最新發(fā)布的藍牙5.1規(guī)范有效地創(chuàng)建了精確定位BLE發(fā)射器和接收器的方法。

作者：Dialog半導(dǎo)體公司Mark de Clercq

最新版本的藍牙通信標(biāo)準(zhǔn)于2019年1月份發(fā)布。藍牙5.1最值得注意的功能是辨別藍牙發(fā)射器和接收器方向的有效方法。該規(guī)范還介紹了旨在加速通信和提高能效的其他進展。

不少藍牙IC制造商已經(jīng)發(fā)布了具有新5.0規(guī)范功能的硬件。以下我們大概介紹一下藍牙5.1帶來的變化，并例舉一家供應(yīng)商如何已經(jīng)開始采用該新規(guī)范。

已經(jīng)有藍牙接收器用信號強度來估算到藍牙發(fā)射器的距離。5.1規(guī)范提供了兩種更加精確定位的方法，代價是使用多個發(fā)射/接收天線。要實現(xiàn)到達角度（AoA）方法，接收器必須至少有兩個天線（最小間距為6.2厘米），而發(fā)射器可以只有一個天線。通過AoA方法，接收器使用接收到的多個信號來計算出信號源的角度。類似地，離開角度（AoD）方法需要發(fā)射器具有至少兩個天線。接收器可以只有一個天線，接收多個信號并計算出信號源的角度。

在藍牙5.1中實現(xiàn)的到達角度（AoA）方法中，例如實時定位系統(tǒng)（RTLS）中的標(biāo)簽之類的設(shè)備從單個天線發(fā)射信號。接收器包含多個天線，因為每個接收天線到發(fā)射天線的距離不同，從而接收器可以得出相位差。在離開角度（AoD）方法中，例如藍牙定位信標(biāo)通過天線陣列發(fā)射信號，而像智能手機這樣的接收設(shè)備使用單個天線來接收信號，并將信號解碼以計算出相對信號方向。這種尋向方法目標(biāo)用于室內(nèi)定位系統(tǒng)，例如尋路系統(tǒng)。

需要注意的一點是：遵循5.1規(guī)范的設(shè)備范圍與早期版本的設(shè)備范圍相同。但是當(dāng)障礙物在視線內(nèi)時，使用信號強度定位藍牙源的準(zhǔn)確性會嚴(yán)重下降。三角測量的能力將有可能實現(xiàn)實時定位系統(tǒng)和室內(nèi)定位系統(tǒng)等功能。

該尋向功能使用同相和正交（IQ）采樣來測量天線接收的RF相位。在AoA方法中，采樣過程應(yīng)用于陣列中的每個天線，一次一個，按照陣列設(shè)計設(shè)置好的順序。采樣數(shù)據(jù)通過主機控制器接口（HCI）傳遞到藍牙協(xié)議棧，然后用算法計算出一臺設(shè)備相對于另一臺設(shè)備的方向。

藍牙協(xié)議的某些部分已更改，以支持IQ采樣和在協(xié)議棧中的較高層使用IQ樣本。細節(jié)變得有點復(fù)雜。例如，在鏈路層，有一個稱為恒定頻率擴展信號（CTE）的新字段，它提供一個恒定的頻率和波長信號材料，可以對照其進行IQ采樣。

5.1規(guī)范還對GATT（通用屬性配置文件）進行了一些增強，GATT定義了兩個BLE設(shè)備使用稱為服務(wù)和特性的概念來回傳輸數(shù)據(jù)的方式。這些增強通常是為了提升能效，和實現(xiàn)藍牙設(shè)備之間更快的握手。但其中有些是為未來要發(fā)布的規(guī)范版本的增強功能做準(zhǔn)備。

從根本上說，5.1規(guī)范定義了BLE客戶端如何可以在曾經(jīng)通信過且未發(fā)生變化的兩個設(shè)備之間跳過服務(wù)查找的步驟?？蛻舳爽F(xiàn)在可以推斷出它所連接的設(shè)備與先前連接的類型相同，并且客戶端已經(jīng)緩存了屬性表。如果某些細節(jié)相同，則客戶端可以決定跳過部分連接協(xié)議，因為它已經(jīng)擁有了所需的數(shù)據(jù)。

這可能派上用場的典型應(yīng)用是藍牙智能門鎖，智能手機可以在主人接近時打開門。服務(wù)查找只需在用戶第一次打開智能鎖時進行一次。用戶在第一次打開門鎖時可能會有延遲，但從那之后，門鎖的響應(yīng)幾乎是瞬間的。

藍牙5.1中的AoA和AoD功能旨在為實時定位系統(tǒng)（RTLS）和室內(nèi)定位系統(tǒng)（IPS）帶來更高的精度。用于物品跟蹤的藍牙實時定位系統(tǒng)設(shè)置調(diào)用安裝在整個場地中多個固定位置的藍牙接收器，通常稱為定位器。定位器連接到俗稱為定位引擎的集中式服務(wù)器。將俗稱為標(biāo)簽的藍牙發(fā)射器放置到系統(tǒng)要跟蹤的物品上。標(biāo)簽周期性地向定位引擎發(fā)送信號，定位引擎估算每個定位器的位置。在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，俗稱為定位信標(biāo)的藍牙發(fā)射器放置于固定位置。訪客一般可以使用智能手機上的應(yīng)用程序來收聽定位信標(biāo)。應(yīng)用程序使用接收到的信號強度來計算其實時位置。

先進的架構(gòu)

藍牙5.1包含的新功能為藍牙控制器帶來了額外的計算負擔(dān)。某些架構(gòu)功能可以對額外處理工作帶來幫助。例如，三角測量處理可以采用復(fù)雜的算法。因此，包含數(shù)字信號處理和大容量內(nèi)存的架構(gòu)非常有用。

另外，由于三角測量涉及來自多個天線的信號，因此藍牙控制器必須包含處理所涉及的多個RF信號的功能。由于單天線藍牙的市場仍然很大，采用5.1標(biāo)準(zhǔn)的控制器可以通過結(jié)合用于快速操控外部RF開關(guān)的架構(gòu)特性，來處理對多個RF路徑的需求，而不是將開關(guān)包含在藍牙控制器IC本身上。

這種藍牙5.1控制器芯片的一個例子就是Dialog SmartBond DA1469x系列。它是第一個基于ARM Cortex M33處理器的無線多核MCU系列。該處理器具有數(shù)字信號處理和浮點功能，有助于進行三角測量計算。此外，這些處理器具有I/O，有助于以高精度控制外部RF開關(guān)，以實現(xiàn)AoA和AoD定位。使用外部RF開關(guān)處理AoA和AoD，而不是集成在藍牙芯片中的開關(guān)，可以降低單天線藍牙應(yīng)用的成本。

此外，DA1469x器件上的內(nèi)存是可擴展的，對處理復(fù)雜應(yīng)用很有用，同時可以確保基本應(yīng)用的成本足夠低。

降低藍牙應(yīng)用中的功耗通常是有利的，所以DA1469x芯片中包含了電源管理功能，芯片中的部分功能只在需要時才開啟。例如，當(dāng)應(yīng)用不啟用尋向定位時，芯片將僅為處理無線電和簡單藍牙功能的電路供電。當(dāng)要求執(zhí)行AoA或AoD任務(wù)時，整個Cortex M33處理器則會啟用。

Dialog半導(dǎo)體公司的SmartBond DA1469x系列藍牙控制器結(jié)合了藍牙5.1標(biāo)準(zhǔn)的AoA和AoD尋向定位特性。該器件系列還包含一個傳感器節(jié)點控制器（SNC），可自主運行并獨立處理來自與其接口相連的傳感器的數(shù)據(jù)。此外，DA1469x系列還具有內(nèi)置電源管理單元，僅在需要時啟動芯片上的處理內(nèi)核，同時取消了對獨立PMIC的需求。

關(guān)于DA1469x芯片的另一點值得注意的是，設(shè)計人員可以通過應(yīng)用程序編程接口（API）獲得AoA和AoD功能。這有助于設(shè)計人員無需掌握如何處理原始AoA / AoD數(shù)據(jù)的具體知識。

DA1469x IC還有一些其他功能，它們與AoA / AoD功能相關(guān)不大，但對現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)需求非常有用。這些功能包括觸覺反饋驅(qū)動器、步進電機驅(qū)動器（用于驅(qū)動混合模擬/數(shù)字鐘表中的模擬鐘表機芯）、LCD驅(qū)動器、用于讀取傳感器的高精度ADC、以及其他專用模擬模塊。 最后，該IC系列的一些版本包含內(nèi)置充電功能，用于鋰離子和鋰聚合物電池充電。

上圖是來自Dialog半導(dǎo)體公司的配置為藍牙接收器的開發(fā)板，可檢測藍牙發(fā)射器的到達角度（AoA）。該特定設(shè)備設(shè)置為十次/秒進行與發(fā)射器角度的測量，并在LCD上顯示測量到的角度。

總而言之，藍牙5.1引入了許多功能，可以幫助設(shè)備更好地跟蹤人和物品，同時增強用戶體驗。