2018年02月19日 | 低功耗蓝牙与专有射频技术在HID的应用概述

 随着各种无线技术的不断增加，更复杂的集成了无线技术的人机接口设备(HID)来到市场上 (无线键盘，无线鼠标，等等)。尽管无线标准体现出了其优势，但他们也带来了设计的复杂性和其应用增加的不必要开销，这导致系统成本提高了。另一方面，专有协议使开发者在定制应用方面更灵活，开发步骤更简洁。这篇文章就HID市场上的低功率蓝牙技术和专有协议进行了比较。
 
选择PC HID射频的关键是成本，功耗，可靠性(安全)，速度(吞吐量)，和易于设计。一般来说，市场上标准协议比专有协议更具有竞争力，这是由于其设备之间的互通性。然而，直到2009年，在PC HID方面，只有专有协议占据了市场。这主要归因于没有任何无线标准对PC HID市场来说在成本、功耗和效率方面是最优的。
 
先看一下低功率蓝牙技术，它是针对低功率应用和PC HID市场开发的。基本速度(BR)和低功率(LE)蓝牙都支持设备发现、连接建立和连接机制。低功率蓝牙还可以进行特色设计，可以设计出比BR蓝牙更低功耗，更低复杂性，以及更低成本的产品。
 
成本
无线HID市场对价格要求是相当严格的，MCU担任了射频基带控制器，需要有足够的闪存来保存无线协议栈。因为低功率蓝牙是一个标准，其堆叠代码大小远比专有协议大得多，从而要求更大的闪存，这会致使成本增加。无线HID市场一直被专有协议占有，因为他们协议栈小。
然而，专有网络需要外部的桥连接到PC 或主机，以便他们可以和网络中的其他设备通话。蓝牙技术在大部分的个人电脑和手机中比较常见，这些设备会有一个完整的双模式蓝牙桥 (BR和LE)，以后将不需要外部的桥。
 
功耗
和基本速率蓝牙不同，低功率蓝牙是一种“always-off”技术规范，在一个最大3 ms的数据传输应用中，一般不会超过20mA的峰值电流，在纽扣电池应用中不会超过15mA。这使得小型设备（例如手表和运动传感器）可以使用一个小纽扣电池就可以实现多年的电池寿命。然而，支持蓝牙和低功率蓝牙的双模实现，将共享现有蓝牙的物理收发器件和天线，由于要遵循标准的蓝牙技术，所以要保持同样的功率消耗。
由于功率消耗比较是有挑战性的，所以专有射频芯片制造商通常在datasheet上不披露功耗。因此开发人员必须使用实验板的设置和他们各自的固件测试环境来获得自己想要的功率消耗数据。
 
可靠性和安全性
在2.4GHz干扰的鲁棒性，是指能够可靠地与802.11b/g，蓝牙，WirelessUSB，以及一系列的无绳电话和微波炉共存。一些专用的射频器件例如CYRF6936可以使用直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)传输，低功率蓝牙只采用了跳频技术，这和所有版本的蓝牙技术相同。DSSS可以确保数据的鲁棒性，一旦干扰太大了FHSS允许无线电信号马上跳到一个新频道。不支持DSSS也是蓝牙相对于专有协议一个缺点，因为专有射频可以并存在噪声环境中，不必非得跳到一个比较安静的频道。低功率蓝牙提供完整的AES-128加密技术，可以对数据包进行强好的加密和验证。与此同时，这消耗了大量的数据包。为了确保系统的稳定和可靠，开发人员要根据设备的硬件能力和应用要求的安全级别来选择现有的专有协议还是标准协议（如蓝牙）。对于某些应用场合，如无线鼠标，安全不是必需的。
 
速度/吞吐量
低功率蓝牙支持1Mbps的数据速率，这足以满足无线HID的应用。然而，由于额外的开销，实际吞吐量仅仅是256kbps。专有协议只有较低的数据包消耗，这就可以支持更高的吞吐量。对于需要更高的有效吞吐量应用，低功率蓝牙就不如专有标准了。
 
认证
对于任何蓝牙兼容设备来说认证都是必需的，并且要预先得到蓝牙技术知识产权许可。认证过程增加了产品的设计周期，同时增加了成本和潜在的量产延迟。在使用专有协议的情况下，许多厂商都提供了自己的认证规范，这方面几乎是免费的，所以产品开发人员可以在自己的终端评估协议，开发费用和时间都可以减到最小。
 
应用
使用专有射频，任何应用都可以很容易地修改协议。使用这种方法，可以通过改变输出功率水平，应用就可以修改来适应环境，工作在具有更好鲁棒性的通讯方式下，或可以移动到一个比较安静的环境来通讯。
 
在市场遍布窄带，本地，专有技术等连接解决方案的情况下，低功率蓝牙技术本身有其不同之处:
 
*易实现和多厂商的互通性
*超低的峰值电流，平均功耗和空闲模式功耗
*低成本集成
*电源处理
*接口阻抗
 
虽然低功率蓝牙对于很多种应用都看起来像一种不错的技术，但是在HID应用采用这个技术之前，有一些存在的问题需要行业解决。当然，它不需要外部的桥，这是它的优点。但是，当电子行业准备集成双模式蓝牙收发时就会遇到问题。把双模式/单模式收发集成到host，也同样会产生蓝牙技术和WiFi、WiMax、典型蓝牙设备、以及其他2.4 GHz技术共处的问题，。这对开发人员来说可能是一个巨大的挑战，除非有了这样的芯片，暂时的解决办法就是用一个外部桥和pc一起工作。由于低功率蓝牙仍是在开发阶段，所有应用轮廓都还没有最终确定，这将在相当长的时间内影响低功率蓝牙应用到无线HID领域。
 
虽然蓝牙技术是一个标准的协议，但它在绑定方法上的缺点也是不可避免的。例如，假设一个教室环境，这里有许多学生都使用蓝牙鼠标，并且所有人都试图让他们的鼠标同时绑定在各自的pc机上。这时候可能发生交叉捆绑的情况，一只鼠标跟别的电脑捆绑了，而不是在应该捆绑的那个。那些专有协议例如赛普拉斯半导体的方案就会避免这些问题，可以使用KISS (Keep It Simple Solutio)绑定，厂商绑定，和自动绑定技术。如果开发人员试图使用低功率蓝牙用到这类HID应用的话，他们需要自己实现类似的绑定方法。
 
就像任何其他产品一样，适应应用是成功的关键。低功率蓝牙具备低成本、低能耗的特点，似乎在无线HID市场是一个好的方案。然而，当低功率蓝牙吸引许多公司进入无线HID市场的同时，它又不可能成功，除非它实现了并且超过了专有协议早在十年前就已经成功实现了的特性。