Hướng dẫn Thiết kế Bluetooth: Những Điều Cần Lưu Ý cho Thiết kế Tiết kiệm Năng lượng

Trong những năm đôi mươi, tôi có thể dễ dàng mang theo laptop đi khắp thành phố mà không hề cảm thấy mệt mỏi. Ngày nay, tôi nhanh chóng cảm thấy mệt mỏi và tìm kiếm một liệu pháp massage tốt sau những khoảng thời gian dài đi bộ với laptop. Đó là lý do tại sao tôi thích mang theo máy tính bảng nhẹ hơn thay vì chiếc laptop cồng kềnh của mình. Công nghệ đã phát triển khá nhiều kể từ khi Bluetooth cổ điển ra đời.

Trong lĩnh vực điện tử, Bluetooth Low Energy (BLE) thực hiện một công việc tương tự cho các ứng dụng. Nó truyền các cụm dữ liệu ngắn trong khi chỉ tiêu thụ một phần nhỏ năng lượng so với một chip Bluetooth. Giống như lựa chọn của tôi là bỏ lại laptop khi đi du lịch vì lý do hiệu quả (và thoải mái), năng lượng thấp hiệu quả hơn khi bạn không truyền tải nhiều dữ liệu.

Cơ bản về Bluetooth Low Energy

Khi công nghệ Bluetooth biến tai nghe không dây thành hiện thực, tôi đã bị ám ảnh. Tôi nghĩ đó là một trong những công nghệ tuyệt vời nhất từ trước đến nay. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn Bluetooth Classic thông thường gặp phải nhiều vấn đề, bao gồm tuổi thọ pin ngắn và thiếu ổn định kết nối. Bluetooth low energy là giải pháp hoàn hảo cho những vấn đề này.

Thay vì thay thế các tiêu chuẩn Bluetooth Classic, Bluetooth LE bổ sung cho người tiền nhiệm trong các ứng dụng đòi hỏi mức tiêu thụ năng lượng rất thấp. Trừ khi các thiết bị được kết nối, chúng sẽ ở trong chế độ 'ngủ', do đó tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Việc thiết lập kết nối chỉ mất vài mili giây.

Các thiết bị Bluetooth low energy có khả năng truyền dữ liệu lên đến 100 mét, tùy thuộc vào các yếu tố khác như độ nhạy của bộ thu hay sự mất mát do cấu trúc. Điều này làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng Internet vạn vật (IoT), nơi mà các cảm biến dựa trên Bluetooth low energy có thể được triển khai dễ dàng trên một khu vực rộng lớn.

Việc áp dụng Bluetooth low energy đã diễn ra một cách nhanh chóng đáng ngạc nhiên, vì nó lấp đầy một khoảng trống trong điện tử hiện tại bằng cách giải quyết các vấn đề về tiêu thụ năng lượng thấp và truyền dữ liệu khoảng cách dài. Với IoT thúc đẩy việc triển khai Bluetooth LE, chỉ là vấn đề thời gian trước khi bạn bắt đầu làm việc với một thiết kế Bluetooth LE. Dưới đây là một số mẹo để triển khai Bluetooth LE trong thiết kế của bạn.

Mô-đun BLE hoặc Microcontroller với BLE

Để tích hợp Bluetooth low energy, bạn có lựa chọn tích hợp một microcontroller với mô-đun Bluetooth LE hoặc sử dụng một microcontroller có tính năng Bluetooth low energy tích hợp sẵn. Các mô-đun Bluetooth LE thường được chứng nhận. Sử dụng mô-đun Bluetooth LE giúp bạn tiết kiệm thời gian và tiền bạc cho việc chứng nhận.

Nếu bạn sản xuất hàng trăm nghìn đơn vị, vi điều khiển có chức năng Bluetooth năng lượng thấp tích hợp là lựa chọn khả thi hơn. Chi phí sản xuất thấp hơn bù đắp cho chi phí chứng nhận phần cứng của bạn.

Cân bằng giữa Tiết kiệm Năng lượng và Gói Dữ liệu Nhỏ

Một mô-đun Bluetooth LE hoạt động với mức trung bình 1 μA. Đây chỉ bằng 10% lượng năng lượng tiêu thụ bởi Bluetooth Classic. Khi thiết kế đúng cách, một pin đơn cung cấp năng lượng cho thiết bị Bluetooth LE có thể kéo dài từ 5 đến 10 năm. Với điều này trong tâm trí, mọi nỗ lực nên được thực hiện để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trên các thành phần mạch in khác của PCB.

Ví dụ, một vi điều khiển tiêu thụ năng lượng thấp nên được chọn cho thiết kế sử dụng mô-đun Bluetooth LE. Các chỉ báo hình ảnh như LED nên được tránh để tối đa hóa tuổi thọ pin. Vi điều khiển luôn nên được đặt vào chế độ ngủ sâu khi nó không hoạt động.

Cũng cần lưu ý rằng Bluetooth low energy truyền dữ liệu dưới dạng các gói dữ liệu ngắn. Không giống như Bluetooth Classic, nó không hỗ trợ truyền tải kích thước dữ liệu lớn dưới dạng luồng. Kích thước tải trọng được hỗ trợ của gói dữ liệu lên đến 37 byte. Nếu thiết kế của bạn liên quan đến việc gửi các khối dữ liệu lớn, firmware cần phải đủ thông minh để truyền dữ liệu và tái tạo các gói dữ liệu nhận được.

Bluetooth LE tiêu thụ năng lượng tối thiểu

Hướng dẫn Bố trí PCB cho thiết bị Bluetooth của bạn

Bluetooth low energy hoạt động ở tần số 2.4Ghz. Bản chất tần số cao của công nghệ đòi hỏi PCB phải được thiết kế cẩn thận. Khi thiết kế của bạn bao gồm cảm biến, tốt nhất là giữ tín hiệu analog và mô-đun Bluetooth trên các lớp riêng biệt của Bảng Mạch In.

Mặc dù hoạt động với năng lượng tối thiểu, thiết kế PCB Bluetooth cần phải có một nguồn điện áp ổn định và sạch. Thêm tụ điện bypass 1.0μF giúp cung cấp điện áp ổn định. Ngoài ra, hạt ferrite cũng có thể được sử dụng để lọc bỏ tiếng ồn từ thiết bị cung cấp điện Bluetooth LE.

Trong một số trường hợp, bạn có thể cần thiết kế ăng-ten của Bluetooth LE trên PCB. Mặc dù bạn không cần phải là một chuyên gia về RF, bạn nên thiết kế ăng-ten theo đúng như nhà sản xuất đã gợi ý. Ngoài ra, bạn có thể sử dụng ăng-ten chip nếu bạn có không gian hạn chế trên PCB của mình.

Tụ bù giúp ổn định nguồn cung cấp điện.

Bằng cách sử dụng phần mềm thiết kế PCB với quyền truy cập vào bộ phận linh kiện đầy đủ và nội dung thiết kế không giới hạn, bạn có thể tích hợp Bluetooth LE một cách liền mạch vào thiết kế tiếp theo của mình. Khi bạn cần truy cập vào công cụ bố trí PCB dễ sử dụng bao gồm mọi thứ cần thiết để xây dựng các bảng mạch có chất lượng cao, có thể sản xuất, không cần tìm đâu xa hơn CircuitMaker. Ngoài phần mềm thiết kế PCB dễ sử dụng, tất cả người dùng CircuitMaker đều có quyền truy cập vào không gian làm việc cá nhân trên nền tảng Altium 365. Bạn có thể tải lên và lưu trữ dữ liệu thiết kế của mình trên đám mây, và bạn có thể dễ dàng xem các dự án của mình qua trình duyệt web của mình trên một nền tảng an toàn.

Bắt đầu sử dụng CircuitMaker ngày hôm nay và chờ đón CircuitMaker Pro mới từ Altium.