低功耗藍(lán)牙與智能硬件設(shè)計(jì)

劉裕佳，趙友章，梁 倩

（北方民族大學(xué)，寧夏 銀川 750021）

低功耗藍(lán)牙與智能硬件設(shè)計(jì)

劉裕佳，趙友章，梁 倩

（北方民族大學(xué)，寧夏 銀川 750021）

不斷降功耗是電子發(fā)展過(guò)程中永遠(yuǎn)不會(huì)改變的主題。設(shè)計(jì)了一個(gè)低功耗藍(lán)牙與智能平臺(tái)聯(lián)合項(xiàng)目。藍(lán)牙技術(shù)憑借其普遍性和簡(jiǎn)潔性改變了設(shè)備與設(shè)備之間的無(wú)線通信，設(shè)備可通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行高度安全的無(wú)線通訊。藍(lán)牙的便捷性及全球的認(rèn)可度，使任何支持藍(lán)牙的設(shè)備都能通過(guò)配對(duì)流程與鄰近的其他設(shè)備連接。配對(duì)后的設(shè)備可建立全雙工通信。

STM32；單片機(jī)；低功耗；嵌入式

智能硬件、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)大潮的到來(lái)，正在越來(lái)越多地改變我們身邊的一切。我們看到的智能手環(huán)、智能手表、智能插座、智能水杯、谷歌眼鏡等，都是其中的形態(tài)和表現(xiàn)方式，其核心是通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式，使產(chǎn)品具備智能化的功能，并且具備與云端鏈接的能力。其中，低功耗藍(lán)牙技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能連接的重要技術(shù)支撐。

1 研究意義

目前，智能手機(jī)平臺(tái)及操作系統(tǒng)Android（4.3以上）、iOS（6.0以上）、Windows（8.0以上）均提供了對(duì)低功耗藍(lán)牙的原生態(tài)支持，天然地具備了移動(dòng)互聯(lián)平臺(tái)的能力。低功耗藍(lán)牙是由諾基亞所設(shè)計(jì)的一種短距離無(wú)線通訊技術(shù)，最初的目標(biāo)是提供功耗最低的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，并且專(zhuān)門(mén)在低成本、地帶寬、低功耗與低復(fù)雜性方面進(jìn)行了優(yōu)化。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 天線選擇和對(duì)比

2.1.1 鞭狀天線

鞭狀天線是一種可彎曲的垂直桿狀天線，其長(zhǎng)度一般為1/4或1/2波長(zhǎng)。鞭狀天線PCB可實(shí)現(xiàn)，但是要注意天線走線不應(yīng)太靠近平面，與地的距離最好為1/10波長(zhǎng)（大約1 cm），否則輻射效率受到較大影響。

2.1.2 倒F天線

倒F天線屬于1/4波長(zhǎng)天線，它被彎曲成L形，短邊連接到大地，長(zhǎng)邊的末端是開(kāi)放的。饋電點(diǎn)位于大地端的某一點(diǎn)處和開(kāi)放端之間。這個(gè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)類(lèi)似于字母F，由于饋電點(diǎn)到地面的循環(huán)電流，使其具有環(huán)形天線的特性，又由于開(kāi)放端使其兼具鞭狀天線的特性。倒F天線（IFA）很容易在PCB上實(shí)現(xiàn)。F形狀只是天線的一個(gè)元素，另外還包括板接地平面等。反饋?zhàn)呔€的長(zhǎng)度加上開(kāi)放走線的長(zhǎng)度約為λ/4，相應(yīng)的接地平面的長(zhǎng)度大約為λ/4.

圖1為PCB上實(shí)現(xiàn)倒F天線。

圖1 PCB上實(shí)現(xiàn)倒F天線

2.1.3 蛇形天線

蛇形天線為PCB天線。該天線被印刷在PCB印刷板的板頂層，一個(gè)接地平面被放置在天線附近的頂層上。蛇形天線的PCB底層不允許有接地平面，以免影響天線的輻射特性。圖2為PCB上實(shí)現(xiàn)蛇形天線。

圖2 PCB上實(shí)現(xiàn)蛇形天線

2.2 周?chē)矬w對(duì)天線性能的影響及考慮

周?chē)臻g的影響：天線的問(wèn)題通常是天線周?chē)臻g不合理。為了不影響天線的性能，天線不能太接近地或其他走線、電池或其他金屬物體。

2.3 金屬物體對(duì)天線性能的影響

保持金屬物體遠(yuǎn)離天線，確保金屬物體與天線近場(chǎng)足夠遠(yuǎn)。天線近場(chǎng)與天線尺寸及波長(zhǎng)相關(guān)，具體為：

式（1）中：D為天線的最大尺寸，在以上天線的實(shí)例中，D可以認(rèn)為是大約1/4波長(zhǎng)（λ/4）；λ為無(wú)線電波信號(hào)在自由空間的波長(zhǎng)。

對(duì)于藍(lán)牙的工作頻率，將λ＝122 mm代入近場(chǎng)計(jì)算公式得，近場(chǎng)＝λ/8＝122/8 mm＝15.25 mm。

在2.4 GHz藍(lán)牙頻段，金屬物體應(yīng)至少與倒F天線和蛇形天線保持15.25 mm的距離，以便使天線能夠有效地工作。如果這是不可能的，那么需要進(jìn)行額外的實(shí)驗(yàn)，確保天線的性能和產(chǎn)品尺寸之間達(dá)成一個(gè)可接受的方案。

2.4 介電材料對(duì)天線性能的影響

介電材料（比如塑料或FR-4）會(huì)降低天線的諧振頻率告知失諧。與金屬物體相比，天線附近放置的介電材料對(duì)天線性能所產(chǎn)生的影響結(jié)果不會(huì)太嚴(yán)重，而且這種影響可以通過(guò)減少天線的超過(guò)年度來(lái)矯正。

2.5 天線的調(diào)諧

天線性能是確?？煽繜o(wú)線電通信的重要因素。天線可以看作神秘的藝術(shù)，附近任何原料及尺寸的改變都會(huì)影響天線的性能。天線設(shè)計(jì)是非常重要的，通常也需要調(diào)節(jié)，在這個(gè)過(guò)程中有很多技巧。除了理論的分析和計(jì)算外，考慮到周?chē)矬w等因素對(duì)天線性能的影響，有必要在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試和調(diào)諧，使其具有最好的性能表現(xiàn)。

2.6 天線的最后調(diào)諧

由于天線可能被附近的物體影響，包括線路板的尺寸和形狀，甚至連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀的電纜，都會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響。把手接近天線，點(diǎn)就會(huì)向周?chē)苿?dòng)一點(diǎn)。如果不是這樣，則天線可能未連接好。接地層敏感的天線可能會(huì)把附加的導(dǎo)線看作地的延伸，需要在遠(yuǎn)場(chǎng)情況下進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試和調(diào)諧。

2.7 移動(dòng)端系統(tǒng)

本系統(tǒng)選擇Android，Android是Google開(kāi)發(fā)的基于Linux平臺(tái)的、開(kāi)源的智能手機(jī)操作系統(tǒng)。Android包括操作系統(tǒng)、中間件和應(yīng)用程序，由于源碼開(kāi)放，Android可以被移植到不同的硬件平臺(tái)上。

［1］明日科技.Java從入門(mén)到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

［2］黃智偉.低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)——原理、器件與電路［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［3］〔美〕Carlos Sessa.打造高質(zhì)量Android應(yīng)用［M］.楊云，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

〔編輯：劉曉芳〕

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2095－6835（2017）23－0102－02