近年來，藍(lán)牙憑借自身低功率、易部署、低成本及高度靈活的優(yōu)勢(shì)從傳統(tǒng)設(shè)備市場延伸到非傳統(tǒng)設(shè)備市場，大舉進(jìn)軍智能穿戴、智能樓宇、智慧工業(yè)等新興領(lǐng)域。隨著藍(lán)牙應(yīng)用市場的蓬勃發(fā)展，技術(shù)和應(yīng)用得到源源不斷的創(chuàng)新，因此也更趨向于多樣性。Dialog 、ST、Nordic等知名供應(yīng)商都基于藍(lán)牙核心技術(shù)為行業(yè)提供局域物聯(lián)網(wǎng)解決方案，幫助解決物聯(lián)網(wǎng)“最后幾十米”的連接問題。

不過，在研發(fā) BLE 產(chǎn)品時(shí)，很多產(chǎn)品經(jīng)理和市場人員經(jīng)常會(huì)遇到這些問題：主流 BLE 芯片的功耗到底哪家好？好在哪個(gè)具體的點(diǎn)？

我從上文提及的三家供應(yīng)商中各挑出一款主流的BLE芯片產(chǎn)品來進(jìn)行實(shí)際測(cè)試以及對(duì)比，詳細(xì)分析在其各個(gè)方面的功耗情況。 這三款主流BLE芯片分別是：Dialog DA14585, ST BlueNRG-2 , Nordic 52832。

測(cè)試硬件和測(cè)試工具

被測(cè)硬件：

Dialog：DA145850ATDEVKTP + DA14585-01ATDB

修改測(cè)試的工程：

DA14585_SDK_6.0.10.511_0\DA14585_SDK\6.0.10.511\projects\target_apps\ble_examples\prox_reporter\

備注: Dialog 的測(cè)試只包含 Daughter（即小板）的功耗，不包含片外 Flash 的功耗，片外Flash 不加三極管處理大概會(huì)消耗 0.4uA。

被測(cè)硬件： 

ST：STEVAL-IDB008V2

修改的測(cè)試工程：

STMicroelectronics\BlueNRG-1_2 DK 3.1.0\Firmware\BLE_Examples\BLE_Beacon\BlueNRG-2

STMicroelectronics\BlueNRG-1_2 DK 3.1.0\Firmware\BlueNRG1_Periph_Examples\Micro\Sleep_Test\BlueNRG-2

被測(cè)硬件：

Nordic: 52832 official EVB

修改的測(cè)試工程：

nRF5_SDK_15.0.0_a53641a\examples\ble_peripheral\ble_app_template\pca10040\s132\arm5_no_packs

測(cè)試電流工具：

KEITHLEY DMM7510

測(cè)試手機(jī)： Hornor 8 Light + Android APP Lightblue

3. 影響總體功耗的各項(xiàng)指標(biāo)，各家資料標(biāo)稱參數(shù)：

Dialog DA14585 資料標(biāo)稱參數(shù)：

Supply current at VBAT3V

TX: 3.4 mA, RX: 3.7 mA (with ideal DCDC, 0dB)

ST BlueNRG 資料標(biāo)稱參數(shù)：

Average advertisement current consumption 15.34 μA (advertisement interval 1000 ms)

Average connection current consumption 7.059 μA (connection interval 1000ms)

TX: 8.3 mA, RX: 7.7 mA (with ideal DC-DC, -2dB) （除了 RF 外，還加上 CPU, retention RAM, Flash 激活等）

Nordic nRF 52832 資料標(biāo)稱參數(shù)：

在 DC-DC 3V 情況下：

0.3 μA – No RAM retention

1.2 uA – All peripherals in IDLE mode

1.6 uA – All peripherals IDLE mode (32 kHz + RTC)

20 nA per 4 KB - RAM retention

5.3 mA – TX at 0 dBm output power（備注：這部分只包含 Radio 的電流消耗）

5.4 mA – RX at 1 Mbps（備注：這部分只是 Radio 的電流消耗）

CPU efficiency 58 μA/MHz（主頻可以到 64MHz）

從各家資料宣稱看 Da14585 的 Radio（TX: 3.4 mA, RX: 3.7 mA）遙遙領(lǐng)先另外的兩家。需要注意的一點(diǎn)是 BlueNRG-2 的 Radio 標(biāo)稱的是整機(jī)部分的，除去 CPU 等的 1.9mA 大概就是單單Radio 部分的（TX: 6.4 mA, RX: 5.8 mA）。nRF52832（TX :5.3 mA, RX:5.4mA）的在 RF 參數(shù)上這點(diǎn)上略勝一點(diǎn) BlueNRG-2。

4. 實(shí)際測(cè)量對(duì)比分析：

各家由于本身硬件條件不一樣，標(biāo)稱也不一樣。為了對(duì)比，這里選用了一些工程項(xiàng)目實(shí)際常用的比較條件進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)比條件：0dB（ST 的 BlueNRG-2 由于沒有 0dB 這個(gè)點(diǎn)的發(fā)射功率，選取一個(gè)接近的-2dB進(jìn)行對(duì)比測(cè)試）, +3.0V 電池供電，DC-DC 模式，統(tǒng)一使用帶 32K 外部晶振，以帶協(xié)議棧正常跑起來為準(zhǔn)。

下面選擇三個(gè)方面進(jìn)行功耗比對(duì)。

1. 一直廣播

2. 保持連接（payload=0）

3. 睡眠模式下

為什么選取這三個(gè)方面作為比較呢？ 因?yàn)橐恢睆V播的測(cè)試可以分析 RF 開始發(fā)射時(shí)的功耗； 保持連接主要分析接收和部分發(fā)送數(shù)據(jù)的 RF 作用時(shí)系統(tǒng)的綜合功耗； 睡眠模式下可以測(cè)試分析系統(tǒng)的待機(jī)能力。

廣播模式下，各類芯片功耗比對(duì)：

測(cè)試條件：供電+3.3V，廣播 31 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，不帶響應(yīng)的非可連接廣播  

                           各芯片廣播時(shí)實(shí)時(shí)電流圖

（x 軸:時(shí)間，單位為 1mS； Y 軸:電流，單位 1mA △X:廣播一次芯片的喚醒時(shí)長； △Y: 開 RF 時(shí)整機(jī)的峰值電流； 左一 Da14585 中間:BlueNRG -2 右一: nRF52832）

在廣播模式下，BlueNRG-2 和 nRF52832 的平均功耗相當(dāng)。在 0.7S 和 1S 這兩個(gè)廣播間隔保持比較低的功耗。在市場上很多人會(huì)認(rèn)為 Da14585 的功耗會(huì)比較低，因?yàn)?Da14585 是M0 內(nèi)核+比較低的發(fā)射功耗。從表格數(shù)據(jù)，可以很明確的看出各家芯片在功耗這塊的優(yōu)缺點(diǎn)，以及后續(xù)可以改善的地方。Dialog 的 Da14585 的 Radio 這塊確實(shí)做得不錯(cuò)，發(fā)射電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低其他兩者。但是在從睡眠到喚醒到發(fā)廣播，這里消耗了太多的時(shí)間。ST 的 BlueNRG-232發(fā)射電流雖然比較高，但是在從睡眠到到高速晶振穩(wěn)定這點(diǎn)上，比其他兩家要快很多，加上它的底電流也遠(yuǎn)小于另外兩種芯片，所以能在這么高的發(fā)射電流中保持較好的功耗。這點(diǎn)是大多數(shù)人在評(píng)估功耗容易單純看射頻參數(shù)下結(jié)論，忽略了底電流和高速晶振啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間。Nordic 的 nRF 52832 在高速晶振起振穩(wěn)定時(shí)間上發(fā)射功耗上都有優(yōu)化的空間。

保持連接模式下，各家功耗對(duì)比：

測(cè)試條件與結(jié)果：Connection payload=0 TX/RX

從測(cè)試結(jié)果看，在 30ms 短連接間隔時(shí)，nRF52832 功耗最低，比較優(yōu)秀。BlueNRG-232由于發(fā)射功率比較高，在很 30ms 這種很頻繁發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)低于另外兩家。預(yù)估在 120 多毫秒左右連接間隔會(huì)和 Da14585 功耗相當(dāng)。在預(yù)計(jì)差不多到 1S 的連接間隔時(shí)，功耗會(huì)和nRF52832 功耗想相當(dāng)。當(dāng)連接間隔越大，BlueNRG-232 的底電流作用越明顯。

睡眠模式下, 各家功耗對(duì)比：

從測(cè)試結(jié)果分析，ST 的 BlueNRG-2 在這塊上表現(xiàn)優(yōu)秀。兩三個(gè) uA 其實(shí)差距比較大，因?yàn)?span style="font-family: 宋體; font-size: 14px;">休眠在大部分應(yīng)用來說是占大部分的時(shí)間，這部分的功耗差別一點(diǎn)點(diǎn)，乘上待機(jī)時(shí)間，都會(huì)放大很多倍。Dialog 的 Da14585 在這塊上可能會(huì)讓很多人意外，為什么參數(shù)會(huì)是 3.9089uA的待機(jī)電流這么大的一個(gè)值。詳細(xì)分析還是有理有跡可循的，Da14585 采用的是從片外Flash 中的加載 code 到 RAM 運(yùn)行的機(jī)制，片外的 FLASH 和代碼區(qū)占的內(nèi)存也需要消耗了部分待機(jī)電流。

（備注：Da14585 典型應(yīng)用代碼是從片外 Flash 加載到 RAM 里面的，使用時(shí)保持了 2 個(gè)32K 的 RAM，故這里如果在保持時(shí) RAM 占的功耗理論值是 2.8uA）。

DA14585 內(nèi)存使用分配如下：

Da14585 最簡單藍(lán)牙的 Demo 工程也得使用兩塊 32K 的 SvsRAM.測(cè)試和理論值差別不大。BlueNRG-232（標(biāo)稱 0.9uA） 和 nRF52832（標(biāo)稱 2.0uA）的待機(jī)電流和規(guī)格標(biāo)稱的差別不大。順便補(bǔ)充一個(gè)小點(diǎn)，測(cè)試到這三個(gè)芯片復(fù)位電流數(shù)據(jù)：BlueNRG-232 也是nA 級(jí)別的，nRF52832 有 470uA 電流，Da14585 有 3.2mA. 在有些應(yīng)用場合，這個(gè)參數(shù)也

會(huì)比較關(guān)鍵。

綜述實(shí)際應(yīng)用場合，各家功耗對(duì)比:

前面分析了那么多，那功耗綜合在實(shí)際應(yīng)用到底怎么估算呢？為了簡化，羅列了一個(gè)公式來評(píng)估綜合功耗（weighting==權(quán)重 所處狀態(tài)所占時(shí)間比例）。

Power Consumption = ADV current * weighting1 + CON current *weighting2 + Standby* weighting3.

100% = weighting1 + weighting2 + weighting3。

其中大部分應(yīng)用 weighting3 往往占高達(dá) 99%以上的時(shí)間。如果是待機(jī)一直廣播的應(yīng)用，三家差別不大（其實(shí)連接比廣播更省設(shè)備的點(diǎn)，一直廣播有時(shí)未必會(huì)比一直保持連接好）。

舉個(gè)小例子算一下大概量化一下數(shù)據(jù)。

 P(DA14585) = ADV*W1 + CON(快)* W21 + CON(慢)*W22+ Sleep*W3

 P(BlueNRG-232) = ADV*W1 + CON(快)* W21 + CON(慢)*W22+ Sleep*W3

 P(nRF52832) = ADV*W1 + CON(快)* W21 + CON(慢)*W22+ Sleep*W3

 100% = W1 + W21+ W22 + W3

使用典型值功耗估算公式：

 P(DA14585) = 13.646*W1 + 30.554* W21 + 11.385*W22+ 3.9089*W3

 P(BlueNRG-232) = 11.703*W1 + 33.042* W21 + 7.0838*W22+ 0.8524*W3

 P(nRF52832) = 11.759*W1 + 25.179* W21 + 7.1806*W22+ 2.0729*W3

 100% = W1 + W2 + W3

 如果不同的應(yīng)用，W1，W2，W3 這部分比例的時(shí)間會(huì)不同。

綜述：Da14585 的 RF 性能比較好；BlueNRG-232 的高速晶振啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間快，睡眠待機(jī)電流低；nRF52832 各項(xiàng)性能比較綜合。我個(gè)人認(rèn)為對(duì)來說對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用 W1 和 W22占的比例會(huì)比較大, BlueNRG-232 的綜合功耗占優(yōu)勢(shì)，nRF52832 次之，DA14585 最后。

各家同類型產(chǎn)品功耗:

同一廠家，相近的芯片功耗很相似。Dialog 的 DA14585 是 DA14580 的升級(jí)版本，DA14580 的功耗可以參考 DA14585 的，實(shí)際上會(huì)比 DA14585 的功耗更差一點(diǎn)點(diǎn)，DA14580這款芯片在當(dāng)時(shí)剛出來時(shí)功耗屬于業(yè)界標(biāo)桿，現(xiàn)在來說已經(jīng)被很多同行新產(chǎn)品趕超了。ST 的BlueNRG-1 和 BlueNRG-2 的體系結(jié)構(gòu)幾乎沒啥改動(dòng)，功耗也一樣。Nordic 的 nRF52810 屬

于 nRF52832 的 cost down 版本，功耗也差別不大。

【編者按】傳統(tǒng)點(diǎn)讀筆具有待機(jī)時(shí)間不長；在互動(dòng)性上只能簡單的語音互動(dòng)，難以給小朋友帶來生動(dòng)印象等特點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，在傳統(tǒng)點(diǎn)讀筆上改進(jìn)，結(jié)合書本和大屏幕電視動(dòng)畫播放，采用目前流行的低功耗藍(lán)牙技術(shù)。改良的點(diǎn)讀筆可以讓孩子通過參與各種針對(duì)性的游戲和活動(dòng)，不斷刺激觸覺、視覺、聽覺等感官來豐富他們的體驗(yàn)，增長他們的興趣，開發(fā)他們的腦神經(jīng)。點(diǎn)讀筆小巧方便，非常便攜，可隨時(shí)、隨處使用，它將聲音和視頻加于枯燥的文字之上，使圖書內(nèi)容更豐富，使閱讀和學(xué)習(xí)更有趣，可充分實(shí)現(xiàn)寓教于樂。

· 系統(tǒng)概述

    如下圖所示，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)這幾個(gè)整體部分：帶傳感器的點(diǎn)讀筆，撲了二維碼的書本，智能電視。使用點(diǎn)讀筆可以通過它的傳感器識(shí)別到二維碼的數(shù)據(jù)中的二維碼信息，然后通過點(diǎn)讀筆的藍(lán)牙BLE芯片發(fā)送傳感器讀取到的數(shù)據(jù)到智能Android電視端，電視端可以和云端結(jié)合，播放云端或者本地的動(dòng)畫視頻。

· 點(diǎn)讀筆硬件設(shè)計(jì)

1. 主控芯片

硬件上采用的主控芯片是Dialog公司的DA14580芯片。這是一款經(jīng)典的BLE芯片，小米手環(huán)的第一代就是用這款芯片設(shè)計(jì)的。

DA14580特性如下：

（1） 藍(lán)牙4.2協(xié)議

（2） 支持達(dá)到8個(gè)BLE連接

（3） 支持AES-128 bit 加密處理器

（4） 32 kB OTP ;50 kB Data/Retention SRAM; 84 kB ROM

（5） 集成在芯片內(nèi)部的Buck/Boost DCDC 轉(zhuǎn)換

（6） Fully integrated 2.4 GHz CMOS transceiver;0 dBm 發(fā)射輸出功率

（7） 支持2 x UART 、SPI+、10-bit ADC

（8） 芯片最低待機(jī)功耗低于2uA

DA14580框圖

2. 點(diǎn)讀筆主要原理圖

點(diǎn)讀筆原理圖

    如上圖所示，點(diǎn)讀筆硬件上主要有這幾部分，主控DA14580，MPR7612讀頭傳感器，充電部分和鋰電池,以及片外的Flash（主要用于存放代碼）。細(xì)心的讀者可能注意到這里使用了兩顆晶振，一顆是32K頻率的，一顆是12MHz的。對(duì)于無線控制低功耗系統(tǒng)，其實(shí)一般會(huì)使用兩路時(shí)鐘，高速和低速的。低速用戶睡眠時(shí)運(yùn)行的時(shí)鐘，高速用于倍頻到2.4G信號(hào)，調(diào)制與解調(diào)需要發(fā)送的無線數(shù)據(jù)。為啥在睡眠時(shí)不直接使用高速呢？其實(shí)是因?yàn)椴捎酶咚贂r(shí)鐘運(yùn)行的話，功耗一般都很高。其實(shí)DA14580內(nèi)部也有32K的低速晶振，如果使用芯片內(nèi)部的32K低速晶振，功耗會(huì)略微高一點(diǎn)點(diǎn)，這里原理圖上保留兼容使用內(nèi)部32K或者外部32K晶振的設(shè)計(jì)。

3. MPR7612 傳感器結(jié)構(gòu)要求

識(shí)讀頭成品成像效果不僅與識(shí)讀光頭模組本身參數(shù)有關(guān)，還會(huì)受到識(shí)讀塑膠頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。塑膠頭影響成像的參數(shù)主要：塑膠材質(zhì)是否透明.塑膠頭出光孔的直徑大小. 塑膠頭內(nèi)部弧度.

1. 塑膠材質(zhì)：不能使用透明和半透明材質(zhì)，如POM，透明ABS，PC，透明和半透明材質(zhì)因?yàn)槁┕?，?huì)讓識(shí)讀頭光的強(qiáng)度下降，即使在外表面噴涂其他顏色油 漆，也難以掩蓋，所以用白色ABS等為原材料， 觀面可以噴涂其他顏色，內(nèi)壁顏色必須為白色

2. 塑膠頭內(nèi)壁不能是光滑面，光滑面會(huì)產(chǎn)生鏡面反射， 應(yīng)在模具上曬細(xì)紋，讓光產(chǎn)生漫反射

3. 塑膠頭出光孔的直徑和1026D一樣，直徑3.6MM， 且出口不能做直身位，應(yīng)做成圖A中的出光孔，以免成像時(shí)出現(xiàn)陰影

4. 焦距： 焦距是識(shí)讀模組的出光口到塑膠頂面的距離，該距離必須保證為7.15MM，如圖A

· 點(diǎn)讀筆軟件設(shè)計(jì)

4. 軟件概述

    本軟件主要架構(gòu)圖如下圖，紫色區(qū)域?yàn)镾DK本身自帶模塊，其他為需要實(shí)現(xiàn)的模塊。主要實(shí)現(xiàn)了電量檢測(cè)功能，電源控制，三色LED顯示指示，以及傳感器采集點(diǎn)讀筆數(shù)據(jù)通過打包后發(fā)送到FIFO后，通過自定義服務(wù)發(fā)送到Android電視APP端等。

5. 與App通信協(xié)議設(shè)計(jì)

由于應(yīng)用數(shù)據(jù)比較簡單，這里協(xié)議就簡單設(shè)計(jì)。協(xié)議采用不定長統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。從Android電視APP到點(diǎn)讀筆和從點(diǎn)讀筆到Android電視采用此數(shù)據(jù)格式。

數(shù)據(jù)包基本數(shù)據(jù)格式

包頭:此協(xié)議定義為0xaa 0xaa

長度(Length):描述為DATA區(qū)選項(xiàng)加命令加校驗(yàn)和的字節(jié)數(shù)。

類型(Type):標(biāo)識(shí)不同的數(shù)據(jù)類型。

數(shù)據(jù)區(qū)(Data):對(duì)應(yīng)不同的類型不一樣，不固定長度。

校驗(yàn)和(CheckSum):校驗(yàn)長度+命令+數(shù)據(jù)字段

6. BLE相關(guān)通信協(xié)議

    BLE通信相關(guān)涉及兩個(gè)主要的服務(wù)，一個(gè)是OTA服務(wù)，一個(gè)是透傳服務(wù)。OTA服務(wù)Dialog官方本身已經(jīng)提供，剩下的應(yīng)用需要透傳數(shù)據(jù)的服務(wù)需要自定義。

GATT屬性表

7. 傳感器MP7612驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

    傳感器廠家并沒有提供驅(qū)動(dòng)代碼，所以需要自己寫相關(guān)的驅(qū)動(dòng)代碼，這里主要是使用SPI方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

讀寄存器：

    讀取寄存器值前需要將寄存器頁設(shè)置，寫入0xfd = 當(dāng)前頁號(hào)。例如：將當(dāng)前寄存器頁設(shè)置在第二頁，需操作寄存器接口寫入 0xfd = 0x02；向SPI寫3字節(jié)序列(0x02，addr，dummy_data)，其中0x02為讀寄存器命令字，addr為讀取的目標(biāo)寄存器地址，dummy_data為任意數(shù)值，然后從SPI讀取一個(gè)字節(jié)，獲得的數(shù)值即為目標(biāo)寄存器的值，持續(xù)輸入時(shí)鐘并且SPI_CS保持低電平讀地址會(huì)自動(dòng)加1，連著讀取下一個(gè)寄存器的數(shù)值。

SPI讀寄存器時(shí)序

寫寄存器：

寫寄存器值前需要將寄存器頁設(shè)置，寫入0xfd = 當(dāng)前頁號(hào)。例如：將當(dāng)前寄存器頁設(shè)置在第二頁，需操作寄存器接口寫入 0xfd = 0x02；直接向SPI寫3字節(jié)序列（0x01，addr，value），其中0x01為寫命令字，addr為寫入的目標(biāo)寄存器地址，value為要寫入的寄存器值；

SPI寫寄存器時(shí)序

8. 應(yīng)用層工作模式模塊

下圖為各種狀態(tài)下藍(lán)牙、LED指示燈、傳感器等的工作狀態(tài)。

工作狀態(tài)邏輯圖

9. 功耗優(yōu)化和功耗估算

模塊工作時(shí)平均功耗:

傳感器:1.4mA  LED: 1.5mA

藍(lán)牙: 廣播狀態(tài):14uA  連接狀態(tài)20uA  關(guān)閉狀態(tài)3uA

電池電量: 1000mAh

Xxxxxxx  待增加如何優(yōu)化和功耗估算公式

    功耗主要消耗在傳感器和LED，藍(lán)牙部分其實(shí)使用占比較少部分。待機(jī)時(shí)，功耗可以低至3uA，理論待機(jī)可以待機(jī)好幾個(gè)月。也可以持續(xù)使用幾周。

作者：LucienKUANG, 多年BLE 和Mesh相關(guān)開發(fā)和支持經(jīng)驗(yàn)，先后開發(fā)過，空氣波壓力治療儀系統(tǒng)，共享單車鎖，自拍桿，點(diǎn)讀筆電子價(jià)簽系統(tǒng)等等嵌入式軟件產(chǎn)品的嵌入式軟件開發(fā)。支持過ST，Dialog等大廠BLE相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)。在我愛方案網(wǎng)的個(gè)人店鋪為“路恩”，有類似的項(xiàng)目開發(fā)需求者歡迎聯(lián)系。 

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