1. 摘要

 

xinbiaoshiyigedianchigongdiandeweixinglanyawuxiandianfasheqi。tadegongnengjiuxiangyizuodengta，nengzaiyidingfanweinei
，keyibeimeigerenkandao。zhexiexiaoxingyingjianshebeiyizhichuanshudebushiguang
，ershidigonghaolanya（BLE）數shu據ju包bao。配pei合he使shi用yong智zhi能neng設she備bei中zhong相xiang應ying的de交jiao互hu式shi應ying用yong程cheng序xu進jin行xing掃sao描miao，這zhe些xie低di功gong耗hao藍lan牙ya數shu據ju可ke以yi通tong過guo任ren何he帶dai有you內nei置zhi藍lan牙ya收shou發fa器qi的de現xian代dai智zhi能neng手shou機ji設she備bei中zhong呈cheng現xian出chu來lai。

 

信xin標biao提ti供gong了le一yi種zhong低di成cheng本ben的de廣guang播bo解jie決jue方fang案an，能neng夠gou自zi主zhu運yun行xing很hen長chang時shi間jian。此ci外wai，例li如ru當dang在zai建jian築zhu物wu內nei使shi用yong時shi，不bu需xu要yao額e外wai的de技ji術shu
，因yin為wei一yi切qie都dou可ke以yi集ji成cheng到dao無wu線xian網wang絡luo的de同tong一yi個ge生sheng態tai係xi統tong中zhong。除chu此ci之zhi外wai
，通tong過guo一yi些xie額e外wai的de功gong能neng，可ke以yi將jiang低di功gong耗hao藍lan牙ya信xin標biao廣guang播bo消xiao息xi這zhe個ge概gai念nian進jin行xing擴kuo展zhan

，使shi其qi能neng應ying用yong於yu其qi他ta領ling域yu。

 

在本白皮書中
，我們將展示信標如何通過使用一係列外圍設備來支持擴展功能
，以允許它們在保持自主運行的同時處理和顯示數據。

一個典型的低功耗藍牙生態係統如圖1所示。該示例顯示了一個接近營銷的應用案例。其中，部署的信標通過低功耗藍牙信道

，以大約10次/秒的速度廣播ID號。當放置在信標附近的藍牙設備（例如智能手機）接收到此ID號時，應用程序識別出此ID號(hao)，它(ta)會(hui)將(jiang)其(qi)鏈(lian)接(jie)到(dao)一(yi)個(ge)操(cao)作(zuo)。這(zhe)個(ge)操(cao)作(zuo)可(ke)以(yi)是(shi)在(zai)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)上(shang)顯(xian)示(shi)營(ying)銷(xiao)優(you)惠(hui)這(zhe)樣(yang)的(de)簡(jian)單(dan)操(cao)作(zuo)，也(ye)可(ke)以(yi)是(shi)執(zhi)行(xing)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)任(ren)務(wu)，例(li)如(ru)下(xia)載(zai)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)。

 

其他低功耗藍牙信標用例包括但不限於：

 

● 室內導航：GPS信號在室內的情況下有時會非常弱。BLE信標網絡可用於在大型購物中心、博物館
、機場等室內場所進行準確定位。 

● 智能標簽：在大型零售店尤其流行，傳統標簽可以用信標代替，實現智能標簽機製，可以最大限度地減少更新產品價格、推出新優惠時所需的時間和人力。

● 醫療保健：BLE信標可以通過減少患者等待時間
、將患者的病史告知醫生，包括藥物、醫療設備跟蹤（資產跟蹤）、注射設備、貼片等
，為醫療保健帶來極大的改善。

 

圖2展示了室內導航和智能標簽應用的示例，使用了BLE信標技術引導和通知訪客。

 

圖2：用於室內導航/智能標簽應用的BLE信標應用示例

 

圖3展示了基於BLE信標的醫療保健應用示例。在該示例中，可以遠程查看和訪問患者的重要讀數。

 

圖3：醫療保健應用中BLE信標應用示例

 

如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)額(e)外(wai)的(de)硬(ying)件(jian)，像(xiang)運(yun)動(dong)傳(chuan)感(gan)器(qi)或(huo)視(shi)覺(jiao)輔(fu)助(zhu)設(she)備(bei)等(deng)，傳(chuan)統(tong)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)藍(lan)牙(ya)信(xin)標(biao)無(wu)法(fa)支(zhi)持(chi)這(zhe)些(xie)用(yong)例(li)。需(xu)要(yao)具(ju)有(you)擴(kuo)展(zhan)功(gong)能(neng)的(de)版(ban)本(ben)。在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)，我(wo)們(men)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)具(ju)有(you)擴(kuo)展(zhan)功(gong)能(neng)的(de)BLE信標解決方案，包括其最重要的外圍設備：薄型電池、運動傳感器和用戶界麵組件（LCD、按鈕）。我們將在下一節中詳細介紹這些外設。

 

本白皮書中還概述了使用柔性PCB技術來製造低功耗藍牙信標。這是一些細分應用所提出的關鍵需求，例如智能標簽
、製藥產品應用、可穿戴設備
、醫療應用等。

 

1.1. 柔性PCB技術

 

柔性電路適配具有以下優勢：

 

動態彎曲：柔性電路具有出色的彎曲或移動能力。此功能有助於通過可在應用過程中伸展、收縮或伸縮的設備來保持連接。這是柔性PCB技術在空間非常有限的可穿戴和醫療應用中的一項非常有用的優勢。

 

可靠性：柔性電路在高要求的醫療應用領域具有出色的性能和可靠性記錄。其基本優勢是消除了連接點，簡化了組裝，並降低了互連故障（如焊點不良）的風險，從而提高了可靠性和耐用性。

 

空間和重量：最近對更小、更(geng)輕(qing)設(she)備(bei)的(de)需(xu)求(qiu)不(bu)斷(duan)增(zeng)長(chang)，使(shi)柔(rou)性(xing)電(dian)路(lu)成(cheng)為(wei)對(dui)空(kong)間(jian)和(he)重(zhong)量(liang)有(you)著(zhe)高(gao)要(yao)求(qiu)的(de)應(ying)用(yong)之(zhi)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)。柔(rou)性(xing)電(dian)路(lu)超(chao)薄(bo)，可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)彎(wan)曲(qu)以(yi)適(shi)應(ying)幾(ji)乎(hu)任(ren)何(he)表(biao)麵(mian)。與(yu)標(biao)準(zhun)剛(gang)性(xing)PCB板相比，柔性電路也更輕。

 

成本：由於柔性電路可以將所需的連接數量減至最少
，因此可以高效地大批量生產，這有助於降低組裝成本。避免使用焊接線
、剛性印刷電路和連接器
，為進一步降低總成本提供了可能。

 

2. 低功耗藍牙信標係統概述

 

具有擴展功能的信標BLE係統通常由以下主要組件構成：

 

● 低功耗藍牙SoC單元：一個藍牙連接係統級芯片（SoC），具有用於必要計算任務的內置微控製器單元（通常是ARM處理器）。主處理器的選擇取決於設備的類型和複雜性。現代MCU將大部分功能集成在單個芯片中。BLE SoC 有一個附加天線，它以特定波長和頻率進行廣播。

 

● 電池：BLE SoC 應能夠長時間運行，這是通過使用合適的電池電源來實現的。紐扣電池已被證明是成本、尺寸和持續時長綜合最有效的解決方案。一般不推薦使用可充電電池，因為需要使用專用電路來支持充電操作，導致成本增加。

 

● 運動傳感器：keyishiyongdaiyoujiasudujideyundongchuanganqi
，tongguozaiweijiancedaoyundongshiyinruxitongshuimianmoshigongneng，laiyanchangdianchishouming，bingtigaoxitongdezizhuxing。dangran，cikexuangongnengqujueyuxinbiaodeyingyongchangjing。

 

● 用戶界麵：根據應用場景，可以考慮在信標中使用各種人機界麵選項：

   ● 低功耗顯示器，例如電子紙技術
，具有在完全斷電後持續顯示單個圖像的優勢，對於零售店標簽應用非常有用。

   ● 機械按鈕可用作開/關機製的一部分，進一步延長電池壽命。

 

2.1. 具有擴展功能、低功耗
、靈活的BLE信標

 

圖4：具有擴展功能的信標設備電路框圖

 

圖4描繪了具有擴展功能的BLE 信標設備的頂層框圖
，包含：

● 低功耗藍牙（BLE）SoC，采用微處理器單元 ARM Cortex M0用於數據傳輸

● 大容量SPI閃存

● 加速度計/陀螺儀傳感器

● 32MHz晶振

● 開/關電源開關

● 考慮到BLE SoC 的顯示驅動能力有限，也可以將低分辨率電子紙彩色顯示器連接到信標係統

 

3. 硬件元件和實現

 

除了提供擴展功能之外，Dialog的BLE信標方案還支持關鍵組件的靈活性。PCB、電池和LCD均由可彎曲材料製成，使它們能夠放置在大多數非平麵表麵，這對智能標簽應用尤其重要。

 

BLE信標的另一個關鍵方麵是其所有有源組件都應表現出非常低的功耗
，以支持較長的電池續航時間。

 

3.1. 來自Dialog半導體公司的DA14531 BLE SoC

 

在本文所示的示例中，我們需要一個功耗非常低的小尺寸BLE MCU解決方案。因此
，我們選擇了DA14531 BLE SoC，它是全球尺寸最小的低功耗藍牙 5.1 係統級芯片（SoC）解決方案之一。它具有破紀錄的低休眠和運行功耗，即使使用最小的一次性電池也能確保較長的運行和貨架期。DA14531 采用2.0 x 1.7 mm的小巧封裝，基於強大的32位ARM Cortex M0+
，具有集成的存儲器和一套完整的模擬和數字外設。

 

圖5：DA14531電路框圖

 

具有擴展功能的BLE信標係統的主要硬件組件分析如下：

 

3.2. 柔性電子紙顯示器

 

duiyuzhinengbiaoqianyingyong，xuyaoboxingdigonghaodexianshiqi。dianzizhixianshiqishizuishihejuyoukuozhangongnengdexinbiaoyonglide
，yinweizhexiexianshiqijinzaishuaxinshihaodian。zhiyaotuxiangxianshichulaihou，dianzizhixianshiqijiubuxuyaoxiaohaoewaidedianlaibaochigaituxiangdexianshizhuangtai，zhejidadiyanchanglechanpindedianchishiyongshouming。

 

對於本文中描述的示例，我們選擇了多合一顯示器。這類顯示器不需要負電源（負電源需要額外的複雜且昂貴的電路來實現）

，從而降低了總體物料成本。顯示分辨率為212*104像素
，使用24引腳FPC連接器通過SPI接口連接到主MCU。

 

3.3.Bosch Sensortec傳感器

 

為了增加運動智能並進一步降低係統的功耗，需要添加運動傳感器。在本文中，我們使用的是博世BMI270。這是一款超低功耗運動傳感器，結合了加速度計和陀螺儀
，具有多種運行模式和自校準算法。BMI270shishixiancimudefeichanghaodexuanze
，yinweitajichenglekuozhanxinbiaosuoxudexuduogongneng。ciwai，qichaoxiaochicunheweishuhenshaodewaibuzujianshiqifeichangshihezailinghuodexitongzhongshiyong。

 

3.4.柔性電池

 

在靈活的信標係統中，還需要柔性電池。在本文的係統示例中，使用了Imprint Energy最新推出的先進固態電池。這種電池材料（Zinc poly）可以實現高能量、安全和穩定的超薄運行，使其成為BLE信標應用的理想選擇，因為它可以打印成任何形狀
，無需額外密封。這種電池具有非常低的內阻



，可以長時間承受高電流脈衝，並提供15mAh的標稱容量。這些特性使這種電池成為具有擴展功能的信標應用的絕佳選擇。

 

圖6：15mAh Zinc Poly柔性超薄電池

 

3.5. 實際具有擴展功能的DA14531靈活BLE 信標

 

圖7和圖8顯示了組裝好的柔性PCB 的頂部視圖和底部視圖，該PCB部署了本文第3章節中所介紹的DA14531信標係統。這兩張圖還注明了前幾章節介紹的所有主要組件的位置。柔性PCB的總厚度為0.23 mm。基材是聚酰亞胺，其特性如表1所示。整個結構（PCB 和外設）的最大高度約為2 mm，考慮到每一側的最高組件，即電感器（頂部）和顯示器連接器（底部）。大部分表麵厚度都低於這個數字，而電路板的柔性材料使其具有很強的適應性和可彎曲性，使其可以適應任何類型的外殼。整個BLE信標（PCB、電子紙、電池組件）的靈活性如圖9所示。

 

表1：聚酰亞胺材料特性

 

 

圖 7：DA14531 BLE信標 - 頂部視圖

 

圖 8：DA14531 BLE信標 – 底部視圖

 

圖9：將柔性BLE信標放置在實際的圓形（非平麵）表麵上

 

4. 功率和射頻測量部分

 

作為以電池供電的設計，DA14531柔性信標應具有超低功耗，使其能夠提供較長的工作壽命。圖10顯示了在大約500 uA（平均）水平下測得的總功耗數值
，該測量是在以下條件進行的：

 

● 電子紙顯示器在屏幕刷新模式

● BLE廣播間隔為2秒

● 對附近標簽設備的掃描模式事件

● 加速度計運行
，輸出數據速率為1.5Hz

 

圖10：DA14531柔性信標的總功耗

 

圖11顯示了在160 uA（平均）水平的總功耗數值，在與上述相同的條件下，不包括屏幕刷新事件。

 

圖11：DA14531柔性信標的總功耗，不包括屏幕刷新

 

在睡眠模式下，極低的功耗至關重要
，因為這是此類信標的默認運行狀態。對於此方案，電子紙顯示屏上靜態（固定）圖片測得的睡眠電流為3.9 uA。

 

在圖12中有表1所描述的柔性聚酰亞胺PCB材料的反射係數。匹配天線的反射係數 -28dB幾乎與標準非柔性PCB FR4材料相同，因此使用的聚酰亞胺材料具有良好的射頻性能。

 

圖12：S11幅度（以dB為單位）

 

5. 結論

 

本文介紹了一種基於Dialog半導體公司DA14531 BLE SoC的低功耗
、具有擴展功能的BLE信標係統。重點介紹了柔性材料PCB
，它(ta)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)，節(jie)省(sheng)了(le)成(cheng)本(ben)，最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)因(yin)其(qi)柔(rou)性(xing)特(te)性(xing)而(er)能(neng)適(shi)應(ying)任(ren)何(he)表(biao)麵(mian)。此(ci)外(wai)，電(dian)池(chi)的(de)柔(rou)性(xing)材(cai)料(liao)和(he)電(dian)子(zi)紙(zhi)顯(xian)示(shi)組(zu)件(jian)使(shi)這(zhe)種(zhong)具(ju)有(you)擴(kuo)展(zhan)功(gong)能(neng)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)藍(lan)牙(ya)信(xin)標(biao)成(cheng)為(wei)醫(yi)療(liao)保(bao)健(jian)和(he)智(zhi)能(neng)標(biao)簽(qian)等(deng)應(ying)用(yong)的(de)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)。

 

（來源：Dialog半導體，作者：Nikolaos Terzopoulos，Dialog半導體公司高級硬件工程師；Marios Iliopoulos，Dialog半導體公司應用總監
；Panagiotis Rozos，Dialog半導體公司硬件應用經理；Athanasios Nikou
，Dialog半導體公司初級硬件應用工程師）