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單晶片藍芽無線鍵盤的設計及可選方案分析

上網時間: 2006年07月27日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線鍵盤  藍芽  控制器  單晶片  BD2040 

當撰寫有關設計揭密的文章時,我通常會挑出被拆解系統的關鍵元件供應商,並由此與相關供應商的工程師討論各種設計問題。不過,對基於微軟藍芽技術鍵盤的拆解卻顯得與眾不同,因為整個系統基本上只有一個關鍵元件─Broadcom公司的藍芽控制器

Broadcom的初衷是使無線鍵盤(和滑鼠)的設計盡可能簡單。從市場角度來看,Broadcom並未將心思放在新奇的高階無線鍵盤上,其興趣點在於促成較低成本的藍芽鍵盤大量上市,進而帶動藍芽市場。目前,採用Broadcom控制器的鍵盤(與藍芽滑鼠一起提供)市場售價約為100美元,而Broadcom希望這個價格能夠進一步降低至60美元。

該鍵盤的設計由微軟完成,主要用來替代之前電池使用壽命短得多的無線鍵盤。Broadcom的BD2040 IC兼有藍芽收發器和鍵盤控制器雙重功能。該晶片還整合了鍵盤掃描介面,負責處理與按鍵有關的行列資訊。

“該晶片是一款藍芽控制器,但我們針對鍵盤應用進行了量身設計,”Broadcom負責藍芽晶片的產品經理Tom Ramsthaler表示。“我們致力於使用單顆晶片完成所有功能以降低成本。所以,當你拆開鍵盤時,在裡面就看不到太多東西。”



圖1:採用Broadcom的單晶片BD2040IC簡化了無線鍵盤設計



圖2:Broadcom提供基於其藍芽無線鍵盤控制器的參考設計

該無線鍵盤的設計過程包括:開發按鍵掃描介面,增添一個額外的晶體(成本約35美分)、一個E2PROM(成本約15到20美分)、若干個電阻和電容器,以及一個電感。針對該藍芽控制器進行量身設計,意味著增加人機介面(HID)協議子集(profile),該協議子集是藍芽標準的一部份。鍵盤工作所需的全部藍芽軟體就是該協議子集。

無線鍵盤在使用時的一項關鍵問題是功耗。研究顯示,用戶希望無線鍵盤能使用6到8個月的時間,而不用更換電池。Broadcom的無線鍵盤與競爭產品一樣,使用兩節AA電池供電。在正常使用條件下,微軟的設計能達到7個月的電池使用壽命。而Broadcom則聲稱,若採用其新近發佈的BD2042晶片,電池使用壽命可進一步延長。

設計缺憾

就藍芽支持者的角度來看,藍芽滑鼠和鍵盤是新型電腦的必要配備。因此桌上與筆記型電腦將藍芽列為標準元件已成為一種新趨勢,同時也有助於建立藍芽成為短距無線連結的預設平台。而憑藉著低功耗和低干擾等特性,未來藍芽在PC領域的應用除了無線鍵盤與滑鼠外,還可拓展至無線耳機、電話、PDA和印表機,甚至網路電話上。

然而,儘管藍芽提供了諸多使用上的便利性,但該無線鍵盤仍具有一個顯著缺憾:若短間時內沒使用鍵盤,當你再次敲擊按鍵時,鍵盤不會立刻就有響應。這是因為若在預設時間內沒有使用鍵盤時,鍵盤將進入休眠狀態;所以,再次啟用時,鍵盤需要與電腦主機重新設立藍芽連接。“系統為按鍵安排了緩衝,所以敲擊按鍵時,需要一兩秒鐘時間來喚醒主機,”Ramsthaler表示。“鍵擊資訊會立即傳送至主機,但會有約一秒鐘的延遲。”

在休眠狀態下,該無線鍵盤的功耗為10到20微安。這就允許你在離開電腦長時間後,再返回時電池仍能正常使用。當然,設計人員也能選擇使鍵盤始終處在消耗約300到400微安電流的上電狀態,這種做法可以省去重新設立藍芽連接的時間(以及相關延遲),但這種方案將會大幅縮短電池使用壽命。

主要優勢

以用戶可承受的價格將藍芽技術導入桌上型電腦應用領域,除了無線鍵盤(和滑鼠)以外,藍芽的無線連接特性還催生了其它的一系列市場,這些應用領域可能(也應該)包括:印表機、MP3播放器、PDA、行動手持式設備等。而Broadcom的BLINK軟體則大幅簡化了PC與手持設備間的連接,可幫助藍芽技術在這些領域的發展。

BLINK意指藍芽連結,該軟體提供了直覺式用戶介面,能讓用戶輕易地連接其個人電腦與手持電話,這將使原本複雜的藍芽連續步驟變得像上網一樣簡單。據Broadcom指出,在採用該軟體後,用戶將能在行動電話與PC之間交換電話號碼、聯絡資訊、圖片、音樂或數據;或是透過任何GPRS/EDGE/CDMA蜂巢式數據連接存取網際網路。傳統上,要執行這些功能需要極複雜的步驟,但透過BLINK軟體,用戶將可藉由廣泛的無線技術獲得更多使用上的便利性。

此外,藍芽技術的部份成本也能夠降低。例如,若PC本身支援藍芽,則鍵盤可以不用再建構藍芽配接器。對手持設備或PDA來說,藍芽雖增加了成本,但卻節省了USB連接和底座(cradle)的開銷。

Broadcom聲稱,其參考設計省去了設計師大部份繁複工作,其中就包括省去了美國聯邦通訊委員會(FCC)的前期測試。所以,Broadcom表示,如製造商仍需接受前期測試,則採用Broadcom的參考設計將確保製造商能順利通過。

可選方案分析

另一種與不同的可選方案則是由兩顆IC組合而成的解決方案,其中一顆IC用於藍芽連接,另一顆則用於鍵盤控制。某些鍵盤生產商選用了這種包含兩顆IC的方案,部份原因是該方案能支援更具備差異化特性的設計。除了增加一顆IC外,這種設計可能還需要外接快閃記憶體,以便對韌體進行定製。但由於Broadcom方案整合了全部所需韌體,所以只需外加一顆透過串列埠連接的E2PROM即可。

鍵盤設計師也可以選擇另一種替代方案,即採用諸如27MHz設計這樣的專有無線方案。這種替代方案只需一個晶體、一顆低成本的處理器和四或五顆電晶體,材料清單成本(BOM)僅約90美分。這種方案價格更便宜,但也有其侷限所在。

舉例來說,藍芽採用跳頻技術。所以在密集度高的使用環境中,例如同一間教室內的每位學生都能使用藍芽滑鼠和鍵盤而不會產生干擾;而在27MHz系統將遭遇干擾問題。當然,你可以為這些便宜的系統增加一個安全層,但同時也會提高成本。相對而言,採用藍芽技術的無線鍵盤就沒有這個必要,因為作業系統本身內建了128位元加密。除了干擾問題,27MHz方案也存在著另一個侷限。27MHz系統的傳輸距離一般為約3至4英呎(約0.9至1.2公尺);而藍芽方案的有效傳輸距離則可輕易地擴展至30英呎(約9公尺)。

作為一種提供電腦無線連結的平台,藍芽技術比其競爭的無線技術具有更多優勢。舉例來說,其它技術僅能驅動單一裝置,但藍芽卻已應用在不同使用者介面裝置上,提供多樣化功能。據Broadcom表示,當處在人口密度高的環境中,如企業和教育機構,藍芽仍可安全運作,並不會產生自我干擾或受到其它因素的影響,這是藍芽的獨特之處。此外,藍芽也深具彈性,亦即同時安裝多種無線裝置,卻能維持同質的無線環境,減少IT主管、家庭用戶和設備廠商的麻煩。

作者:Richard Nass




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