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本文要點(diǎn)

? 介紹經(jīng)典藍(lán)牙設(shè)計(jì)，包括安全性和架構(gòu)
? 低功耗藍(lán)牙和藍(lán)牙應(yīng)用分析
? 設(shè)計(jì)藍(lán)牙 PCB 的要點(diǎn)和注意事項(xiàng)

藍(lán)牙作為最常見(jiàn)的通信協(xié)議之一，已經(jīng)滲透到日常生活的方方面面，我們經(jīng)常使用的音箱、鍵盤和其他設(shè)備都有可能使用藍(lán)牙技術(shù)。

藍(lán)牙占用 2.4 GHz 頻段，與同樣在 2.4 GHz 頻段上運(yùn)行的典型 WiFi A 波段配置相比，藍(lán)牙的帶寬和覆蓋范圍較小。與 WiFi 的無(wú)線局域網(wǎng)相比，藍(lán)牙通常用于個(gè)人局域網(wǎng) (PAN)。換言之，藍(lán)牙用于一對(duì)一（設(shè)備到設(shè)備）通信，而 WiFi 更適合用于“設(shè)備到集線器”這種配置。

由于 WiFi 和藍(lán)牙使用的部分頻段是相同的，如果二者傳輸路徑相距 10 米以內(nèi)，就有可能產(chǎn)生干擾。不過(guò)，較新版本的藍(lán)牙可以最大限度地減少這種干擾，它知道哪些無(wú)線電信道運(yùn)轉(zhuǎn)良好，哪些信道受到的干擾較多。這樣，藍(lán)牙通信就可以動(dòng)態(tài)切換到干擾較少的信道，這就是所謂的“自適應(yīng)跳頻”技術(shù)。

目前，經(jīng)典藍(lán)牙的傳輸速率最高可達(dá) 3 Mbps，而低功耗藍(lán)牙 (Bluetooth Low Energy, BLE) 的傳輸速率最高可達(dá) 2 Mbps，我們將在下文進(jìn)一步介紹。藍(lán)牙由藍(lán)牙特殊利益集團(tuán) (Special Interests Group, SIG) 管理，該組織由多家公司組成，共同致力于推動(dòng)藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展。制造商必須符合藍(lán)牙特殊利益集團(tuán)的標(biāo)準(zhǔn)，才能在市場(chǎng)上銷售藍(lán)牙設(shè)備。

本文將探討藍(lán)牙 PCB 的設(shè)計(jì)。

1. 藍(lán)牙連接過(guò)程

藍(lán)牙設(shè)備使用主從模式進(jìn)行通信。單個(gè)主設(shè)備（如智能手機(jī)、電腦、控制臺(tái)等）可連接多個(gè)從屬節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都有一個(gè)唯一的 48 位地址，通常用 12 個(gè)十六進(jìn)制數(shù)表示。希望被發(fā)現(xiàn)的 BLE 設(shè)備會(huì)通過(guò)一個(gè)稱為廣播 (advertising) 的過(guò)程發(fā)送消息。廣播消息中包含藍(lán)牙設(shè)備的相關(guān)信息，包括其唯一 ID。與此同時(shí)，另一個(gè)設(shè)備會(huì)掃描數(shù)據(jù)包并選擇合適的數(shù)據(jù)包。

連接后，設(shè)備可以處于以下幾種模式之一：

激活模式

此時(shí)設(shè)備正在接收或傳輸數(shù)據(jù)

呼吸模式

設(shè)備處于休眠狀態(tài)，并在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)監(jiān)聽(tīng)信號(hào)

保持模式

設(shè)備休眠一段時(shí)間，然后返回激活模式

休眠模式

設(shè)備處于休眠狀態(tài)，直到主設(shè)備將其喚醒

2. 藍(lán)牙的安全性

總體來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙是一種功耗很低、性能可靠、安全且受到廣泛支持的通信標(biāo)準(zhǔn)，非常適合小型外設(shè)。一般來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙設(shè)備的通信范圍在 1 厘米到 100 米之間，每個(gè)設(shè)備都需要使用獨(dú)特的代碼獲得其他設(shè)備的批準(zhǔn)才能連接。設(shè)備之間交換的藍(lán)牙數(shù)據(jù)可以加密，防止信息被竊聽(tīng)設(shè)備獲取。此外，它還可以更改用于識(shí)別設(shè)備身份的地址（該地址包含在無(wú)線數(shù)據(jù)交換中），從而降低設(shè)備被跟蹤的風(fēng)險(xiǎn)。

3. 藍(lán)牙的硬件架構(gòu)

在任何藍(lán)牙 PCB 設(shè)備中，創(chuàng)建藍(lán)牙連接都要依靠?jī)蓚€(gè)元件的協(xié)同工作。首先是用于調(diào)制和傳輸信號(hào)的無(wú)線電設(shè)備。其次是數(shù)字控制器；這兩個(gè)元件在布局上可能是彼此分開(kāi)的，但也可能是集成在一起的。

數(shù)字控制器通常是一塊 CPU，運(yùn)行著鏈路控制器并與主機(jī)設(shè)備連接。該鏈路控制器負(fù)責(zé)處理基帶和管理物理層FEC 協(xié)議。此外，它還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)傳輸功能（異步和同步）、音頻編碼和數(shù)據(jù)加密。

4. 低功耗藍(lán)牙

低功耗藍(lán)牙 (BLE) 是另一種藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，它也是推動(dòng)眾多電子產(chǎn)品不斷發(fā)展和創(chuàng)新的幕后功臣。具體來(lái)說(shuō)，許多物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)療設(shè)備都利用低功耗藍(lán)牙進(jìn)行通信。

BLE 采用低能耗設(shè)計(jì)，在激活模式下的電流小于 15 mA。BLE 設(shè)備大部分時(shí)間處于低功耗休眠模式，只有在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)喚醒。與傳統(tǒng)藍(lán)牙相比，BLE 設(shè)備通常有更多時(shí)間處于“開(kāi)啟”和主動(dòng)通信狀態(tài)。

BLE 在開(kāi)放區(qū)域的傳輸距離可達(dá) 150 米，是頗具成本效益的藍(lán)牙替代技術(shù)，因?yàn)樗€能顯著延長(zhǎng)電池壽命。BLE 還可用于廣播或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

5. 藍(lán)牙 PCB 應(yīng)用

搭載藍(lán)牙功能的 PCB 可用于各種電器和設(shè)備。一些藍(lán)牙 PCB 應(yīng)用包括：

醫(yī)療保健設(shè)備，如血壓測(cè)量?jī)x、血糖監(jiān)測(cè)儀和溫度測(cè)量?jī)x，其中包括與智能手機(jī)或其他外部設(shè)備通信的可穿戴設(shè)備和植入設(shè)備。

環(huán)境傳感設(shè)備（如照度、環(huán)境濕度、壓力或環(huán)境溫度）能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)或其他中央數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。

配備傳感器，可測(cè)量速度、轉(zhuǎn)速的健身設(shè)備；可監(jiān)測(cè)體重的體重計(jì)；或可測(cè)量心率的可穿戴設(shè)備。

音頻串流播放設(shè)備，例如我們常用的藍(lán)牙音箱和耳機(jī)，藍(lán)牙具備的低功耗和覆蓋范圍小的特點(diǎn)恰好可以在這類設(shè)備中派上用場(chǎng)。

6. 藍(lán)牙 PCB 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)藍(lán)牙 PCB 時(shí)，為確保設(shè)備的可靠性、功能和安全性，需要考慮諸多事項(xiàng)。

功耗

藍(lán)牙設(shè)備很可能由電池供電。特別是在低功耗設(shè)計(jì)中，事先計(jì)算功耗非常重要。確認(rèn)設(shè)計(jì)中沒(méi)有電流泄漏問(wèn)題，并且所有器件均質(zhì)量可靠。使用支持低功耗深度休眠模式的微控制器，可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

電源可靠性

藍(lán)牙設(shè)備通常需要 1.6 V 至 3.6 V 的穩(wěn)定電壓。電源波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致傳輸和運(yùn)行問(wèn)題。依照經(jīng)驗(yàn)，確保穩(wěn)定的電源軌對(duì)設(shè)備可靠性至關(guān)重要，為此要遵循良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐實(shí)踐。必要時(shí)可使用旁路電容器和多個(gè)去耦電容器。此外，在電源軌上使用鐵氧體磁珠有助于消除高頻噪聲。

傳輸要求

一個(gè)元件具有藍(lán)牙功能，并不一定意味著它就適合我們的電路板。根據(jù)具體的藍(lán)牙應(yīng)用，我們可能需要采用不同尺寸的天線和不同的傳輸功率。

例如，假設(shè)我們打算開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的信標(biāo)類應(yīng)用，在這種應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)通信需要位置信息或其他簡(jiǎn)短的數(shù)據(jù)流，所以 BLE 可能是更具成本效益的選擇。使用體積更小、功耗更低且功能簡(jiǎn)單的集成電路，可以節(jié)省電路板空間。

另一方面，如果我們的設(shè)備需要支持音頻串流播放或更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，那么體積更大、功能更強(qiáng)的集成電路可能是最佳選擇，因?yàn)殡m然它們通常功耗更高，但可以實(shí)現(xiàn)更靈敏的接收性能和更高的傳輸功率。

電磁干擾 (EMI)

雖然藍(lán)牙在 2.4 GHz 頻段上運(yùn)行，但仍會(huì)對(duì) PCB 上的周圍器件產(chǎn)生電磁干擾。為了確保高頻耦合不會(huì)影響到這些器件，可以使用 EMI 屏蔽策略，如增加走線之間的間距或添加 EMI 屏蔽層。

信號(hào)完整性

我們前面提到，電路板很可能會(huì)受到噪聲和其他干擾的影響。因此，天線區(qū)域必須與附近的銅信號(hào)或其他高能量器件（如電源路徑或降壓轉(zhuǎn)換器）保持一定的距離，多邊形覆銅和大型平面也是如此。

如果要布置天線區(qū)域，應(yīng)使用接地平面（對(duì)于印刷天線和陶瓷天線而言），以確保輸入端有良好的帶寬，并為調(diào)諧器件留出適當(dāng)?shù)目臻g。藍(lán)牙集成電路制造商可能會(huì)提供 layout 指南供設(shè)計(jì)人員參考。對(duì)于需要謹(jǐn)慎處理的模擬信號(hào)，可考慮使用單獨(dú)的模擬和數(shù)字接地平面。

物理尺寸限制

藍(lán)牙 PCB 設(shè)備很可能是便攜式的，因此很可能需要安裝在某種外殼中，所以有必要考慮這些物理方面的限制。無(wú)論是智能可穿戴設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備、音箱還是其他任何設(shè)備，集成了 ECAD-MCAD 功能的 PCB 設(shè)計(jì)軟件將成為得力助手，幫助我們順利完成之后的設(shè)計(jì)流程。

路板空間管理

成品設(shè)備很可能也要執(zhí)行與藍(lán)牙無(wú)關(guān)的其他功能。無(wú)論是 WiFi 卡、NFC、模擬微芯片還是額外的傳感器，這些器件都需要占用藍(lán)牙 PCB 的空間。因此，空間永遠(yuǎn)不夠用，在選擇器件時(shí)要考慮到集成電路的尺寸。

使用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的模塊

如果設(shè)備需要具備藍(lán)牙功能，應(yīng)考慮使用經(jīng)過(guò)預(yù)先認(rèn)證的完整模塊，以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程。雖然這可能會(huì)增加前期成本，但卻能避免后期在天線布置、EMI 敏感性以及適配各種協(xié)議等方面遇到困難，最終可以加快產(chǎn)品上市。市場(chǎng)上有各種各樣的設(shè)備，因此有必要花點(diǎn)時(shí)間找到適合所需功能的設(shè)備，這樣做絕對(duì)會(huì)讓我們事半功倍。

電路板 layout

如果將大型焊盤、較長(zhǎng)的導(dǎo)線或其他電感器放在離藍(lán)牙 PCB 天線太近的地方，可能會(huì)改變諧振頻率。