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Linee guida per la progettazione di circuiti Bluetooth
Linee guida per la progettazione di circuiti Bluetooth

I circuiti stampati con tecnologia Bluetooth possono essere problematici con interferenze, perdita di dati e scarsa integrità del segnale se non vengono prese alcune precauzioni. Descriveremo molte regole e linee guida da considerare quando si sceglie la tecnologia Bluetooth per una determinata applicazione e, più specificamente, la si progetta in un circuito.

Numerose applicazioni utilizzano il Bluetooth, tra cui:
  • Segnali utilizzati nei centri commerciali
  • Telai Eddystone per applicazioni di rilevamento industriale
  • Cuffie e prodotti audio / stereo
  • Dispositivi periferici remoti come controller per videogiochi o mouse / tastiere per computer
  • Sistemi domotici
  • Applicazioni di elettronica di consumo wireless tra cui fotocamere, stampanti e telefoni
Ogni applicazione incorpora la stessa tecnologia Bluetooth comune, ma la utilizza in modo diverso e in base al tipo di connessione, spetta al progettista incorporare i principi di base per ottimizzare l'integrità del segnale e l'efficacia complessiva del dispositivo.

Il Bluetooth non è una scelta wireless molto veloce rispetto al Wi-Fi, tuttavia, sta diventando sempre più veloce. Inoltre non fa bene attraverso i muri e altri ostacoli vicini e ha una portata scarsa.

È ancora una buona scelta, nonostante sia un work-in-progress (5.0 è l'ultimo aggiornamento ed è un miglioramento decente rispetto a 4.2). Per la maggior parte, è un'opzione a basso consumo, affidabile, sicura e ampiamente supportata che può essere facilmente implementata su una vasta gamma di piccole periferiche.

Il Bluetooth è in circolazione da oltre 20 anni ed è ancora in evoluzione e sebbene sia migliorato in termini di velocità, potenza, portata, sicurezza e altri attributi nel corso degli anni, sembra avere ancora alcuni degli stessi problemi sin dalla sua concezione a metà- Anni '90, compresa la sua suscettibilità alle interferenze del segnale.

Quindi cosa si può fare dal punto di vista della progettazione PCB per ottimizzare l'integrità del segnale, ridurre al minimo le interferenze e i pacchetti di dati persi?

Ecco alcune considerazioni sulla progettazione dei circuiti Bluetooth e le regole generali:

Utilizzare moduli certificati

1. Se stai incorporando il Bluetooth in un prodotto e disponi di risorse limitate, prendi in considerazione l'utilizzo di un modulo pre-certificato e completamente contenuto per accelerare lo sviluppo e il time to market. Potrebbe comportare un costo leggermente alla fine, ma di solito previene diversi mal di testa che possono derivare dal posizionamento / design dell'antenna e dalla suscettibilità EMI.

Esistono oggi sul mercato diversi moduli certificati a prezzi ragionevoli e la maggior parte incorpora un piccolo processore ARM, come RN4020 o RN4870 di Microchip o BT121 o BGM113 di Silicon Labs. Avere il processore integrato offre maggiore flessibilità e potenza, come il controllo di periferiche semplici tramite GPIO, SPI, I2C, PWM e così via, oltre allo stack Bluetooth.
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Controlla la selezione del tuo dispositivo Bluetooth

2. Assicurati di scegliere un dispositivo Bluetooth appropriato per l'applicazione e che anche l'antenna sia stata adeguatamente dimensionata e sintonizzata.

Se stai cercando una semplice applicazione beacon in cui hai solo bisogno di pubblicizzare posizione o dati in brevi scatti / intervalli, allora potrebbe essere utilizzata una soluzione a basso consumo (Bluetooth Low Energy o BLE), economica con funzionalità e periferiche minime per risparmiare beni immobili a bordo e costi finali.

Se stai cercando una maggiore velocità di trasmissione, streaming audio o scambio di dati Bluetooth, potresti aver bisogno di qualcosa che abbia un po 'più di potenza Tx, una maggiore sensibilità Rx e una velocità di dati più veloce (sebbene rallenti i dati la tariffa può in genere aiutare a ridurre al minimo i pacchetti rilasciati).

Se stai cercando una sorta di chip all-in-one, considera l'utilizzo dei chipset contenenti processori potenti o secondari che includono pin UART, SPI, I2C, PWM, ADC, DAC e GPIO disponibili.

Se stai lavorando a qualcosa fortemente dipendente da una lettura RSSI, assicurati che abbia una risoluzione dB sufficiente sul suo monitor RSSI.

Separare o rimuovere i segnali in rame e i componenti ad alta energia

3. Quando si progetta in un chipset o modulo Bluetooth, mantenere la regione dell'antenna completamente libera da segnali di rame vicini o componenti che trasportano quantità significative di energia (in particolare percorsi di alimentazione che vengono commutati come convertitori boost o buck).

Ciò include anche mantenere l'area (e i livelli di bordo) libera da piani e versamenti di poligoni. La maggior parte dei produttori di chipset Bluetooth fornirà linee guida per il layout da seguire attentamente durante la progettazione del PCB. Se disponi manualmente l'area dell'antenna, utilizza un piano di massa adeguato per mantenere una buona larghezza di banda all'ingresso e assicurati di creare uno spazio sufficiente per la sintonizzazione degli elementi (è necessario un piano di massa per le antenne stampate e in ceramica).

Utilizzare via via cuciture per impedire radiazioni indesiderate dal bordo del PCB in quanto potrebbe penetrare i segnali Bluetooth nelle vicinanze. Se puoi, prova a rendere la forma della scheda ottimizzata per il dispositivo Bluetooth e dove si trova l'antenna, mantenendola sul bordo e lontano dai componenti e dai segnali vicini. Se si utilizzano segnali analogici come Audio, assicurarsi che i piani di massa analogici e digitali siano separati.

Ed è sempre una buona idea proteggere l'elettronica (non l'antenna ovviamente) per evitare l'accoppiamento incrociato e ridurre al minimo il rumore raccolto.
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Note sull'alimentazione

4. Accertarsi che la guida che fornisce alimentazione al modulo o al chip Bluetooth sia pulita e utilizzare i condensatori di bypass (1.0 up) e di disaccoppiamento (0.1uF e 10nF) dove necessario. Sentiti anche libero di usare perline di ferrite sulla power rail che entra nell'area Bluetooth della scheda per rifiutare il rumore ad alta frequenza.

Strumenti e analisi

5. Se stai progettando l'area dell'antenna, assicurati di avere l'attrezzatura adeguata (come un analizzatore di rete) per analizzare e mettere a punto la rete di corrispondenza, oppure considera di inviare il progetto a un laboratorio di test RF di terze parti.

Prendi in considerazione le ostruzioni nel mondo reale

6. Esistono molte cose che possono causare ostruzione o de-tuning durante una connessione Bluetooth, tra cui acqua nelle vicinanze (anche gli esseri umani - siamo fatti principalmente di acqua), oggetti metallizzati, smartphone / tablet, computer, dispositivi che funzionano su la stessa banda ISM come forni a microonde o tecnologie WLAN, fonti di energia, video RF wireless, illuminazione dell'ufficio e telefoni domestici.

È estremamente sensibile alla perdita del segnale anche se accoppiato a distanza ravvicinata (1-2 metri). Se esiste un rischio maggiore che questo tipo di cose influisca sulla qualità del segnale, scegliere un dispositivo di potenza superiore e operare a una velocità inferiore per ridurre al minimo la caduta dei pacchetti. Oppure, se l'elettronica si trova all'interno di un contenitore, assicurarsi che i materiali metallizzati siano ridotti al minimo e lontani dal modulo BLE. La relazione tra intensità del segnale Bluetooth e distanza non è una relazione lineare. In realtà, è molto non lineare e in qualche modo imprevedibile in base all'ambiente circostante, ma segue uno schema generale (mostrato sotto).
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Sia che tu stia progettando un modulo Beacon piccolo e semplice o un hub Bluetooth con flusso di dati e fame di energia, seguire queste considerazioni potrebbe farti risparmiare un sacco di mal di testa durante la fase di test / implementazione del design.

Con l'espansione dell'assemblaggio di PCB Bluetooth , è un momento entusiasmante per integrare la comunicazione wireless e il controllo nei prodotti, e il futuro porterà solo componenti Bluetooth più piccoli, più veloci, più economici e più forti.

Alla JHY PCB, siamo entusiasti di aiutare a realizzare questi nuovi concetti. La collaborazione con un produttore esperto di produzione di PCB e assemblaggio di PCB con ingegneri che hanno relazioni di lunga data con i fornitori di componenti è fondamentale per il successo delle prossime esigenze di fabbricazione e assemblaggio di PCB Bluetooth.

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