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低功耗蓝牙SoC可延长电池供电IoT设备使用寿命至10年

2020-09-15
来源:电子工程专辑

  根据蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)的最新2020蓝牙市场报告,到2024年蓝牙设备年出货量将达到62亿个,2019-22024期间的年复合增长率(CAGR)为8%。一个明显的趋势是,低功耗蓝牙(BLE)技术正在成为新的市场标准,支持BLE的蓝牙芯片和设备增长最快,增长率高达26%。从2020年到2024年,预期BLE单模设备累积出货量将达到75亿个。

  若按蓝牙的应用类别划分,主要有音频流设备、数据传输、定位服务,以及MESH网络等。

  ● 音频流应用包括:语音通话、收听音频/音乐、视听设备、智能语音控制。2019-2024年增长率为7%,到2024年出货量将达15.4亿个。

  ● 数据传输应用包括:运动健身体征数据测量、医疗保健、输入和控制、物联网等。2019-2024年增长率为13%,到2024年出货量将达15亿个。

  ● 定位服务应用包括:物品标签、仓储货物管理、室内定位导航、访问控制等。2019-2024年增长率为32%,到2024年出货量将达5.38亿个。

  ● MESH网络包括:智慧家居、智能建筑和照明、工厂和医院监控系统等。2019-2024年增长率为26%,到2024年出货量将达8.92亿个。

  其中增长最快的当数定位服务,2024年出货量将是2020年的4倍。由此可以看出,具有测向功能的电池供电蓝牙设备将成为未来5年的市场亮点,可以支持这些功能需求的蓝牙射频芯片将具有巨大的增长空间。

  专注于物联网连接技术和应用方案的Silicon Labs(芯科科技)适时地开发出BG22系列SoC芯片,为物联网开发人员提供了优化的蓝牙连接解决方案,可以同时支持新的蓝牙5.2规范、蓝牙测向和蓝牙Mesh功能。

  BG22系列芯片具有超低发射和接收电流(发射功率为0 dBm时3.6 mA;接收2.6 mA),采用了高性能和低功耗Arm Cortex-M33内核(工作电流27 ?A / MHz;休眠电流1.2 ?A),可将纽扣电池供电的设备使用寿命延长至十年。其目标应用包括蓝牙Mesh低功耗节点、智能门锁、个人医疗保健和健身等新兴物联网设备。尤其值得关注的是,该SoC的蓝牙到达角(AoA)和离开角(AoD)特性,以及1米以内的定位精度,可以大大提升资产跟踪标签、信标和室内导航等应用的性能和普及。

  低功耗BLE EFR32BG22 SoC原理框图

  与芯科科技的第一代BG13和第二定BG21蓝牙SoC系列相比,BG22的性能在很多地方都有提升。下图是三个系列芯片的参数对照表。

  无论是数据传输还是定位服务应用,BG22芯片的平均电流都不超过4.0 μA。如果使用CR2032纽扣电池供电,其工作寿命可达到5年;若使用CR2354供电,工作寿命长达10年。

  BG22可以支持如下低功耗蓝牙和网格软件:

  ● Bluetooth 5.2兼容的蓝牙协议栈,具有:

  ● Bluetooth 5。2 Dynamix TX功率调节

  ● Bluetooth 5.1测向

  ● Bluetooth 5。0标准特性

  ● Bluetooth 4.x特性

  具有如下高级功能:

  ● 多连接和广播

  ● 并行实现广播、扫描和LE连接

  ● 优化的吞吐量和功耗

  ● 建立在通用EFR32软件平台之上

  ● GeckoBootloader

  ● 用于MCU外设和驱动的emLib

  ● 带有耗损均衡技术的NVM3键/值对数据存储

  ● RAIL无线电驱动器

  完整的蓝牙网格配置文件,支持以下功能:

  ● 代理、中继和朋友节点

  ● 蓝牙网格低功耗节点(LPN)

  ● 低延迟通信,每跳低至10ms

  ● 大型网络,最多支持4096个节点

  全面的网格模型应用层,具有以下功能:

  ● 开/关、调光和色温的照明模型

  ● 用于商业应用的占用照明

  ● 场景、传感器、通用和供应商模型

  ● 低功耗蓝牙支持包括:室内定位系统信标、资产跟踪定位、电话连接、能量收集照明开关等。

  物联网开发人员如今面临的最严峻挑战之一是确保连接设备的安全,只运行真正的可信固件,BG22 SoC通过具有信任根(Root of Trust)和安全加载程序(Secure Loader)的安全启动(Secure Boot)功能来满足这一需求。此外,BG22 SoC还配置了先进的Secure Vault硬件/软件安全套件,并通过了Arm PSA 2级安全性认证,其安全特性包括:

  ● 硬件加速加密,比软件更快速、更节能、更安全

  ● 真随机数生成器(TRNG)

  ● 与NIST SP800-90和AIS-31兼容

  ● 通过信任根和安全加载程序(RTSL)进行安全启动

  ● 防止恶意软件注入和回滚

  ● 确保固件可靠执行和OTA更新

  ● 通过锁定/解锁(Lock/Unlock)进行安全调试

  ● 可通过认证访问增强故障分析(FA)

  ● 带有TrustZone的ARM Cortex M33内核

  ● 提供具有成本效益的硬件隔离

  为满足开发人员的不同需求,芯科科技还推出了BGM220蓝牙模块,包括系统级封装(SiP)BGM220S和PCB模块BGM220P。BGM220S的尺寸仅为6x6 mm,是一种超紧凑、低成本、长电池寿命的SiP模块,内置高性能天线,简化了射频设计,为超小型产品增加了完整的蓝牙连接能力。而BGM220P是一款尺寸稍大的PCB模块,针对无线性能进行了优化,集成了DC-DC、XTAL和无源元件,并具有更好的链路预算,可覆盖更大范围。BGM220S和BGM220P属于首批支持蓝牙测向功能的蓝牙模块,同时可以支持单个纽扣电池实现长达10年的电池寿命。

  下图是BG系列蓝牙模块的性能参数对比。

  为简化开发人员的设计和缩短IoT产品开发周期,芯科科技还同步更新了Simplicity Studio 5,使其界面更加直观易用,具有直观的开箱即用体验,可以快速访问开发人员资源,并支持Linux,Mac和Windows。

  Simplicity Studio 5提供的工具包括:

  ● 配置实用程序

  ● 编译器

  ● 错误与验证

  ● IDE和命令行支持

  ● 图形硬件配置器

  ● Energy Profiler –视觉能量分析

  ● 网络分析仪–数据包捕获和解码

  Silicon Labs正通过新的Bluetooth Xpress BGX220预认证PCB和SiP模块来扩展其NCP产品系列,即将推出的BGX220 UART转低功耗蓝牙桥接模块有望加速安全的低功耗蓝牙连接产品市场。与BGM220一样,Bluetooth Xpress BGX220通过为客户提供经过认证的硬件平台来简化设计,该平台通过将协议栈转化为可与外部微控制器一起使用的简单API,来简化代码开发。


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