Bluetooth® Low Energy系统的开发
在通过与智能手机和平板终端的结合来提高利便性的应用（例如钟表、健身/保健器材等）中，bluetooth® le（low energy）正得到迅速普及。在这些应用中，纽扣电池驱动的设备居多，为了实现更长的电池寿命与更高的性能，对于低功耗化的要求日益强劲。不仅如此，由于毫无无线体验经验的用户也可通过身边的智能手机等连接bluetooth® le，因此，bluetooth® le在众多产品中的应用趋势已势不可挡。另一方面，要想利用以bluetooth® le为首的无线系统，必须在特定的实验机构进行合标确认，并获得各国规定的无线电认证。因此，在研究从零开始构建系统时，需要充分的无线及协议相关知识，否则，极有可能在产品即将推向市场之前遇阻停滞。
在这种情况下，rohm（罗姆）旗下lapis semiconductor开发出支持bluetooth® le的、实现业界顶级低耗电量（发送数据时9.8ma，接收数据时8.9ma，2秒间歇工作时的平均电流8μa）的lsi（ml7105-00x）。另外，取得耗时耗力的bluetooth sig认证和国内外无线电认证后向客户供货的模块也在开发中。
在此，针对本lsi和模块以及构建系统所需的示例软件、配置文件进行介绍说明。
bluetooth® le lsi
首先，针对bluetooth® le lsi（ml7105-00x）的内部结构进行说明。（图1）
图1 bluetooth® le lsi（ml7105-00x）的内部结构
本lsi搭载的电路块由无线单元（rf）、调制解调器单元（modem）、bluetooth® le控制器单元、低功耗逻辑单元、电源单元（main reg. / low power reg.）、振荡电路单元（26mhz/32khz）、主机接口单元（uart、i2c、spi、gpio）构成。各单元的主要功能分别是：无线单元提供2.4ghz数据发送电路和数据接收电路，发送系统通过d/a转换器将调制解调器单元（调制器）输入的调制信号转换为模拟信号，再通过本地pll与2.4ghz频段的信号叠加。然后，通过功率放大器放大到足够的功率作为电波由天线发射。接收系统输入由天线捕捉到的各种强度的接收信号，由低噪声放大器放大微小信号。后面的混频器将2.4ghz频段的频率转换为几mhz左右的中间频率，输入到带通滤波器，仅选择所需信道的信号。接着，由限幅器将信号放大，传输给调制解调器单元（解调器）。这些无线单元的特点是，采用pll直接调制方式，对各电路块整体进行优化，从而实现更低峰值电流（10ma以下）。
然后，在控制器单元进行bluetooth® le数据包的编码、解码处理，由链路处理单元（ll）与协议栈（gatt/att/smp/gap/l2cap）发现设备并与发现的设备连接并提供双向通信。另外，通过与低功耗逻辑单元的联动，新开发了在电源关断时更加省电的抑制泄漏电流的电路；同时，还优化了bluetooth® le的协议处理固件，缩短了数据包收发数据处理时间，使工作时的耗电量更低。然后，电源单元内置主稳压器和低功耗稳压器，在非通信时仅通过功耗更低的低功耗稳压器进行数据存储。通过这些设计，实现了整体泄漏电流的最小化。振荡电路单元内置主要工作用的26mhz和低功耗工作用的32khz。特别是主要工作用26mhz振荡电路是按bluetooth® le的连接间隔周期每次停动的，因此，通过调整，使从停动状态到启动之间的时间最短化，从而减少了待机电流。最后，主机接口单元配备了bluetooth® le标准化的hci（uart）和lapis semiconductor独有的baci（spi）。hci主要与pc连接，可用于无线认证试验。baci与安装了bluetooth® le配置文件和应用程序的主机微控制器连接，提供bluetooth® le服务。
baci通过简化与主机之间的通信来降低访问频率。而且，在结构设计上采用通过事件使主机启动的结构，因此，是尽可能使主机停动来抑制耗电量的设计。综上所述，本lsi在整个结构模块上进行了降低耗电量的设计，从而，使纽扣电池驱动3年以上连续工作成为可能。主机和堆栈结构如图2所示。
图2 主机和bluetooth® le控制器堆栈结构
bluetooth® le模块
接下来，针对bluetooth® le模块的结构进行说明。（图3）
图3 bluetooth® le模块的外形照片和结构
本模块在bluetooth® le lsi （ml7105-00x）之外还内置有pattern ant、rf匹配电路、eeprom、osc。lapis semiconductor出货时将通过pattern ant及rf匹配电路调整rf性能，因此，用户无需调整即可安装于商品中。eeprom可存储主要含有rf调整值、通信模式、设备地址的配置参数，并可存储用户自己的参数。osc由主时钟的26mhz晶体振荡器和调整电路构成，已调整为bluetooth® le所要求的频率精度。
该产品为将多数元器件一体化封装的sip（system in package）构造，因此，可与lsi同等处理。另外，产品将通过bluetooth sig认证的组件测试（rf、phy、ll、4.0hci、l2cap、gap、smp、gatt/att）获得qdid后作为模块提供给客户，因此，作为最终产品注册时，只需嵌入用户准备的配置文件即可轻松登记到bluetooth sig官网的产品一览中。还有，要想进行注册工作，需要事先向bluetooth sig成员（创始成员、加盟成员、应用成员）登记。另外，该产品计划在获得日本国内外无线电认证后进行供货，因此，可直接在日本国内以及获得认证的海外地区操作bluetooth® le（输出电波），客户可在短时间内快速导入到商品中。
bluetooth® le评估套件和示例软件
为了提高lapis semiconductor的bluetooth® le产品的导入速度与开发速度，公司准备了评估套件和示例软件。评估套件（图4）包含usb加密狗和无线传感器节点，可通过pc操作bluetooth® le通信（各种传感器数据接收、led on/off控制）。
图4 bluetooth® le开发评估套件
示例软件（图5）包含可安装于主机微控制器的独有配置文件vsspp（vendor specific serial port profile）/vsp（vendor specification profile），使用这些软件，可通过基于uart的终端通信轻松确认p2p（对等计算，peer-to-peer）的bluetooth® le通信控制。
此外，lapis semiconductor还开设了技术支持网站。
图5 示例软件的结构
连接时已实施配对，限制其后的连接设备，实现加密数据通信。另外，可作为点对点的bluetooth® le设备与智能手机通信，使用专用的智能手机应用程序，可确认独有配置文件的服务。
bluetooth® le配置文件
为使用bluetooth® le正确通信，与主终端与从终端相同，需要安装一样配置文件。配置文件为层次结构，内部有定义几个服务及其属性（read/write等）的特征值。例如，在heart rate profile中有heart rate service和device information service等。lapis semiconductor相继开发了标准配置文件，所有的配置文件都是与第三方联合开发的，预计均可供货，并有望支持向用户平台的移植。
未来展望
今后，bluetooth® le的应用范围有望进一步扩大，对更低耗电量、更加小型、系统开发更容易的需求日益强劲。因此，继当前的ml7105系列之后，lapis semiconductor正在开发后续系列。根据计划，后续系列不仅耗电量进一步降低，而且，为满足小型化需求，采用超小型薄型封装的wl-csp（wafer level chip size package），产品阵容将更加丰富。另外，为了比以往更容易导入bluetooth® le，在目前开发中的模块基础上，lapis semiconductor还计划开发内置主机微控制器和rohm集团开发的各种传感器的sip模块。
lapis semiconductor同时还在探讨满足进一步高性能化（高速传输、树连接等）的需求，结合最新的bluetooth® le core spec4.1标准，公司今后将一如既往地为客户提供一站式解决方案。
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首先，针对bluetooth® le lsi（ml7105-00x）的内部结构进行说明。（图1）
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本lsi搭载的电路块由无线单元（rf）、调制解调器单元（modem）、bluetooth® le控制器单元、低功耗逻辑单元、电源单元（main reg. / low power reg.）、振荡电路单元（26mhz/32khz）、主机接口单元（uart、i2c、spi、gpio）构成。各单元的主要功能分别是：无线单元提供2.4ghz数据发送电路和数据接收电路，发送系统通过d/a转换器将调制解调器单元（调制器）输入的调制信号转换为模拟信号，再通过本地pll与2.4ghz频段的信号叠加。然后，通过功率放大器放大到足够的功率作为电波由天线发射。接收系统输入由天线捕捉到的各种强度的接收信号，由低噪声放大器放大微小信号。后面的混频器将2.4ghz频段的频率转换为几mhz左右的中间频率，输入到带通滤波器，仅选择所需信道的信号。接着，由限幅器将信号放大，传输给调制解调器单元（解调器）。这些无线单元的特点是，采用pll直接调制方式，对各电路块整体进行优化，从而实现更低峰值电流（10ma以下）。
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图2 主机和bluetooth® le控制器堆栈结构
bluetooth® le模块
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