0 引言
低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy，BLE)作为一种短距离无线数据传输技术，具有技术先进、标准开放、协议完备、功耗低等优点[1-3]，逐渐应用于煤矿通信领域，可为煤矿安全生产提供可靠数据保障[4]。
煤矿电气设备可通过集成BLE模块，实现BLE通信功能[5]。但在集成设计过程中，需要根据BLE模块的能耗特征设计电源保护电路、计算电池容量，因此研究BLE模块能耗特征至关重要[6-7]。供电电源输出电压恒定时，BLE模块的工作电流可直接反映其能耗。因此，一般采用测量工作电流的方法获得BLE模块能耗特征。邹向阳等[8]使用直流电源分析仪测量基于BLE技术的无线传感器节点设备的工作电流，测量精度较高，但测量仪器成本高。在缺少专用测量仪器的条件下，通常采用回路电阻测试方法[9-11]，即在BLE模块的供电回路中串联采样电阻，利用示波器测量采样电阻两端的电压，并根据欧姆定律将电压换算为回路电流，即BLE模块工作电流。但该方法中若采样电阻过小，则电压峰值小，不利于测量；若采样电阻过大，对供电回路整体特性影响较大，且电压信号纹波较大，无法准确获得BLE模块能耗。因此，本文基于高端电流监测芯片ZXCT1010对BLE模块工作电流进行测量，所需采样电阻小，对供电回路影响程度低，测量较准确，可为BLE模块的集成应用提供有效的参考依据。
1 测量方案
1.1 BLE模块
本文测量的BLE模块是采用Kinetis KW31Z无线MCU设计的BLE4.2制式的从机节点模块，其间歇工作模式中的广播周期设定为100 ms、连接周期设定为50 ms。KW31Z是集成2.4 GHz射频(Radio Frequency，RF)收发器、支持FSK/GFSK和O-QPSK调制的ARM Cortex-M0+处理器。BLE模块引出输入电源、UART和I/O等信号接口，易于集成到电气设备中[12-13]，如图1所示。电气设备的MCU通过UART接口与BLE模块通信，使用AT指令控制BLE模块复位、初始化、广播和收发无线数据，实现BLE从机节点功能。智能手机等蓝牙主机设备扫描BLE从机节点，发起连接，配对成功后可与其进行无线数据交互。
1.2 测量原理
ZXCT1010是低成本、高精度高端电流监测芯片，工作电压为2.5～20 V，最小工作电流为4 μA。基于ZXCT1010的测量电路结构如图2所示。
图1 BLE模块集成原理
Fig.1 Principle of BLE module integration
图2 基于ZXCT1010的测量电路结构
Fig.2 Measurement circuit structure based on ZXCT1010
通过直流稳压电源获得可调的供电电压Vin，采样电阻Rsense上通过的电流为BLE模块工作电流I，Rsense上形成的压差经ZXCT1010放大后由输出电阻Rout转换为示波器检测电压：
Vout=0.01IRsenseRout
(1)
由式(1)可知，Vout与I呈线性关系，当供电电压恒定时，Vout波形可反映BLE模块工作电流的变化。
选择较大的Rsense可获得更高的小电流测量精度，但Rsense过大会引起供电电压降低[14-15]。为减少电压损耗并保持较高测量精度，Rsense取值为0.5 Ω，Rout取值为10 kΩ，并代入式(1)，可得
(2)
2 结果分析
利用示波器采集BLE模块工作在复位、初始化、广播、连接等状态时的Vout波形，如图3所示。从图3可看出，BLE模块进入广播状态后，每100 ms出现1组尖峰，与BLE4.2协议规定的BLE模块间歇工作模式和设定的广播周期相符。因此，尖峰波形可对应BLE模块在RF收发时产生的工作电流，尖峰之间的波形可对应BLE模块在RF静态时产生的工作电流。
图3 不同状态下Vout波形
Fig.3Voutwaveform under different states
BLE模块的复位状态和初始化状态仅在启动时出现1次，BLE模块启动后仅工作在广播和连接2种状态，因此本文重点分析BLE模块在广播和连接状态下的能耗特征。
BLE模块初始化完成后定时向外广播，每次广播时会在3个独立的广播信道上发送相同的报文，以待被蓝牙主机设备扫描发现。广播状态下Vout波形如图4所示，按广播周期出现的3个尖峰反映了BLE模块的1个广播事件所对应的工作电流变化。
图4 广播状态下Vout波形
Fig.4Voutwaveform under broadcasting state
将3个广播信道的广播过程放大，如图5所示，每个广播信道上的广播过程也反映了工作电流存在变化，这是由BLE模块的RF收发器从RF发送状态(发送广播信号)切换到RF接收状态(等待连接信号)造成的。根据图5可得每个广播事件的Vout峰值和在每个信道上的持续时间(约1 ms)。
图5 单个广播事件的Vout波形
Fig.5Voutwaveform of single broadcasting event
蓝牙主机设备连接BLE模块成功后，BLE模块由广播状态进入连接状态，对应的Vout变化如图6所示。可看出BLE模块在广播状态和连接状态下的Vout信号峰值无显著变化，而间歇工作周期由100 ms变为50 ms，与设定的连接周期相符。
图6 从广播状态到连接状态时Vout波形
Fig.6Voutwaveform from broadcasting state to connection state
BLE模块在连接状态下，所有数据交互均通过定时的连接事件完成。连接状态下，BLE模块有/无数据传输时Vout波形如图7所示。从图7可看出：每个连接周期内都会发生1次连接事件，这是由于即使BLE模块与蓝牙主机设备之间无数据传输，主从机之间也需要进行1次通信，以确保连接有效；无数据传输时，单个连接事件的RF收发持续时间大约需1 ms；有数据传输时，按照BLE4.2协议规定，BLE模块每帧最多发送251字节，发送速率为1 Mbit/s，单个连接事件的RF收发持续时间约增加2 ms；在连接事件之间的RF静态时间段内，Vout信号纹波增大，这是由BLE模块的UART通信、I/O输出高电平信号造成的，信号纹波增大的持续时间由UART通信数据长度、I/O输出持续时间决定。
图7 连接状态下Vout波形
Fig.7Voutwaveform under connection state
通过测量RF收发和RF静态时的Vout信号峰值，按式(2)计算可得BLE模块工作电流，见表1。从表1可看出：RF收发时工作电流较大，RF静态时工作电流较小；RF收发时工作电流和RF静态时工作电流受RF功率变化影响小，但受供电电压变化影响较大，即供电电压越高，工作电流越大。
3 结论
(1)BLE模块在RF收发时的能耗较大，且RF收发持续时间短，在RF静态时的能耗小，且RF静态持续时间长；BLE模块能耗受RF功率变化影响小；供电电压越高，BLE模块各运行状态下的工作电流越大、能耗越大。因此，BLE模块集成应用时，应提供合适的供电电压，但无需限制RF功率。
(2)根据BLE模块能耗特征，可从以下方面进一步优化BLE模块能耗：① 通过增大BLE模块的广播周期和连接周期，可减少广播事件和连接事件的发生频次，从而降低BLE模块能耗。② 通过使无线MCU的ARM内核休眠，关闭无线MCU的UART和I/O等外设，可大幅降低BLE模块能耗。
表1 BLE模块工作电流
Table 1 Working current of BLE module
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