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芯片nRF52840蓝牙的5.0远距离是怎么实现的?

2021-06-04 16:02
一口Linux
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一、nRF52840蓝牙芯片简介

自从nordic在2018年强势推出nRF52840这颗重磅级芯片后,蓝牙5.0技术开始在业界流行起来,随后蓝牙5.0技术开始成为了各大品牌的旗舰手机标配功能。

1. 芯片优势

这个芯片最强大的优势就是低速远距离模式,及LE_CODED。

官方宣称最远能实现300米的传输距离,在开启低速(125kbps/s)远距离模式的情况下,并把发射功率调到最大8db。

但是更让人吃惊的人有一次我和同事用在某宝买来某蓝牙模块商家自己设计的52840蓝牙开发板进行远距离测试,我们的测试方法是用两块开发板一块用来当从机角色,以200ms的广播间隔不停的对外广播,另一块用来当主机角色,不停的扫描蓝牙5的广播包,扫描成功后就用串口把数据发送到笔记本的串口调试助手里。

通过在比较空旷的地带,我们实现了最远400多米的距离还能断断续续的扫描到蓝牙5的广播包。

2. 那么蓝牙的5.0远距离是怎么实现的呢?

答案是编码的方式!

通过一个二分之一码率和八分之一码率的代码,其中,二分之一码率的代码在500kbps下,提供了大约4-5dB的灵敏度以及接近两倍的范围;至于八分之一码率的代码则可以125kbps下达到12dB的灵敏度,并将传输距离扩大至四倍。

这种实现远距离传输的方式与LORA扩频有异曲同工之妙!

蓝牙天线一般可以采用板载PCB天线,贴片陶瓷天线,和棒状天线。其中PCB天线天线实现起来成本最低,是目前普遍的一种实现方式,而贴片陶瓷天线是最节省模块尺寸面积的一种方式,棒状天线是信号增益和数据传输最可靠的一种方式,各位可以根据自己的实际需求选择适合自己应用场景的天线种类。

3. 芯片特点:

nRF52840芯片特点:

● 支持Thread无线通信协议

● 支持蓝牙5.0,支持多协议

● 支持蓝牙5.0的数据速率:2Mbs,1Mbs,500kbs,125kbs

● 32位ARM Cortex M4F 处理器,64MHz时钟

● 高速2Mbs数据速率

● 高达104dB的链路预算

● 全速12Mbs USB控制器

● 片上NFC-A标签

● 独立于协议栈之外的应用程序开发

● 输出功率-20dBm ~ 8dBm

● 接收灵敏度-96dBm

● 与nRF52、nRF51、nRF24L、nRF24AP系列空中包兼容

● ARM TrustZone Cryptocell 310密码加速器

● 宽供电电压范围:1.7v ~ 5.5v

● SPI/UART/PWM接口

● 32M高速SPI接口

● 所有的数字接口都支持EasyDMA

● 12bit/200k SPS ADC

● 128位AES/ECB/CCM/AAR协处理器

● 单端天线输出(片上balun)

● 片上DC-DC降压变换器

● 正交解码器(QDEC)

● 所有的外设模块都支持独立电源管理

● 为外部元器件提供高达25mA的稳定电流

nRF52840是一种先进的、高度灵活的单芯片解决方案,它的设计为蓝牙5的主要功能进步做好准备,并利用了蓝牙5增强的性能,包括远程和高性能。

nRF52840为CortexTM-M系列增加了最佳的安全级别,并配备了片上ARM密码加速器。

nRF52840采用与现有nRF 52系列SoC相同的硬件和软件架构。其核心是ARM Cortex-m4处理器,它允许更快、更高效地计算复杂。

功能的DSP和那些需要浮点数学。FLASH和RAM都有广泛的内存可用度,分别为1MB/256KB。

Cortex-M4与浮点和内存可用性的结合为真正的单芯片应用程序提供不错的功能。片内集成全速(12Mbps)USB2.0控制器。

广泛的外围设备可利用能够与许多高性能的数字接口,如高速SPI(32MHz)和四电平SPI(32MHz),允许直接接口到显示器和外部存储源。

nRF52840从5.5V到1.7V供电电压,允许从充电电池和USB电源直接供电。NRF52840已经准备好利用蓝牙5规范的到来对蓝牙LE的相当大的性能改进。

最重要的是支持范围更广(与蓝牙4.x相比最多可达x4),空中数据速率翻了一番,从蓝牙4.x中的1Mbps提高到2Mbps。

无线网络支持802.15.4物理层和MAC层,适合于使用802.15.4的其他堆栈,如Zigbee。它既支持蓝牙5的远程功能,也支持蓝牙5的远程功能。

还有802.15.4,它已经是家庭网络协议的一种流行技术。

最大输出功率为8dBm,可实现>111dBm的总链路预算。NRF52840具有片上ARMCryptoCell310密码硬件加速器。

CryptoCell提供了广泛的密码和安全功能,用于将实体安全构建到应用程序中从头到尾。

CPU在软件中执行的等效操作相比,使用CryptoCell还可以使相关的安全操作运行得更快,使用的处理时间和功率也更少。

4. 内部模块图:

Block diagram5. 芯片引脚参考电路

以上是nordic官方提供蓝牙最小系统原理图,这里需要特别强调的是这颗芯片供电方式。52840内部集成了高性能的电源管理芯片PMU和电压调节器。

可以支持LDO和DC-DC方式对CPU和射频部分进行供电,LDO方式电压纹波最小能带来更好的射频性能,但是其电源效率较低,不适合对功耗要求特别高的场合。

DC-DC方式正好弥补了LDO方式的缺点,但是其纹波较大,但是在芯片外围需要添加LC振荡电路进行滤波。

官方提供的工程代码框架默认使用的是LDO供电方式。以下就是52840电源模块示意图:

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