CN108712740B - 一种蓝牙低功耗连接方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种蓝牙低功耗连接方法和装置，包括检测到无数据发送与接收后，基带单元存储连接参数信息；中央处理器CPU掉电；所述基带单元确定下一次发送连接请求的锚点时间TM0和下一次唤醒时刻TM4，并存储第一高频时钟值TM1和第一低频时钟值TM2；高频时钟和所述基带单元掉电；当到达所述唤醒时刻TM4时，电源管理单元PMU唤醒所述基带单元；所述基带单元根据第二低频时钟值TM5恢复出第二高频时钟值TM6，其中，所述第二低频时钟值TM5大于所述唤醒时刻TM4。蓝牙设备在维持连接的过程中，中央处理器一直处于掉电的状态，基带单元在TM0到TM4期间处于掉电的状态，降低了空包交互维持连接过程中的功耗，达到长久续航的目的。

Description

一种蓝牙低功耗连接方法和装置
技术领域
本申请涉及蓝牙技术领域，尤其涉及一种蓝牙低功耗连接方法和装置。
背景技术
蓝牙技术是一种全球通用的短距离无线连接协议，因其特性优势，使得蓝牙设备可以具有小体积、低功耗、低成本、短距离等优势，还减少了设备间的有线连接。目前在人们的生活中占据越来越多的空间，从手机、打印机、笔记本电脑、键盘、鼠标等到音响、电视、灯光控制等家电，再到可穿戴设备，其应用范围越来越广。尤其是蓝牙5.0的诞生，提高了设备之间的连接质量和“互用性”，让蓝牙成为家庭数码产品以及指数级增长的物联网设备的更加选择。
低功耗蓝牙相对于传统蓝牙而言，最大的特点是低功耗，因此提供低功耗蓝牙设备的续航能力是大多数低功耗蓝牙用户最关心的问题之一。蓝牙设备之间一般进行有数据的交互，而在无数据交互的时候，需要在特定时间、特定通道进行空包交互以保证维持连接，而在维持连接的过程中，中央处理器（CPU）负责调度和处理，这意味着在维持连接的过程中，CPU、基带和射频全部处于工作状态，这在无形中增大了蓝牙设备在维持连接过程中的功耗，不利于长久续航。
发明内容
传统蓝牙设备在维持连接的过程中，CPU、基带和射频全部处于工作状态，增大蓝牙设备在维持连接过程中的功耗，不利于长久续航。有鉴于此，本申请提供一种蓝牙低功耗连接方法和装置，以解决现有的蓝牙设备在维持连接过程中功耗较大的问题。
本申请第一方面提供一种蓝牙低功耗连接方法，包括：检测到无数据发送与接收后，基带单元存储连接参数信息，其中，所述连接参数信息包括数据信息、时间信息和频道信息；检测到基带单元存储连接参数信息后，中央处理器CPU 掉电，所述基带单元确定下一次发送连接请求的锚点时间TM0和下一次唤醒时刻TM4，并存储第一高频时钟值TM1和第一低频时钟值TM2；检测到基带单元存储所述第一高频时钟值TM1和所述第一低频时钟值TM2后，所述基带单元和高频时钟掉电；当到达所述唤醒时刻TM4时，电源管理单元PMU唤醒所述基带单元；所述基带单元根据第二低频时钟值TM5恢复出第二高频时钟值TM6，其中，所述第二低频时钟值TM5大于所述唤醒时刻TM4。
本申请第二方面提供一种蓝牙低功耗通信装置，包括：中央处理器，所述中央处理器在维持连接的过程中掉电；基带单元，用于存储连接参数信息，其中，所述连接参数信息包括数据信息、时间信息和频道信息；电源管理单元，用于在下一次发送连接请求的锚点时间TM0之前唤醒所述基带单元。
综上，本申请提供的一种蓝牙低功耗连接方法，在低功耗蓝牙设备之间无有效数据发送或接收时，中央处理器掉电，基带单元存储了连接参数信息、下一次发送连接请求的锚点时间TM0和下一次唤醒时刻TM4，并存储第一高频时钟值TM1和第一低频时钟值TM2；检测到基带单元存储所述第一高频时钟值TM1和所述第一低频时钟值TM2后，高频时钟和所述基带单元也掉电，当到达所述唤醒时刻TM4时，电源管理单元PMU再唤醒所述基带单元。蓝牙设备在维持连接的过程中，中央处理器一直处于掉电的状态，基带单元在TM0到TM4期间处于掉电的状态，降低了无有效数据交互过程中空包交互维持连接所需的功耗，达到长久续航的目的。
附图说明
图1为本申请提供的蓝牙低功耗连接方法的流程示意图；
图2为本申请提供的第一蓝牙设备的工作时序图；
图3为本申请提供的高频时钟和低频时钟跳转的示意图；
图4为本申请一实施例提供的第一蓝牙设备和第二蓝牙设备之间交互工作时序图；
图5为本申请提供的蓝牙低功耗通信装置的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种设备，但这些设备不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
该方法应用于具有BLE功能的无线网络配置设备，该无线蓝牙设备可以是固定设备，也可以是其他移动设备。蓝牙是一种无线技术标准，可以实现固定设备、移动设备之间的短距离数据交换。蓝牙定义了标准的协议栈，目标在于允许遵循规范的应用能够进行互相间操作。
在本实施例的蓝牙设备进行数据传输之前，首先要进行组网过程。组网过程是指无线设备和周围的蓝牙设备组成一个网络的过程，所述无线设备是指具有蓝牙功能的手机、平板、蓝牙遥控器、笔记本电脑、智能穿戴设备等，所述蓝牙设备包括蓝牙耳机、智能穿戴设备、蓝牙适配器、蓝牙报警器或者是智能家居设备等。数据传输过程是指无线设备与网络中的蓝牙设备传输数据的过程。
本实施例提到的数据发送端和数据接收端都是指具有上述功能的无线设备或蓝牙设备。
本申请提供一种蓝牙低功耗连接方法和装置，以解决现有的蓝牙设备在维持连接过程中功耗较大的问题。蓝牙设备包括中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）、基带单元（基带IP）、射频单元（射频IP）、电源管理单元（power management unit，简称PMU）、高频时钟和低频时钟。第一蓝牙设备为连接发起者（master），其需要发起连接请求（ConnectionRequest，CONNECT_REQ），第二蓝牙设备为广播者（slave），其一般是可连接的并且具有解析连接请求CONNECT_REQ的能力。本申请提供的蓝牙低功耗连接方法和装置中，第一蓝牙设备和第二蓝牙设备可以互换，即第一蓝牙设备也有连接和解析连接请求CONNECT_REQ的能力，可作为slave端；第二蓝牙设备也有发起连接请求（ConnectionRequest，CONNECT_REQ）的能力，可作为master端。
现有技术中，第一蓝牙设备和第二蓝牙设备在进行数据交互的收发任务的过程中，中央处理器CPU、基带单元、射频单元、高频时钟和低频时钟都处于上电的状态。由于每次蓝牙设备之间连接会耗费一定的时间和资源，所以在无数据交互的时候，第一蓝牙设备和第二蓝牙设备并不会立即断开，而是周期性的发送空包，以维持连接，并通过发送空包的方式确认二者仍处于连接状态，以便于在下一次有数据交互时，第一蓝牙设备和第二蓝牙设备可以快速进入数据交互状态。在维持连接的过程中，中央处理器作为耗电最大的模块，仍然处于供电状态，用于存储维持连接所需要的参数信息。
本申请中的蓝牙设备在无数据交互的过程中，中央处理器不参与处理，处于掉电的状态，存储维持连接所需要的参数信息的功能由基带单元完成。在维持连接的过程中，仅在需要收发空包的时候基带IP、射频IP和高频率时钟才会工作，其他时间也处于掉电的状态，仅有电源管理单元和低频时钟全程工作，已达到耗电最小的状态。
下面以具体实施例结合附图的方式对本申请提供的蓝牙低功耗连接方法和装置进行详细描述。
附图1示出了本申请实施例提供的蓝牙低功耗连接方法的流程示意图。第一蓝牙设备10包括基带单元本申请实施例提供的蓝牙低功耗连接方法具体包括：
S10，检测到无有效数据发送与接收后，基带单元存储连接参数信息，其中，所述连接参数信息包括数据信息、时间信息和频道信息。
蓝牙设备的交互分有效数据的收发交互任务，和用以维持连接的空包数据收发交互任务。需要说明的是，本发明实施例中所称“有效数据”是指用于使蓝牙设备执行相应操作的数据。例如，当用户点击蓝牙遥控器上的按键后，蓝牙遥控器会向电视机发送相应的有效数据，以使电视机完成换台、调节音量等操作。本发明实施例中所称“空包数据”则指用于维持蓝牙连接，其中不包括有效数据的数据包。
当检测到第一蓝牙设备无有效数据发送和接收时，第一蓝牙设备要进入维持连接的状态。可利用上下文蓝牙设备中增加的维持连接模块来检测第一蓝牙设备中是否存在有效数据需要发送。
基带单元存储维持连接所需要的参数信息，包括用于匹配的接入地址Accessaddress、用于数据正确性校验的Crc数值、锚点时间anchor point、连接事件间隔connInterval、第二蓝牙设备时延connSlaveLatency、第一蓝牙设备睡眠时钟精度masterSCA、第二蓝牙设备睡眠时钟精度slaveSCA、上次交互使用的信道号LastUnmappedChannel、信道图ChannelMap、跳频间隔Hop等参数。基带单元存储的上述参数将会用于计算连接事件的时间和信道。
其中，连接事件间隔connInterval和第二蓝牙设备时延connSlaveLatency是在两个第一蓝牙设备和第二蓝牙设备在建立连接时协商确定的。
S20，检测到基带单元存储连接参数信息完成后，中央处理器CPU 掉电，所述基带单元确定下一次发送连接请求的锚点时间TM0和下一次唤醒时刻TM4，并存储第一高频时钟值TM1和第一低频时钟值TM2。
当基带单元存储完成连接参数信息后，中央处理器CPU在维持连接的过程中与基带单元无数据交互，中央处理器掉电，进入睡眠状态。直到下一次有数据收发的时刻之前，通过电源管理单元PMU唤醒。
图2为本申请提供的第一蓝牙设备的工作时序图。基带单元通过连接参数信息确定下一次发送连接请求的锚点时间TM0，并向前推算预设时间，确定为下一次唤醒时刻TM4。其中，TM4是第一蓝牙设备进入自动维持连接状态，电源管理单元PMU唤醒基带单元的时刻。高频时钟一般作为工作时钟，用于驱动中央处理器。低频时钟一般作为使能信号，用于驱动睡眠定时器和电源管理单元。所以，中央处理器掉电后，高频时钟也可以做相应的睡眠。并且，高频时钟应在中央处理器掉电后掉电，在中央处理器上电之前上电，以保证高频时钟能为中央处理器提供正确的时钟状态。低频时钟作为使能时钟，为整个蓝牙设备提供正确是时钟信号。低频时钟在一个周期的翻转时刻与高频时钟是相对应的。
示例性的，第一蓝牙设备作为master端，其基带单元根据所述维持连接所需要的参数计算下一个连接周期的锚点时间TM0。第一蓝牙设备在上一次发送连接请求后，基带单元会计算下一次发送连接请求的时间，即连接周期的锚点时间。根据所述连接周期的锚点时间向前推算预设时间，确定为下一次唤醒时刻TM4，用于在TM4时刻，唤醒基带单元。
第二蓝牙设备（slave端）的基带单元根据所述维持连接所需要的参数计算下一个对所述第一蓝牙设备作出应答的第二锚点时间TS0。其中，所述第二锚点时间TS0为第二蓝牙设备接收数据包的时刻。第二蓝牙设备的基带单元也会根据根据所述第二锚点时间向前推算预设时间，确定为下一次唤醒时刻TS4，用于在TS4时刻，唤醒第二蓝牙设备的基带单元。
S30，检测到基带单元存储所述第一高频时钟值TM1和所述第一低频时钟值TM2后，基带单元和高频时钟掉电。
在确定好锚点时间TM0和下一次唤醒时刻TM4后，基带单元在自动维持连接的过程中的工作已完成，基带单元和高频时钟掉电。
进一步的，为维持更低的功耗，当基带单元掉电的时，射频单元也掉电。
S40，当到达所述唤醒时刻TM4时，电源管理单元PMU唤醒所述基带单元。
基带单元在TM2到TM4期间处于掉电的状态，可以最大程度地降低功耗。电源管理单元作为为蓝牙设备供电的单元，在蓝牙设备工作的整个过程提供蓝牙设备各个单元的所有的、多档次而各不相同电压的电源。当低频时钟记录到到达唤醒时刻TM4时，电源管理单元PMU唤醒所述基带单元。
进一步的，若在TM2时刻，基带掉电的同时，射频单元也掉电，则在当低频时钟记录到到达唤醒时刻TM4时，电源管理单元PMU唤醒基带单元和射频单元。
其中当TM0和TS0都是以高频时钟为单位的。
第一蓝牙设备的基带单元被唤醒，用于为发送连接请求做一系列的准备。根据所述维持连接所需要的参数计算下一个连接事件使用的信道号。同理，第二蓝牙设备的基带单元根据所述维持连接所需要的参数计算下一个对所述第一蓝牙设备作出应答的连接事件的信道号。
S50，基带单元根据第二低频时钟值TM5恢复出第二高频时钟值TM6，其中，所述第二低频时钟值TM5大于所述唤醒时刻TM4。
当PMU唤醒所述基带单元后，所述基带单元通过低频时钟恢复当前高频时钟。
如图3所示，为本申请提供的高频时钟和低频时钟跳转的示意图。具体的，TM4时刻后，基带单元在下一次低频时钟跳转的时刻获取当前第二低频时钟值TM5，并在该时刻恢复高频时钟，根据TM1、TM2、TM5计算出第二高频时钟值TM6，计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中，f 1为所述高频时钟的频率，f 0为所述低频时钟的频率。
其原理是，在TM2到TM5的时间段内，假设有N个完整的低频时钟周期，低频时钟的频率为f 0，高频时钟的频率为f 1，则必然有(高频时钟频率f 1/低频时钟频率f 1)*N个低频时钟周期。
此后，高频时钟、低频时钟、基带单元、射频单元都处理上电状态，为下一次第一蓝牙设备发送连接请求做好发送空包的准备，当在下一次发送连接请求的锚点时间TM0时刻发送空包后，可再次进入步骤S01，开始下一周期的蓝牙低功耗连接方法。
同样的，高频时钟、低频时钟、基带单元、射频单元都处理上电状态，为下一次为下一次第二蓝牙设备接收连接请求做好接收空包的准备，当在下一次接收连接请求的锚点时间TS0时刻接收空包后，可再次进入步骤S01，开始下一周期的蓝牙低功耗连接方法。
进一步的，在低功耗蓝牙规范中，当第一蓝牙设备和第二蓝牙设备之间没有数据交互，且有需要维持连接时，第一蓝牙设备端每到连接事件开启的时间（anchor point），即锚点，都会向第二蓝牙设备端发送一个空包，之后的所有的连接事件都以这一时刻为基准，呈现周期性变化。第二蓝牙设备端不需要对每一个第一蓝牙设备发送的空包都作出应答，可以连续忽略预设值connLatency个第一蓝牙设备发起的连接事件后再反馈一个而用于确认的空包，以表示双方仍处于连接状态。
进一步的，第二蓝牙设备可以忽略多少个连续的连接事件，其不需要在这些被忽略的连接事件中侦听来自第一蓝牙设备的数据包，即第二蓝牙设备设备不需要在每个连接事件产生的时刻都唤醒并打开射频接收机进行侦听，所以可以有效减少第二蓝牙设备设备的功耗。当connLatency= 2时，第一蓝牙设备在发出第一个连接空包后，第二蓝牙设备会反馈给应答包，当第一蓝牙设备再次连续发送两次连接空包，第二蓝牙设备都不需要反馈应答空包，而当第一蓝牙设备发送第connLatency+1个连接空包时，第二蓝牙设备再次被唤醒而反馈应答空包。由此可见，在维持连接的过程中，优化空包收发任务的功率可以有效降低功耗蓝牙设备在使用过程中的功耗。
图5为本申请提供的蓝牙低功耗通信装置的结构示意图。如图5所示，本实施例提供的蓝牙低功耗通信装置包括：中央处理器510，所述中央处理器在维持连接的过程中掉电；基带单元520，用于存储连接参数信息，其中，所述连接参数信息包括数据信息、时间信息和频道信息；电源管理单元530，用于在下一次发送连接请求的锚点时间TM0之前唤醒所述基带单元520。
本申请实施例提供的蓝牙低功耗通信装置可以为应用于家用电器、工业电器或终端通讯设备等各个领域中。中央处理器在510维持连接过程中掉电，基带单元520在空包交互过程中断电，能够使蓝牙低功耗通信装置在维持空包交互连接的过程中，功耗最低。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种蓝牙低功耗连接方法，用于蓝牙低功耗芯片，其特征在于，包括：
检测到无有效数据发送与接收后，基带单元存储连接参数信息，其中，所述连接参数信息包括数据信息、时间信息和频道信息；
检测到基带单元存储连接参数信息完成后，中央处理器CPU 掉电，所述基带单元确定下一次发送连接请求的锚点时间TM0和下一次唤醒时刻TM4，并存储第一高频时钟值TM1和第一低频时钟值TM2；
检测到基带单元存储所述第一高频时钟值TM1和所述第一低频时钟值TM2后，高频时钟和所述基带单元掉电；
当到达所述唤醒时刻TM4时，电源管理单元PMU唤醒所述基带单元；
所述基带单元在下一次低频时钟跳转的时刻获取第二低频时钟值TM5，再根据TM1、TM2、TM5恢复出第二高频时钟值TM6，其中，所述第二低频时钟值TM5大于所述唤醒时刻TM4。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述唤醒时刻TM4早于所述锚点时间TM0，所述第二低频时钟值TM5在所述唤醒时刻TM4和所述锚点时间TM0之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测到基带单元存储连接参数信息完成后，中央处理器CPU 掉电，基带单元计算下一次发送连接请求使用的信道和锚点时间和最近一次唤醒时刻TM4，并存储第一高频时钟值TM1和第一低频时钟值TM2步骤具体包括：
基带单元检测到所述低频时钟进行跳转时，获取并存储所述第一高频时钟值TM1和所述第一低频时钟值TM2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测到基带单元存储连接参数信息完成后，中央处理器CPU 掉电，基带单元计算下一次发送连接请求使用的信道和锚点时间和最近一次唤醒时刻TM4，并存储第一高频时钟值TM1和第一低频时钟值TM2步骤具体包括：
所述基带单元确定下一次发送连接请求的锚点时间TM0，并向前推算预设时间，确定为下一次唤醒时刻TM4。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基带单元根据第二低频时钟值TM5恢复出第二高频时钟值TM6具体包括：
在所述低频时钟发生跳转的时刻，根据所述第一高频时钟值TM1、所述第一低频时钟值TM2、所述第二低频时钟值TM5恢复出所述第二高频时钟值TM6。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述第一高频时钟值TM1、所述第一低频时钟值TM2、所述第二低频时钟值TM5恢复出所述第二高频时钟值TM6的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中，f 1为所述高频时钟的频率，f 0为所述低频时钟的频率。
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