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单芯片蓝牙无线键盘的设计及可选方案对比分析

上网时间:20067
文章来源:电子工程专辑
作者:Richard Nass

Broadcom looks like to be interested in flooding the market with lower-cost Bluetooth keyboards. The Broadcom IC, the BD2040, acts as both the Bluetooth transceiver and the keyboard controller. And the company intends to do everything inside the chip to bring down the cost. One noticeable flaw with this keyboard can be found, but there are also trade offs involved in alternative approaches.

基于微软蓝牙技术的键盘的整个系统基本上只有一个关键器件——Broadcom蓝牙控制器。这款IC兼有蓝牙收发器和键盘控制器双重功能,还集成了键盘扫描接口,负责处理与按键有关的阵列信息。但基于该IC的无线键盘有一个显著缺憾,若短间时内没使用,再次敲击按键时,不会立刻就有响应。虽然除了Broadcom的方案,也还有其它可选方案,但这些可选方面也有各自局限所在。

撰写有关设计揭密的文章时,我通常会挑出被拆解系统的关键器件供应商,并由此与相关供应商的工程师讨论各种设计问题。不过,对基于微软蓝牙技术的键盘的拆解却显得与众不同,因为整个系统基本上只有一个关键器件——Broadcom蓝牙控制器。

Broadcom的初衷是使键盘(和鼠标)的设计尽可能简单。从市场角度来看,Broadcom并未将心思放在新奇的高端无线键盘上,其兴趣点在于促成较低成本的蓝牙键盘大量上市,进而催热蓝牙市场。目前,采用Broadcom控制器的键盘(与蓝牙鼠标一起交付)市场售价约为100美元,而Broadcom希望这个价格能够降至60美元。

该键盘的工业设计由微软完成,它设计用于替代此前电池寿命短得多的型号。该键盘中采用的Broadcom BCM2040 IC是一款单芯片蓝牙器件,兼有蓝牙收发器和键盘控制器双重功能。这款IC符合蓝牙1.2规范,支持人机接口设备模式(HID)。该芯片采用了通过标准降压CMOS技术实现的高性能2.4GHz射频部分,其专有的自校准VCO架构可提供极佳的相噪性能,并支持整个频段的快速跳频技术。

 

3BCM2040兼有蓝牙收发器和键盘控制器双重功能

该芯片集成了所有的滤波器,通过自校准可自动补偿温度变化。它集成了片上8051处理器和RAM/ROM存储器、完全支持152个按键和用户自定义热键的键盘扫描接口、低压降(LDO)稳压器,还集成了正交信号解码器,可同时支持滚珠式及光电鼠标设计。这种高集成特性对于降低系统成本而言至关重要。

“BCM2040是一款蓝牙控制器,但我们针对键盘应用进行了量身设计,”Broadcom负责蓝牙芯片的产品经理Tom Ramsthaler表示,“我们致力于使用单颗芯片完成所有功能,以此降低成本。所以,当你拆开键盘时,在里面就看不到太多东西。而继BCM2040之后,Broadcom还推出了支持蓝牙2.0版规范的BCM2042芯片。它在BCM2040高集成度的基础上,还进一步集成了用于存储蓝牙地址和配置数据的8KB非易失性闪存,以及用于支持外部传感器的开关稳压器。

无线键盘的一个关键问题是功耗。研究显示,用户希望无线键盘能使用68个月的时间,而不用更换电池。Broadcom的无线键盘与竞争产品一样,使用两节AA电池供电。而BCM2040中的蓝牙基带内核进行了优化,可延长电池使用时间。在正常使用条件下,微软的设计能达到7个月的电池使用寿命。Broadcom声称,若采用BCM2042芯片,电池使用寿命可进一步延长。

设计缺憾

采用BCM2040的无线键盘的设计过程包括:开发按键扫描接口,增添一个额外的晶体(成本约35美分)、一个E2PROM(成本约1520美分)、若干电阻和电容,以及一只电感。但该无线键盘有一个显著缺憾:若短时间内没使用键盘,当你再次敲击按键时,键盘不会立刻就有响应。这是因为,若在预设时间内没有使用键盘时,键盘将进入休眠状态;所以,再次启用时,键盘需要与计算机主机重新建立蓝牙连接。系统为按键安排了缓冲,所以敲击按键时,需要一两秒钟时间来唤醒主机,”Ramsthaler表示,键击信息会传送至主机,但会有约一秒钟的延时。

在休眠状态下,该无线键盘的功耗为1020微安。这就允许你走离计算机很长、很长时间,返回时电池仍能正常使用。当然,设计人员可以选择使键盘始终处在消耗约300400微安电流的上电状态,这样可以省去重新建立蓝牙连接的时间(以及相关延时),但这种方案会大幅缩短电池使用寿命。

主要优势

以用户可承受的方式将蓝牙技术引入台式电脑应用,除了无线键盘(和鼠标)以外,还催生了其它的一系列市场,可能(也应该)包括:打印机、MP3播放器、PDA、移动手持设备等。而BroadcomBlink软件极大地简化了PC与手持设备间的链接,可帮助蓝牙技术在这些领域的发展。

1:采用Broadcom的单片BCM2040 IC,简化无线键盘设计


2Broadcom提供基于其蓝牙无线键盘控制器的参考设计

此外,蓝牙技术的部分成本也能够降低。例如,若PC本身支持蓝牙,则键盘可以不带蓝牙适配器。对手持设备或PDA来说,蓝牙虽增加了成本,但省去了USB连接和底座(cradle)的开销。

Broadcom声称,其参考设计省去了设计师大部分繁复工作,其中就包括省去了美国联邦通信委员会(FCC)的预测关。所以,Broadcom称,如你自己仍需打通预测关,若采用Broadcom的参考设计就可确保你能顺利过关。

可选方案对比分析

Broadcom方案不同,另一种可选方案需要两片IC:一片用于蓝牙连接,另一片用于键盘控制。某些键盘生产商选用了这种包含两片IC的方案,部分原因是该方案能支持更为标新立异的设计。除了增加一片IC,这种设计可能还需要外接闪存,以对固件进行定制。但由于Broadcom方案整合了全部所需固件,所以只需外加一片通过串口连接的E2PROM即可。

键盘设计师也可以选择另一种替代方案,即采用诸如27MHz设计这样的专有无线方案。这种替代方案只需一个晶体、一片低成本的处理器和四五只晶体管,原材料成本(BOM)仅约90美分。这种方案价格更便宜,但也有其局限所在。

举例来说,蓝牙采用跳频技术。所以,同一间教室内的每位学生都能使用蓝牙鼠标和键盘而不会产生干扰;而在27MHz系统,将遭遇干扰问题。当然,你可以为这些便宜的系统增加一个安全层,但同时也会抬高成本。相对而言,采用蓝牙技术的无线键盘就没有这个必要,因为操作系统本身预置了128位加密任务。除了干扰问题,27MHz方案也存在另一处局限。27MHz系统作用距离一般为约34英尺(0.91.2);而蓝牙方案的作用距离则可轻易地扩至30英尺(9)

 

 

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