单芯片蓝牙无线键盘的设计及方案对比分析

2011-04-14 21:23:45来源: 电子工程专辑

  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。


图3:BCM2040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6到8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15到20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10到20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300到400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Broadcom的Blink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。


图1:采用Broadcom的单片BCM2040 IC,简化无线键盘设计


图2:Broadcom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

  与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3至4英尺(约0.9至1.2米);而蓝牙方案的作用距离则可轻易地扩至30英尺(约9米)。

关键字:单芯片  蓝牙  无线键盘

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0414/article_5403.html
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