：平臺(tái)性能高，驅(qū)屏效果更好。

⊙ 低功耗藍(lán)牙（BLE）：V5.3。

⊙ Flash：4Gbytes eMMC。

⊙ RAM：1 Gbit/ROM、1 Gbit+4 Gbyte，大容量存儲(chǔ)，支持音樂存儲(chǔ)。

⊙ 傳感器：A+G、地磁、氣壓計(jì)、心率血氧、環(huán)境光傳感器，支持110種運(yùn)動(dòng)，智能體驗(yàn)更加。

⊙ 顯示屏：1.43" 466×466高分辨，搭配W307幀率可達(dá)40～50 Fps，提升視覺交互體驗(yàn)。

⊙ 電池：420 mAh電池，大容量電池，更長(zhǎng)的續(xù)航體驗(yàn)。

⊙ PKE模塊：NCF2953。

⊙ 智能手機(jī)操作系統(tǒng)：支持i O S11及以上、Android 5.0及以上。

⊙ 智能手表操作系統(tǒng)：MOCOR RTOS系統(tǒng)，全智能模式，低功耗智能模式，智能助手、三方應(yīng)用更好的快穩(wěn)省用戶體驗(yàn)；兼顧智能和長(zhǎng)續(xù)航，滿足不同用戶需求；豐富的三方應(yīng)用，功能更多。

1.2 智能手表終端硬件設(shè)計(jì)[1]

常規(guī)式布局，滿足ID、結(jié)構(gòu)、硬件、天線、聲學(xué)、光學(xué)各領(lǐng)域要求。

圖2 智能藍(lán)牙手表終端硬件框圖

A p ol lo 4芯片是A mbiq公司最新推出的藍(lán)牙BLE芯片，具有512 KB Flash+（96 KB ROM）+64 K B SR A M，藍(lán)牙協(xié)議棧固化，不再占用Fla sh空間。64 KB的SRAM分區(qū)使用，可以在待機(jī)時(shí)保存更多用戶數(shù)據(jù)，可以設(shè)置大容量緩沖區(qū)，支持更加復(fù)雜的功能。符合SIG規(guī)范的Mesh自組網(wǎng)應(yīng)用，包括多節(jié)點(diǎn)的控制，以及一主多從的同時(shí)工作。

Apollo4最大的優(yōu)勢(shì)是功耗降低。上一代產(chǎn)品藍(lán)牙接收峰值電流＞13 mA；MCU的功耗0.3～0.5 mA/MHz；低功耗模式下平均電流＞40 μA。新產(chǎn)品的藍(lán)牙接收峰值電流4.7 mA，MCU的功耗＜60 μA/MHz。低功耗模式下平均電流可降低到20～30 μA。BLE5的廣播數(shù)據(jù)包更加靈活，最多可包含200 Byte數(shù)據(jù)，BLE4只有32 Byte。傳輸速率更快，BLE5可以達(dá)到20～30 KB/s，BLE4一般在4～5 KB/s。

1.3 智能手表終端天線及射頻設(shè)計(jì)

圖3 智能手表堆疊擺件

圖4 智能手表BLE天線仿真

（1）主天線/GPS/BT/Wi-Fi按照兼容地腳和加開關(guān)設(shè)計(jì)。①智能手表調(diào)試天線的隔離度基本在-10 dB左右；②天線的效率滿足預(yù)定指標(biāo)要求，性能較高；③低頻切換方案為并聯(lián)開關(guān)，對(duì)GPS/BT天線影響較小。

（2）RSE/CSE解決方案。①射頻電源走線，線寬參考芯片耗電規(guī)格，上下左右用地保護(hù)好，防止被其他信號(hào)干擾；②RF屏蔽罩內(nèi)壁的高度，建議＞0.4 mm（現(xiàn)在是最少的地方0.1 mm，最高0.2 mm）；③同一個(gè)電源既給BB供電又給RF供電，或給不同類型的兩個(gè)RFpin功能供電時(shí)必須走星型線；④RF獨(dú)立屏蔽罩，其他干擾源器件做好充分接地。

（3）BT頻段跟藍(lán)牙頻段接近會(huì)存在共存干擾問題，咨詢平臺(tái)沒有優(yōu)化此項(xiàng)共存干擾制止解決方案。①天線隔離度保證好；②調(diào)試匹配時(shí)考慮優(yōu)化帶外諧波；③通路上濾波器選型考慮好抑制度。

1.4 智能汽車終端硬件設(shè)計(jì)[2]

1.4.1 PEPS模塊

PEPS為汽車終端無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)重要接收控制單元，內(nèi)部的高頻接收電路負(fù)責(zé)接收智能手表發(fā)送的RF高頻信號(hào)，并傳送至主芯片驗(yàn)證智能手表身份的合法性識(shí)別，內(nèi)部集成的藍(lán)牙模塊接收智能手表相關(guān)傳感器的信息根據(jù)預(yù)先定義的策略，通過CAN總線發(fā)送給相關(guān)整車模塊去處理，包括開/關(guān)車門、開/關(guān)空調(diào)等。當(dāng)用戶攜帶智能手表鑰匙靠近車輛時(shí)，通過操作車輛門把手上的按鈕或傳感器，PEPS模塊檢測(cè)到按鈕或傳感器信號(hào)后，會(huì)驅(qū)動(dòng)車上相應(yīng)的低頻天線產(chǎn)生無線低頻信號(hào)搜索智能手表PKE鑰匙，智能手表PKE鑰匙接收到車輛端低頻信號(hào)后會(huì)反饋一個(gè)信號(hào)（RF/BT），PEPS對(duì)鑰匙反饋的信號(hào)的合法性做驗(yàn)證，之后把命令發(fā)到BCM模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的上鎖和解鎖。

1.4.2 智能手表PKE

智能手表硬件設(shè)計(jì)包括主控芯片、觸控屏、PKE、App等，用戶可以通過在觸摸屏上操作Ap p對(duì)應(yīng)的菜單，PEPS控制器收到智能手表傳送RF射頻信號(hào)命令后，對(duì)其進(jìn)行解析、驗(yàn)證鑰匙身份合法性，并將命令發(fā)送給BCM（車身控制單元）執(zhí)行相應(yīng)的車門解鎖、落鎖、開啟后備箱、升降車窗、尋車等功能。

2 智能手表終端設(shè)計(jì)

2.1 BLE互聯(lián)通信軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)互聯(lián)主要流程如圖5所示[3]。

圖5 藍(lán)牙互聯(lián)通信軟件流程

2.2 BLE協(xié)議棧架構(gòu)

（1）基于GATT的應(yīng)用規(guī)范（Application）：即時(shí)報(bào)警服務(wù)、FindMe規(guī)范、鏈路丟失服務(wù)、健康體溫計(jì)規(guī)范、電池服務(wù)等。

（2）通用接入規(guī)范（Generic Access Profile，GAP）：藍(lán)牙設(shè)備如何發(fā)現(xiàn)、建立連接及綁定遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備的通用程序。

（3）通用屬性協(xié)議（Generic Attribute Protocol，GATT）：定義了服務(wù)的流程、格式及其所包含的特征，包含特征的發(fā)現(xiàn)、讀取、寫入、通知、指示。

（4）屬性協(xié)議（Attribute Protocol，ATT）：用于發(fā)現(xiàn)、讀取和寫入對(duì)端設(shè)備上的屬性的規(guī)范。

（5）安全管理協(xié)協(xié)議（Securit y Manager，SMP）：配對(duì)和密鑰分發(fā)。

（6）鏈路控制和適配協(xié)議（Logical Link Control and Adaption Protocol，L2CAP）：數(shù)據(jù)分組交換。

（7）主機(jī)接口規(guī)范（Host controller Interface，HCI）：主機(jī)和控制器之間的接口。

（8）鏈路層（Link layer，MAC）：鏈路管理，執(zhí)行基帶協(xié)議和其他低級(jí)的鏈路程序。

（9）物理層（physical layer， RF&BandBand）：空中包的收發(fā)。

2.3 BLE接收數(shù)據(jù)

通過設(shè)置特征值的寫回調(diào)函數(shù)來接收數(shù)據(jù)，有WRITE和WRITE_WITHOUT_RSP兩種寫方法（在特征值屬性中進(jìn)行設(shè)置），WRITE方法寫入后server端會(huì)發(fā)送響應(yīng)，而WRITE_WITHOUT_RSP方法則不會(huì)。

static ssize_t speed_write_cb(struct bt_conn*conn,const struct bt_gatt_attr *attr,

const void *buf, uint16_t len, uint16_t offset,

2.4 BLE發(fā)送數(shù)據(jù)

發(fā)送數(shù)據(jù)一般采用NOTIFY方式。

2.5 BLE連接管理

連接相關(guān)的回調(diào)函數(shù)都在conn_callbacks結(jié)構(gòu)體中進(jìn)行注冊(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試及應(yīng)用數(shù)據(jù)分析，BLE藍(lán)牙通信連接穩(wěn)定性、射頻信號(hào)、功耗指標(biāo)、App應(yīng)用、近場(chǎng)/遠(yuǎn)程通信等整個(gè)系統(tǒng)通信、交互、安全等各項(xiàng)功能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作方便易用、智能，消費(fèi)者市場(chǎng)反饋良好，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益?！?/p>