藍牙標準的最新版本Bluetooth 5將提供廣泛的增強功能，例如更長的距離，更高的速度以及對無連接服務的擴展支持。這是對當今藍牙4.2技術的重大升級，并將為智能環境開辟新的物聯網應用。

此舉使公司和開發人員能夠實現可訪問，可互操作的物聯網。新標準通過將數據速率降低到500 Kbps和250 Kbps來指定具有現有設備范圍四倍的模式，以允許在家中可靠地使用更多傳感器。該范圍不僅允許控制器和傳感器之間的距離更遠，而且還為終端設備提供更強大的鏈路。它還允許兩倍的數據速率達到2 Mbps，以便從監視器或無線揚聲器獲得更高質量的音頻流，從而改善用戶體驗。

市場研究估計藍牙將超過三分之一到2020年所有已安裝的物聯網設備，由智能手機中無處不在的實施作為控制器驅動。然而，智能手機中作為控制器或用于流式傳輸到無線耳機的藍牙5芯片的要求與物聯網的要求非常不同。這些物聯網應用還需要更復雜的電源管理，以最大限度地延長系統的電池壽命，因此優化的DC-DC轉換器是SoC中越來越常見的元件。

現在交付給芯片設計人員的設計可以容納物聯網SoC設備的要求。例如，RivieraWaves藍牙IP平臺由硬件基帶控制器，數字調制解調器和詳細的軟件協議棧組成。堆棧包括直到GAP/GATT的鏈路層以及一組服務和配置文件。 Riviera技術已經用于恩智浦前幾代藍牙4.2設備，如MKW31Z256。

圖1：由開發的藍牙5 IP RivieraWaves用于物聯網的片上系統設備。

硬件基帶控制器以Verilog IP包的形式提供。它執行分組編碼/解碼和幀調度，并由硬件AES128加密引擎補充。軟件堆棧作為C代碼IP包提供，包含鏈路層，L2CAP，ATT，SMP，GAP/GATT，服務和配置文件，可由芯片開發人員修改。

圖2：RivieraWaves的藍牙5 IP協議棧。

BLE模式與藍牙雙模式不同，藍牙雙模式協議棧包括智能手機中的行業標準HCI接口。靈活的無線電接口允許平臺與RivieraWaves RF IP或各種合作伙伴的RF IP一起部署，從而實現鑄造和工藝節點的最佳選擇。

另一家IP供應商Mindtree與德克薩斯州合作將藍牙4.2堆棧放入CC1350處理器的儀器。它將靈活的低功耗RF收發器與48MHzARM?Cortex?-M3微控制器相結合，專為多個物理層和RF標準而設計，使藍牙5的升級變得相對簡單。用于無線電的2 Mbps GFSK調制方案可顯著提高用戶的系統吞吐量，并且在硬件中實現相對簡單。

堆棧在專用Cortex-M0上運行，作為處理的無線電控制器存儲在ROM或RAM中的低級RF協議命令。用于物聯網的傳感器可由專用的自主超低功耗控制器處理，該控制器可配置為處理模擬和數字傳感器，允許主Cortex-M3內核保持睡眠模式。電源，時鐘管理和無線電系統需要通過軟件進行特定配置和處理才能正常運行，這已在專用的實時操作系統（TI-RTOS）中實現。這也將被更新以包括藍牙5的新功能。

這包括將廣告包擴展到237字節，這打開了用于廣告的數據信道，并且還引入了周期性廣告的概念。

Mindtree還與Synopsys合作，為4.2on TSMC的55 nm和180 nm工藝開發完整的藍牙智能IP設計。這將Synopsys物理IP與Mindtree的BlueLitE鏈路層和軟件堆棧IP相結合，為芯片設計人員提供了完整的BLE模塊，可最大限度地降低面向物聯網應用的超低功耗片上系統（SoC）的風險和集成難題。 Synopsys的PHY IP工作電壓低于1伏電源，可延長電池壽命，并具有集成的天線匹配網絡，可確保天線與信號源之間的正確信號傳輸，從而降低外部元件成本。

藍牙5現在正在設備中實施。例如，Nordic Semiconductor的nRF52系列SoC器件是一系列超低功耗多協議SoC，采用32位ARM Cortex-M4F內核，1 MB閃存和256 kB RAM片內存。最新的嵌入式2.4 GHz收發器支持所有硬件中的Bluetooth5低能量數據速率，從新的2 Mbps和現有1 Mbps速率到500 kbps和125 kbps的藍牙5長距離速率。該無線電支持高分辨率RSSI測量和自動功能，以減少CPU負載，包括EasyDMA，用于分組數據和裝配的直接存儲器訪問。 Nordic還直接為藍牙5低能量提供協議棧 - 這些棧稱為SoftDevices，而n40F52840則由S140 SoftDevice支持，這是一個藍牙5預先認證的藍牙低功耗協議棧。

圖3：Nordic Semiconductor的nRF52開發板將允許評估最新的藍牙5設備。

許多現有的藍牙4.2設備已被評估考慮到下一代設計，物聯網SoC中的藍牙元件可以是芯片設計中相對較小的一部分。例如，在Cypress Semiconductor的CYBL11573中，大部分芯片專門用于外設處理，如圖4所示。

圖4：賽普拉斯半導體公司的大部分CVBL11573專門用于物聯網應用中所需的傳感器管理。

SoC的BLE子系統由鏈路層引擎和物理層組成。鏈路層引擎支持主角色和從角色，并實現時間關鍵功能，例如硬件加密以降低功耗，并提供最小的處理器干預和高性能。關鍵協議元素，例如主機控制接口（HCI）和鏈路控制，在固件中實現。這些是藍牙5實現中發生變化的元素。

物理層也會更改以處理更高的2 Mbps數據速率。這已經使用GFSK調制，在將這些BLE分組的數字基帶信號通過天線發送到空中之前將其轉換為射頻。在接收方向上，該塊在執行GFSK解調之后將來自天線的RF信號轉換為數字比特流。 RF收發器包含一個集成的平衡 - 不平衡轉換器，它提供一個單端RF端口引腳，通過π匹配網絡驅動50Ω天線端子。輸出功率可在-18 dBm至+3 dBm范圍內編程，以優化不同應用的電流消耗。

同樣，Silicon Labs的EFR32MG系列藍牙控制器可升級至藍牙5.目前的系列使用40 MHz ARM Cortex-M4內核，具有可擴展的內存和無線電配置選項，均使用與腳印兼容的QFN封裝。與其他物聯網實施一樣，12通道外設反射系統可實現外設的自主管理，而集成的2.4 GHz巴倫和功率放大器可提供高達19.5 dBm的發射功率。

結論

隨著2017年初藍牙5的推出，芯片開發商正在采用多種方法來提供針對物聯網的片上系統設備的功能。使用來自RivieraWaves或MindTree等供應商的物理和軟件IP可以讓開發人員專注于額外的外圍設備和芯片的電源管理，同時降低風險。其他人正在尋求在SoC設計中緊密集成藍牙5功能，以增加額外功能或減小芯片尺寸。

這兩種方法都為物聯網節點設計人員提供了新功能。其低功耗，更長的范圍和更高的數據速率使藍牙5嵌入式開發人員能夠輕松地為其物聯網設備添加更復雜的無線連接。