BlueNRG-LP支持128个并发连接的蓝牙低功耗SoC
ST推出的BlueNRG-LP，这是首款支持 128 个并发连接的蓝牙低功耗 SoC。它也是我们第一款获得蓝牙低功耗 5.2 认证的设备。BlueNRG-LP 支持远程、2 Mbps 传输和广告扩展等功能，仅举几例。此外，它借鉴了以前的架构，在 ST 蓝牙芯片上提供了最广泛的动态范围。为了达到这样的性能和优化水平，我们的团队专注于 SoC 的无线电和微控制器。后者现在是运行在 64 MHz 的 Cortex-M0+，它使用 64 KB 的 RAM。相比之下，BlueNRG-1 和BlueNRG-2 依赖于 32 MHz 的 Cortex-M0 和 24 KB 的 RAM. 出于安全目的，新设备还具有一次性可编程存储区。
BlueNRG-LP：其他任何事情之前的第一步
STEVAL-IDB011V1 评估板和更新的 BlueNRG 软件
流程工程团队选择蓝牙 SoC 的过程通常很复杂。许多因素可能会影响决策，从成本到过去的经验、性能和易用性。因此，为了帮助团队更快地评估 BlueNRG-LP，我们还发布了软件和开发工具的更新。例如，开发人员可以将新的STEVAL-IDB011V1 BlueNRG-LP 评估板与BlueNRG Navigator GUI一起使用。该软件可以上传示例应用程序，从而帮助管理人员了解我们对新 SoC 的期望。
BlueNRG Navigator GUI 提供的演示项目数量非常多。在大约20 个应用程序中，开发人员可以快速测试 SoC连接多达 128 个设备的能力。他们还可以尝试通过广播到八个频道而不是传统的三个频道来进行广告扩展。同样，一个项目展示了更高的可用吞吐量，而另一个项目则提供了更长的范围能力。因此，工程师拥有大量应用程序启动器，可以极大地加快其概念验证的开发。
ST还发布了新版BlueNRG电流消耗工具。该实用程序以令人信服的图形表示我们新设备的低功耗功能，以影响决策者。开发人员还可以决定通过移植在以前的 BlueNRG SoC 上运行的代码来测试新设备。由于只是从 Cortex-M0 迁移到 Cortex-M0+ 的问题，因此该过程相对简单。
左侧是 BlueNRG 电流消耗工具。右侧是展示 ST 工具精度的实际功率波形。
了解新的工业和技术挑战
在选择蓝牙 SoC 时，工程师会关注正在塑造其行业的最新趋势等。工业应用必须将更多的传感器节点连接到网关。音频处理能力变得越来越重要。蓝牙 SoC 必须提供更多的处理能力，同时保持较低的材料清单和功耗。应对这些挑战绝非易事，它需要在无线电和微控制器层面进行优化。事实上，一次仅连接多达 128 台设备在当今世界上是独一无二的，但还不够。我们知道工程师会问两个关键问题：“这些连接有多好？” “我能用它们做什么？” 答案在于 BlueNRG-LP 如何实现更大的功率、更好的安全性、更高的效率和更低的成本。
BlueNRG-LP：更强大、更安全、更高效的连接
高速
从事工业应用的团队必须处理影响范围或数据速率的重大限制。例如，一些系统必须覆盖难以置信的长距离。这种应用的一个例子是连接到整个智能工厂的无数板的网关。另一方面，其他设备必须快速传输大量数据，例如在固件更新期间。新的 ST SoC 实现了两者。通过提供 LE 2M PHY，BlueNRG-LP 可以达到高达 2 Mbps 的数据速率。相比之下，之前 BlueNRG SoC 中的 LE 1M PHY 停止在 1 Mbps。正如我们在BlueNRG-2N 博客文章中解释的那样，更快的传输在一定程度上要归功于数据长度扩展的更大有效负载，以及蓝牙 5.0 固有的带宽增加。
长距离
在 LE 2M PHY 的另一端，蓝牙 5.0 提供更大的覆盖范围。不幸的是，许多工程师经常忽视这种远程功能，因为他们低估了它的潜力。BlueNRG-LP 提供 LE 编码 PHY，可在两个蓝牙设备之间实现更远的距离，而无需额外的功率放大器。ST 使用现有开发板和应用程序的实际测试达到了 1.3 公里（0.8 英里）。
范围的增加是可能的，因为 LE 编码 PHY 使用前向纠错等功能，它为每个数据包添加了额外的位。但是，数据冗余会导致 125 kbps 的较低带宽。另一个有助于避免干扰的功能是频道选择算法#2 （CSA #2）。虽然 CSA #1 只能在 37 个频道之间跳转，但 CSA #2 有 65，535 个频道可供使用。这种大选择有助于避免碰撞和褪色效果。无论附近有很多设备，还是它们之间的距离很远，CSA #2 都能提高网络的可靠性。最终，更远的距离是可能的，因为蓝牙 5.0 可以更好地处理在覆盖很远距离时不可避免地困扰信号的背景噪声。
链接预算
从事蓝牙应用程序的工程师总是运行链路预算分析，这是一种帮助他们预测整体性能的设计辅助工具。简而言之，它确保设计人员能够预见特定问题，例如无法到达接收器的信号强度不足。在大多数教科书中，链路预算分析使用以下等式：
接收功率 （dBm） = 发射功率 （dBm） + 增益 （dB） - 损耗 （dB）。
然而，如今工程师使用的数据表几乎总是给出发射功率 （TX） 和接收器的灵敏度水平 （RX）。因此，大多数现实世界的项目根据以下等式定义其链路预算：
| 链路预算 （dB） | = TX 功率 （dBm） – 灵敏度水平 （dBm）。
BlueNRG-LP 的 TX 功率能够达到 +8 dBm（可按 1 dBm 步长进行编程），RX 灵敏度为 -104 dBm（125 kbps）或 -97 dBm（1 Mbps）。因此，新的 ST SoC 具有 112 dB 和 105 dB 的链路预算，具有业界最大的链路预算。因此，与链路预算较低的设备相比，工程师可以预期在相同功耗下具有更好的性能。
阻止黑客
安全性是工程师在设计系统时关注的另一个重要方面。消费者对隐私和保护免受威胁的问题更加敏感。因此，希望构建蓝牙系统的团队会着眼于保护用户和数据的功能。BlueNRG-LP 为这些关键的工程挑战提供了答案。其中之一是存在一个安全引导加载程序，它在启动固件之前检查固件的签名。这种措施可以防止 rootkit 或低级攻击。开发人员还可以禁用 SWD 和 UART访问以保护 Flash。同样，1 KB 的内存是一次性可编程的，以保证其完整性。因此，理论上，有权访问该设备的黑客将无法克隆或修改其内容。
更高的计算吞吐量和更低的功耗
开发人员必须找到提高性能、准确性和用户体验的方法。为了解决这一挑战，工程师们经常求助于具有更高计算吞吐量的设备。然而，许多蓝牙终端产品必须具有低功耗才能保持电池寿命。因此，工程师应该找到一种方法来调和这些看似矛盾的要求。
BlueNRG-LP 为这一挑战提供了新的解决方案。由于其更高的频率和更强大的架构，SoC 现在支持更复杂的算法。这些建立在 MEMS 和语音库之上的过程在嵌入式系统中非常流行。此外，意法半导体还免费提供蓝牙SIG认证的Mesh stack。因此，覆盖大面积区域并达到 126 跳或 32，000 个节点变得非常容易。
然而，尽管频率更高、内存更多，BlueNRG-LP 的功耗却低于其前代产品。它的传输峰值电流为4.3 mA （0 dBm），而 BlueNRG-2 需要 8.3 mA （-2 dBm）。同样，新设备的 RX 峰值为3.4 mA（在灵敏度级别），而上一代需要 7.7 mA。空闲时功耗的改善也很显着。BlueNRG-LP 在深度停止模式下仅需0.6 µA，并具有完整的 RAM 保留。另一方面，BlueNRG-2 需要 9.5 µA，尽管 RAM 较少。所有这些改进都证明了我们最新的芯片优化和改进的实施。
BlueNRG-LP：更具成本效益的设计
降低物料清单
连接 128 台设备的能力是独一无二的，BlueNRG-LP 解决了许多技术挑战。但是，一些工程师会非常重视总体成本。因此，新的 SoC 必须提供减少材料清单的独特优势。解决此问题的一种方法是将 12 位模数转换器（或带抽取滤波器的 16 位）与 8 个输入通道集成。与以前的 SoC 相比，精度的提高意味着 BlueNRG-LP 现在可以拥有一个可编程增益放大器。PGA 将音频信号从 0 dB 放大到 30 dB，从而允许使用vwin 麦克风。与数字麦克风相比，模拟替代品更具成本效益，从而确保更低的物料清单。
另一种更具成本效益的系统的方法是减少外部设备的数量。因此，我们设计 BlueNRG-LP 以嵌入更多组件并简化 PCB。例如，新的 SoC 现在有六个负载电容器。因此，设计人员无需在 PCB 上焊接外部电容器即可使用高速晶体。BlueNRG-LP 还集成了射频巴伦，这意味着工程师不再需要专用的巴伦。这也意味着新器件只有一个射频单端输出引脚，简化了布局。最后，SoC 的 SMPS 具有更高的时钟。因此，设计人员可以使用更小、更具成本效益的电感器。
价格合适
当工程师寻找蓝牙 SoC 并根据其层次结构证明他们的选择是合理的时，低单价至关重要。为了应对这一挑战并保持 BlueNRG-LP 的成本效益，ST 坚持使用 256 KB 的闪存。新设备的蓝牙堆栈通常需要 80 KB 到 100 KB。因此，开发人员有大约 120 KB 的空间用于他们的应用程序，这对于大多数用例来说已经足够了。如果设计需要更多的存储空间、更强大的计算能力或临时外围设备，它们自然会倾向于BlueNRG-2N 和专用主机 MCU。
我们通过提供三种类型的套餐进一步优化了我们的定价结构。QFN32 有 20 个 GPIO，而 QFN48 和 WLCSP49 分别有 32 个和 26 个。此外，我们还提供具有一半 RAM 的 BlueNRG-LP 变体。因此，只需要 32 KB 和更少 pin 的团队不需要支付更多。同样，我们提供最高可达 85 ºC 的型号和最高可达 105 ºC 的相同型号。工业设计会很乐意使用后者，而其他人会选择前者并保存。
审核编辑：郭婷
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