基于蓝牙物理通信的物理量采集电路的设计_开题报告

一、文献综述

一、蓝牙通讯技术发展概述

（一）经典蓝牙与BLE蓝牙技术

经典蓝牙技术，主要用于大量数据传输的场景，例如：音乐、语音传输等场景。经典蓝牙技术于最早于1999年推出（蓝牙1.0），而后于2004年推出了蓝牙2.0，蓝牙2.0解决了1.0兼容性差，抗干扰弱、安全性差等缺点，支持了全双模式，其后的版本是在基础上进行了简单的升级，未有重大的更新。直至2010年蓝牙4.0问世。蓝牙4.0技术给蓝牙无线通讯技术重新注入了活力，不仅在传输距离上有了飞跃的进步，还推出了低功耗模式（BLE：Bluetooth Low Energy）。BLE蓝牙技术的功耗仅为经典蓝牙功耗的10%，一些低功耗的产品配置一节纽扣电池可以使用一年以上。引入跳频传输技术，可以使设备即使复杂的射频网络环境下，也可稳定的传输。相较于经典蓝牙更低的成本控制、更加成熟的CMOS工艺、简单明了的协议栈、使用无限制（任何人无需注册授权即可使用）、以及提供了完整的鉴权功能，保证了数据完整性，AES128传输加密。

（二）蓝牙技术在物联网（IOT）技术中的应用

物联网技术最早在1999年提出。其技术含义为：将物品、设备等通过射频网络和互联网连接起来。早期受限于网络发展水平较低，覆盖范围小，以及半导体技术集成不够成熟，一直未有很大发展。近年来随着BLE（低功耗蓝牙技术）、RFID（射频识别技术）、NFC（近场信息传输）、zigbee（低速短距离传输的无线网上协议）4G网络等各种无线通讯技术的成熟，物联网技术的产品也开始走向普通消费者，基于以上技术的产品层出不穷，有着非常不错的发展前景。

二、国内外蓝牙技术的对比

（一）国内蓝牙技术

目前国内使用的蓝牙技术的使用规范由SIG（蓝牙技术联盟）制定，目前国内主要的蓝牙芯片厂商有：炬力、昆天科微电子、RDA（紫光展锐）、安凯微、MTK、卓荣、瑞昱半导体、上海博通。近年来受到国际贸易和国内政策影响，国内开始大力发展半导集成技术，开始出现了一些比较优秀的国产蓝牙芯片。其中炬力主要以蓝牙音频芯片为主要发展方向，其芯片不仅仅有蓝牙通讯物理层硬件部分，同时片上还集成了电池充放电管理，ADC、DAC以及PA放大器、I2S音频解码，提供了优秀的低成本无线音频解决方案。紫光展锐力于为智能互联世界开发物联网芯片产品和解决方案，提供了了完整的解决方案，大幅缩减产品开发周期和成本。上海博通BK系列提供超低成本的蓝牙解决方案，但是相关开发资料不够全面，前期开发难度较大，参考资料相对较少。

（二）国外蓝牙技术

国外半导体集成技术开始于20世纪60年代末，已经有60年的技术积累，在大规模的半导体集成技术上国外目前还是领先于国内。同样的在蓝牙技术方面，国内起步也相对较晚。目前的蓝牙技术规范由SIG联盟创始成员制定。创始成员有：Agere、爱立信、IBM、英特尔、微软、摩托罗拉、诺基亚和东芝，其后果IBM被联想所取代。国外蓝牙发展技术至今出现很不错的蓝牙芯片厂商，国外主要的蓝牙芯片厂商有：TI、CSR（现已被美国高通收购）、Dialog、Nordic。其中高通的CSR和QC系列蓝牙芯片占领了大部分的智能终端市场，高通将蓝牙集成在其公司旗下的移动处理器内，通过捆绑销售的方式占领了大部分的市场。高通蓝牙芯片持有蓝牙APTX、APTXHD蓝牙编码协议专利。APTX蓝牙编码技术优化了蓝牙编码，使得同样速率下的有效信息提高，此项技术主要用于蓝牙音频设备，提高音频信息流的码率。APTXHD技术主要优化了蓝牙传输延迟，但高通蓝牙开发上手难度较大，其产品更加主要于蓝牙音频数据传输，对于BLE协议部分不太友好。德州仪器作为全球最大模拟半导体集成技术的厂商，其蓝牙芯片产品稳定性好，面对不同应用场景进行了细分出各类蓝牙芯片。德州仪器的蓝牙芯片开发难度低，官方提供的丰富的开发资源。提供了性能优秀的Demo板，提供了很好的技术支持，但是其芯片协议中OSAL（Operating System Abstraction Layer）操作复杂，对于初学者难以理解。Dalog是德国的蓝牙芯片厂商、其下的蓝牙芯片DA14系列有非常优秀的低功耗表现。常见于小米手环系列产品之中。其蓝牙芯片集成度高，拥有16Mhz主频32位 ARM Cortex M0内核，极低的功耗大幅延长的了蓝牙无线设备的续航时间，其适中的价格让设备有着不错的性价比。本次设计中采用此款芯片。

通过以上对国内外蓝牙芯片的厂商的简单介绍，可以看出目前国内的蓝牙技术虽相较于国内有些落后，但是还是有着比较不错的国产蓝牙芯片解决方案。目前国产芯片主要是性价比作为主要的竞争手段。国内蓝牙芯片的技术资料方面还不够全面，厂商给出的设计参考以及技术支持还需要加强，优秀的芯片也需要好的推广与介绍，芯片资料太少。并不利于产品的发展。只有大量的使用，改进、升级才会有更好的发展。国外的蓝牙芯片的更多的是相对较新的技术，和比较全面的配套开发资料，设计例程，但是其芯片售价远高于的国产芯片价格，压缩了国内蓝牙产品开发者的利润空间。

（三）论述意义

 目前国内基于蓝牙的物理量采集的物联网产品，其模拟量采集部分电路的误差。类似与心率、血样、温湿度等信号都是微小物理。通过放大电路经有ADC采集方案，虽然成本相对较低，但是稳定性方面要差于集成式传感器，同时模拟放大电路的元器件存在上下的波动，使得得出的信号也会有比较大的波动范围。心率采集原理是通过强光照射人体便面皮肤，人体血液会随着心跳的明暗变化，通过光敏器件可以检测到其微小的物理变化。本课题使用高精度一体集成式MAX30102，性能稳定，受外围电路影响小。

同样的温度检测的物联网产品中使用的的主要方案有：热电偶、NTC温敏电阻。而目前被使用较多的是NTC温敏电阻、此方案的原理是使用对温度敏感的材料而制成的电阻，温度变化时其电阻值也将发生变化，同时其测量出结果的误差相对于本课题中所选择的集成式传感器较大。因为温敏的存在非线性误差、以及受限于传统工艺自身阻值也存在一定误差，使用了温敏电阻的温度检测电路，还需要设计出合理的ADC采样电路。目前大部分的蓝牙芯片集成的是10Bit的ADC。3.3V的供电中LSB为3.22mV，所以常见的采用了NTC的蓝牙物联网设备，其误差一般在±0.5℃本课题中采用了集成式的温度传感器芯片，其精度为±0.2℃，内部集成了14位的测量分辨率，进一步减小了LSB引起的误差。睡眠模式下仅有100nA功耗。测量温度工作时仅为1.3uA，而温敏电阻分压一般为mA级别。若是需要定时传输温度，采用温敏电阻的电路的续航时间将远少于采用集成式温度的传感器芯片。

本课题采用的集成式的传感器，提高蓝牙物联网的设备对模拟量采集精度，集成式的芯片稳定性更好，产品的一致性也更好，并且受电路设计影响，缩短产品的开发周期，调试生产周期。加快产品上市时间。

二、^范文提纲

一、蓝牙技术发展概况

（一）蓝牙物联网的发展状况以及前景

（二）本课题研究的内容及意义

二、常见的蓝牙物联网产品的存在的问题

（一）NTC温度检测的电路的主要问题

（二）湿敏电阻检测电路的主要问题

三、提高蓝牙物理采集的性能的措施

（一）数字式传感器对蓝牙物联网系统精度的提高

（二）数字式传感器对蓝牙物联网系统稳定性的提高

四、案例分析

 （一）采用NTC ADC转换电路与数字式传感器理论对比

 （二）采用NTC ADC和数字传感器的实际电路对比

三. 参考文献

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