如何利用微型嵌入式模块简化低功耗蓝牙连接

蓝牙 (BT) 及其低功耗蓝牙 (BLE) 增强版已成为通信领域的关键技术。通过这些技术，物联网 (IoT) 设备能够以无线方式连接和传输数据，包括文本、音频和流媒体视频。

然而，完整 BT 节点的设计、实施和认证需要丰富的专业知识，具体包括基带模拟和数字功能、固件驱动型嵌入式处理、接收器低噪声前端放大器和发射器功率放大器的射频 (RF) 设计。

要实现这些功能，还必须以有效的电源管理为后盾。此外，每个 BT 节点都必须满足一系列与性能相关的综合目标要求，满足与射频干扰 (RFI) 和电磁干扰 (EMI) 相关的法规要求。这些规定可能会使设计复杂化，减缓设备部署速度。

本文将简要介绍 BLE 及其在低功耗物联网设备领域的适用性。然后介绍 Ezurio 的即用型 BLE 模块，说明这些模块如何有助于加快支持 BLE 的物联网节点的开发。

从蓝牙到 BLE

蓝牙是无线数据和语音传输的全球开放标准，用于在各种电子设备之间实现低成本、短距离无线连接。蓝牙适用于在 2.4 GHz 工业、科学和医疗 (ISM) 频段工作，其应用包括音频和文本图像的有限距离传输、视频流、智能手机与耳机配对以及低功耗物联网连接。

蓝牙 1.0 规范要求传输距离为 10 m（适用于 2 类设备）、简单的点对点联网和每秒 732.2 千比特 (kb/s) 的数据传输速率；首批产品于 2000 年推出。在该标准的 2.0 版（2004）和 3.0 版（2009）的改进规定中，分别将数据传输速率提高到每秒 3 兆比特和每秒 24 兆比特 (Mb/s)。

然而，对于许多目标应用来说，原始 BT 链路的功耗要求过高。2010 年，4.0 版 (BLE) 被采用，之前的版本被非正式地更名为蓝牙经典版（图 1）。基于专为物联网设备定制的优化低带宽协议栈，BLE 采用超低功耗空闲模式，功耗降低了约 90%。这种空闲模式可让物联网传感器、定位信标、智能家居节点、医疗设备和健身追踪器在非常小的纽扣电池上工作数年。

图 1：所示为经典蓝牙（版本 1.0 至 3.0）和 BLE（版本 4.0 至 6.0）的汇总比较。(图片来源：MOKOSmart）

每个版本的 BT 都允许设计人员在传输距离、数据传输速率和功耗方面进行选择和权衡。BLE 的最新版本是 6.0 (2024)，在低功耗模式下支持 1 Mb/s 至 2 Mb/s 的最大数据传输速率、延长距离以及点对点、星形、广播和网状拓扑。

BLE 模块能够简化设计

虽然 BT 是一种适用于短距离、低功耗无线链路的多用途技术，但其实际应用需要融合多种组件和技术，包括处理器、存储器、模拟射频前端、射频功率放大器和天线。此外，还需要采用通过软件驱动的数据链路协议和堆栈。选择并设计导入这些不同的元素可能具有挑战性。

为简化 BLE 设备设计，Ezurio 在其 BL54L15 BLE 模块中集成了必要的元素（图 2）。这种模块的核心是 Nordic Semiconductor 的 nRF54L15 片上系统 (SoC)。

图 2：BL54L15 系列 BLE 模块包括完整的高集成度解决方案，其中包括成功实现无线功能所需的所有功能。(图片来源：Ezurio）

这些模块的有以下几大特点：

• 基于 128 MHz Arm Cortex-M33 和 128 MHz RISC-V 协处理器的双核处理功能
• 内存容量大，包括 1.5 兆字节 (MB) 的非易失性内存 (NVM) 和 256 千字节 (KB) 的随机存取内存 (RAM)
• 更高的安全性

这些模块可为 BLE 和 802.15.4 提供安全稳健的支持，并通过 Nordic nRFConnect 软件开发工具包 (SDK)、Zephyr 实时操作系统 (RTOS) 和 EzurioCanvas 软件套件，实现灵活的编程能力。Canvas 支持 MicroPython 脚本功能，可简化和加快应用开发。整体配置使用了 nRF54L15 的所有硬件特性和功能。

这两个 BL54L15 模块分别是 453-00001R（图 3，左）和 453-00044R（图 3，右），前者采用预认证印刷电路板（PC 板）走线天线，后者通过 MHF4 连接器连接外部天线。这两个模块的工作电压均为 1.7 V_DC 至 3.5 V_DC，均采用 14 mm × 10 mm × 1.6 mm 紧凑型封装。

图 3：453-00001R（左）采用预认证 PC 板走线天线，而 453-00044R（右）采用 MHF4 连接器，以支持连接外部天线。(图片来源：Ezurio）

这些模块的多协议无线电可提供最高 7 分贝毫瓦 (dBm) 的发射 (TX) 功率（以 1 分贝为步长调节），并在 1 Mbit/s 吞吐量下实现 -94 dBm 的接收 (RX) 灵敏度。该硬件经专门设计并通过认证，适用于 -40℃ 至 +105℃ 的工业温度范围。

这些模块还具有最先进的安全性，支持安全启动、安全固件更新和安全存储集成的防篡改传感器可检测物理攻击，而加密加速器则可抵御侧信道攻击。这些模块还 BLE 性能、RFI/EMI 的辐射发射与抗扰度方面，符合所有相关国际标准及法规强制性要求。

安装天线

天线是无源器件，对 BL54L15 模块能否发挥其功能至关重要。出于性能、定位、封装尺寸或成本的考虑，一些设计人员会偏爱表面贴装天线，而另一些设计人员则看重电路板走线天线。Ezurio 因此提供两种 BL54L15 模块，但设计人员在使用时需要谨慎。

例如，453-00001R 的集成电路板走线天线的性能对主机电路板拓扑结构非常敏感。将 453-00001R 固定在主机电路板的边缘尤其关键，这样天线才能正常辐射（图 4）。该隔离区宽约 5 mm，长约 28.6 mm，453-00001R 模块下方的电路板介质（无铜）高度为 1.57 mm。

图 4：453-00001R 模块的印刷电路板走线天线禁布区（红色轮廓）对于能否实现最佳性能至关重要。(图片来源：Ezurio）

Ezurio 对在塑料和金属外壳中使用这种集成式 PCB 走线天线提出了一些关键建议：

• 为避免严重影响天线调谐功能，金属的最小安全距离为上下 40 mm，左右 30 mm。
• 靠近印刷电路板单极走线天线的金属（任何方向）都会降低天线的性能。性能降级程度完全取决于系统；设计人员需要对其主机应用进行测试。
• 任何金属如果距离禁布区域超过 20 mm，性能就会开始明显降低（S11、增益、辐射效率）。
• 用产品的模型或原型测试距离，以评估外壳高度和材料（金属或塑料）以及主机印刷板接地的影响。

作为 453-00001R 的替代品，设计人员可以选择带有其 MHF4 微型同轴连接器的 453-00044R BL54L15 模块。合适的外部天线包括表面贴装式 EMF2449A1-10MH4L 天线（图 5，左）（36 × 12 × 0.1 mm），这种天线采用柔性电路板，适用于弯曲、空间有限的外壳。另一种选择是 EBL2400A1-10MH4L 天线（图 5，右）（44.45 mm × 12.7 mm × 0.81 mm）。这种天线在其谐振器结构中加入了接地平面，无需额外的接地平面就能实现有效辐射。

图 5：453-00044R 模块的天线选项包括 EMF2449A1-10MH4L 柔性电路板天线（左）和 EBL2400A1-10MH4L 一体式接地平面天线（右）。(图片来源：Ezurio）

除 BLE 连接外，BL54L15 系列还支持 Zigbee 和 NFC-A 标签。

评估板和支持软件

为了加快整个产品开发周期，Ezurio 提供了两种评估板。它们是 453-00001-K1（图 6）和 453-00044-K1，前者用于 453-00001R，带有集成式 PCB 走线天线，后者用于 453-00044R，采用表面贴装天线。

图 6：所示为用于 453-00001R BLE 模块的 453-00001-K1 开发板。(图片来源：Ezurio）

结语

BLE 已成为短距离、低功耗连接重要的无线标准和协议。Ezurio 为设计人员提供紧凑型 BLE 模块、评估板和软件，以便快速有效地在终端产品集成 BLE。