一種基于BLE藍牙技術實現智能終端通信系統集成

柏海如，劉 偉

（上海聞泰電子技術有限公司，上海 200232）

0 引言

隨著無線技術飛速發展，智能終端設備逐年更新換代，目前BLE藍牙基本支持V5.1/2/3版本，高算力、低延時、低功耗的芯片應用于移動終端產品開發越來越普及。本文重點介紹基于目前消費者普遍應用的智能手機、智能手表、智能耳機等搭載BLE藍牙芯片設計，基于BLE藍牙技術實現互聯方案。本文講述的智能耳機是基于ATS 3019E藍牙芯片設計的產品，可以與其他藍牙設備進行配對連接；智能手表是基于W307+GR5515主控芯片平臺，內置BLE藍牙協議，并配備有eSIM卡及Modem，支持LTE通信、Wi-Fi（2.4 GHz 802.11b/g/n）、藍牙（V2.1、BLE V4.2、GR5515-BLE V5.3）、2G/3G/4G，系統集成有PKE及NFC芯片；智能手機端是通用高通MTK SoC芯片（常規SoC芯片集成藍牙芯片）；智能汽車端一般配備有IVI或智能座艙系統，常規系統均支持集成藍牙芯片。基本應用場景包括以下方面。

（1）智能手表與智能汽車通信：①本系統支持智能手表通過BLE藍牙及PKE加密芯片與車載PEPS（Passive Entry & PassiveStart）裝置進行通信；②智能手表內置Modem及eSIM進行遠程與車載PEPS裝置通信；③智能手表內置NFC近場與智能汽車PEPS通信。

（2）智能手機與智能汽車通信：智能手機通過App及LTE網絡與智能汽車通信。

（3）智能耳機與智能手機通信：智能耳機通過內置BLE藍牙芯片與智能手機藍牙通信。

（4）智能耳機與智能手表通信：智能耳機通過內置BLE藍牙芯片與智能手表內置BLE藍牙芯片通信。

（5）智能耳機與智能汽車通信：①智能耳機與智能汽車通過BLE藍牙進行通信；②智能汽車與智能手機或智能手表進行BLE藍牙連接后，通過系統支持的語音助手連接智能手機App或智能手表App，通過終端App對智能汽車進行通信。

本文重點講解智能手表終端設計及與智能汽車終端通信。

圖1 基于BLE藍牙智能終端通信網絡

1 系統硬件設計

1.1 智能手表終端硬件配置

⊙ Apollo4：平臺性能高，驅屏效果更好。

⊙ 低功耗藍牙（BLE）：V5.3。

⊙ Flash：4Gbytes eMMC。

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

⊙ 傳感器：A+G、地磁、氣壓計、心率血氧、環境光傳感器，支持110種運動，智能體驗更加。

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

⊙ 電池：420 mAh電池，大容量電池，更長的續航體驗。

⊙ PKE模塊：NCF2953。

⊙ 智能手機操作系統：支持i O S11及以上、Android 5.0及以上。

⊙ 智能手表操作系統：MOCOR RTOS系統，全智能模式，低功耗智能模式，智能助手、三方應用更好的快穩省用戶體驗；兼顧智能和長續航，滿足不同用戶需求；豐富的三方應用，功能更多。

1.2 智能手表終端硬件設計[1]

常規式布局，滿足ID、結構、硬件、天線、聲學、光學各領域要求。

圖2 智能藍牙手表終端硬件框圖

A p ol lo 4芯片是A mbiq公司最新推出的藍牙BLE芯片，具有512 KB Flash+（96 KB ROM）+64 K B SR A M，藍牙協議棧固化，不再占用Fla sh空間。64 KB的SRAM分區使用，可以在待機時保存更多用戶數據，可以設置大容量緩沖區，支持更加復雜的功能。符合SIG規范的Mesh自組網應用，包括多節點的控制，以及一主多從的同時工作。

Apollo4最大的優勢是功耗降低。上一代產品藍牙接收峰值電流＞13 mA；MCU的功耗0.3～0.5 mA/MHz；低功耗模式下平均電流＞40 μA。新產品的藍牙接收峰值電流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的廣播數據包更加靈活，最多可包含200 Byte數據，BLE4只有32 Byte。傳輸速率更快，BLE5可以達到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計

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設計。①智能手表調試天線的隔離度基本在-10 dB左右；②天線的效率滿足預定指標要求，性能較高；③低頻切換方案為并聯開關，對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格，上下左右用地保護好，防止被其他信號干擾；②RF屏蔽罩內壁的高度，建議＞0.4 mm（現在是最少的地方0.1 mm，最高0.2 mm）；③同一個電源既給BB供電又給RF供電，或給不同類型的兩個RFpin功能供電時必須走星型線；④RF獨立屏蔽罩，其他干擾源器件做好充分接地。

（3）BT頻段跟藍牙頻段接近會存在共存干擾問題，咨詢平臺沒有優化此項共存干擾制止解決方案。①天線隔離度保證好；②調試匹配時考慮優化帶外諧波；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計[2]

1.4.1 PEPS模塊

PEPS為汽車終端無鑰匙進入系統重要接收控制單元，內部的高頻接收電路負責接收智能手表發送的RF高頻信號，并傳送至主芯片驗證智能手表身份的合法性識別，內部集成的藍牙模塊接收智能手表相關傳感器的信息根據預先定義的策略，通過CAN總線發送給相關整車模塊去處理，包括開/關車門、開/關空調等。當用戶攜帶智能手表鑰匙靠近車輛時，通過操作車輛門把手上的按鈕或傳感器，PEPS模塊檢測到按鈕或傳感器信號后，會驅動車上相應的低頻天線產生無線低頻信號搜索智能手表PKE鑰匙，智能手表PKE鑰匙接收到車輛端低頻信號后會反饋一個信號（RF/BT），PEPS對鑰匙反饋的信號的合法性做驗證，之后把命令發到BCM模塊實現對整車的上鎖和解鎖。

1.4.2 智能手表PKE

智能手表硬件設計包括主控芯片、觸控屏、PKE、App等，用戶可以通過在觸摸屏上操作Ap p對應的菜單，PEPS控制器收到智能手表傳送RF射頻信號命令后，對其進行解析、驗證鑰匙身份合法性，并將命令發送給BCM（車身控制單元）執行相應的車門解鎖、落鎖、開啟后備箱、升降車窗、尋車等功能。

2 智能手表終端設計

2.1 BLE互聯通信軟件設計方案

系統互聯主要流程如圖5所示[3]。

圖5 藍牙互聯通信軟件流程

2.2 BLE協議棧架構

（1）基于GATT的應用規范（Application）：即時報警服務、FindMe規范、鏈路丟失服務、健康體溫計規范、電池服務等。

（2）通用接入規范（Generic Access Profile，GAP）：藍牙設備如何發現、建立連接及綁定遠端藍牙設備的通用程序。

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

（4）屬性協議（Attribute Protocol，ATT）：用于發現、讀取和寫入對端設備上的屬性的規范。

（5）安全管理協協議（Securit y Manager，SMP）：配對和密鑰分發。

（6）鏈路控制和適配協議（Logical Link Control and Adaption Protocol，L2CAP）：數據分組交換。

（7）主機接口規范（Host controller Interface，HCI）：主機和控制器之間的接口。

（8）鏈路層（Link layer，MAC）：鏈路管理，執行基帶協議和其他低級的鏈路程序。

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

2.3 BLE接收數據

通過設置特征值的寫回調函數來接收數據，有WRITE和WRITE_WITHOUT_RSP兩種寫方法（在特征值屬性中進行設置），WRITE方法寫入后server端會發送響應，而WRITE_WITHOUT_RSP方法則不會。

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發送數據

發送數據一般采用NOTIFY方式。

2.5 BLE連接管理

連接相關的回調函數都在conn_callbacks結構體中進行注冊。

4 結束語

本系統通過設計、仿真、測試及應用數據分析，BLE藍牙通信連接穩定性、射頻信號、功耗指標、App應用、近場/遠程通信等整個系統通信、交互、安全等各項功能指標符合設計要求，系統運行穩定可靠，操作方便易用、智能，消費者市場反饋良好，取得了較好的經濟效益。■