CN113939001B - 一种mcu和ble芯片间超低功耗通信方法 - Google Patents

一种mcu和ble芯片间超低功耗通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MCU和BLE芯片间超低功耗通信方法，包括：MCU与BLE芯片可以互为数据发送方和接收方，发送方采用CS、SCK、SDATA三线进行SPI通信，接收方则针对SCK线开启IO边沿中断，每个中断沿做响应的时序处理。由此在MCU低频运行和BLE芯片低频休眠的过程中，利用进入退出快速、运行时间极短的IO中断，实现了MCU和BLE芯片间的双向通讯，从而使BLE芯片的高频时钟启动时间极短，达到将通讯功耗降低10倍以上的效果，进而延长续航，提高工作效率。

Description

一种MCU和BLE芯片间超低功耗通信方法
技术领域
本发明涉及一种MCU和BLE芯片间超低功耗通信方法，属于超低功耗应用技术领域。
背景技术
BLE（Bluetooh Low Energy，蓝牙低能耗）技术是短距离、低成本、可互操作性的无线技术，相较经典蓝牙，低功耗蓝牙旨在保持同等通信范围的同时显著降低功耗和成本，因此非常适合用于从微型无线传感器（每半秒交换一次数据）或使用完全异步通信的遥控器等其它外设传送数据。
在超低功耗应用中，MCU可以以较低主频运行，达到较低功耗，而BLE芯片能实现极低功耗的无线通讯。目前大多数BLE芯片休眠时切换到低频时钟，获得较低的功耗，但是不能以低频时钟运行。特别是UART、I2C、SPI等通讯接口都不能连接低频时钟来保持运行状态，也就是当这些外设必须运行保持待机状态时，BLE芯片要开启高频时钟，使功耗大幅度提升。
如图1a所示，即使是使用专门IO线将其唤醒再进行通讯，由于MCU主频较低，UART、I2C、SPI等通讯过程要进行较长时间，在这期间BLE芯片仍然有较大的功耗。如图1b所示，通过IO/IRQ唤醒对端设备，整个数据传输过程必须要保证一定的工作频率以保证串口外设的正常工作，即整个过程功耗POWER都是处于较高点。
发明内容
发明目的：针对现有技术所存在的问题，本发明提供一种MCU和BLE芯片间超低功耗通信方法，利用进入退出快速、运行时间极短的IO中断，实现低功耗MCU和蓝牙BLE芯片间的双向通讯，从而使BLE芯片的高频时钟启动时间极短，大大降低通信功耗。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种MCU和BLE芯片间超低功耗通信方法，包括以下步骤：
MCU向BLE芯片发送数据时，采用CS1、SCK1、SDATA1三线模拟SPI通信，且BLE芯片针对SCK1线开启IO边沿中断，每个中断沿做响应的时序处理，而后立即回到低频时钟休眠；
BLE芯片向MCU发送数据时，采用CS2、SCK2、SDATA2三线模拟SPI通信，且MCU针对SCK2线开启IO边沿中断，每个中断沿做响应的时序处理。
进一步的，所述中断沿可以是上升沿或下降沿，即通过上升沿或下降沿触发中断请求。
进一步的，所述响应的时序处理具体包括：判断CS1/CS2是否为使能信号，若是则检查SDATA1/SDATA2的值，否则不作响应。
进一步的，所述BLE芯片接收到SDATA1数据后交给上层协议栈。
进一步的，所述BLE芯片从上层协议栈拿到蓝牙通讯数据后，将CS2变为使能信号，并启动定时器，按合适的时间节奏唤醒改变SCK2、SDATA2的值，改变完后立即回到低频时钟休眠。
进一步的，所述MCU在通信过程中恒定较低主频（32KHz~250KHz）运行，达到较低功耗(1.8V，10~30μA)。
有益效果：本发明所提供的一种MCU和BLE芯片间超低功耗通信方法，相对于现有技术，具有以下优点：
本发明抛弃蓝牙BLE芯片的一般通信接口，利用进入退出快速、运行时间极短的IO中断，实现了MCU和BLE芯片间的双向通讯，从而使BLE芯片的高频时钟启动时间极短，达到将通讯功耗降低10倍以上的效果，进而延长续航，提高工作效率。
由于蓝牙BLE芯片通过中断或定时器唤醒起来运行的时间极短，随即进入休眠，避免了造成大功耗的高频时钟长时间开启，实际降功耗效果非常明显，相比外设一直开启有几十倍的功耗降低，相比外设唤醒运行也有几倍的功耗降低。
附图说明
图1a为使用IO线进行通讯唤醒的线路连接图；
图1b为使用IO线进行通讯唤醒过程的接口时序图；
图2a为本发明实施例的线路连接图；
图2b为本发明实施例的数据传输时序图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的优选实施方式进行描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。
实施例
如图2a所示，MCU与BLE芯片之间通过CS1、SCK1、SDATA1、CS2、SCK2、SDATA2共六线进行通讯连接，其中CS1、SCK1、SDATA1线用于实现MCU向BLE芯片的数据传输，CS2、SCK2、SDATA2线用于实现BLE芯片向MCU的数据传输。
MCU向BLE芯片发送数据时，采用CS1、SCK1、SDATA1三线模拟SPI通信，由于MCU主频很低，用SPI外设方法可以尽量减少MCU处理负担。BLE芯片针对SCK1线开启IO边沿中断，每个中断沿做响应的时序处理，而后立即回到低频时钟休眠。BLE芯片接收到SDATA1数据后交给上层协议栈。
BLE芯片向MCU发送数据时，采用CS2、SCK2、SDATA2三线模拟SPI通信。MCU针对SCK2线开启IO边沿中断，每个中断沿做响应的时序处理。
本实施例中，中断沿为上升沿，即通过上升沿触发中断请求，进而判断CS1/CS2是否为低电平（使能信号），若是则检查SDATA1/SDATA2的值，否则不作响应。BLE芯片从上层协议栈拿到蓝牙通讯数据后，拉低CS2，通过定时器间歇拉高SCK2和SDATA2，改变完后立即回到低频时钟休眠。
图2b展示了MCU与BLE芯片之间的双向数据传输过程。具体的，当时序处于A点（SCLK上升沿唤醒，且CS状态低有效）这个状态下，POWER（主频时钟）需要保持远小于半个SCLK周期的H点功耗（实际H点维持时间非常短，只在上升沿时刻后几个指令周期），然后迅速关掉主时钟功耗回到L点；当时序处于B点（SCLK不在上升沿半周期内，CS状态低有效）这个状态下，POWER（主频时钟）恒保持L点功耗；当时序处于C点（CS没有上升沿，且为高）这个状态下，POWER（主频时钟）恒保持L点功耗。
在MCU收发数据过程中，MCU始终恒定较低主频（32KHz~250KHz），由此达到整体较低功耗(1.8V，10~30μA)。而蓝牙BLE芯片通过中断或定时器唤醒起来运行的时间极短，随即进入休眠（也就是间断性高频，大多数时间低频），避免了造成大功耗的高频时钟长时间开启，实际降功耗效果非常明显，相比外设一直开启有几十倍的功耗降低，相比外设唤醒运行也有几倍的功耗降低。
上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。

Claims (3)

1.一种MCU和BLE芯片间超低功耗通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
MCU向BLE芯片发送数据时，采用CS1、SCK1、SDATA1三线模拟SPI通信，且BLE芯片针对SCK1线开启IO边沿中断，每个中断沿做响应的时序处理，而后立即回到低频时钟休眠；
BLE芯片向MCU发送数据时，采用CS2、SCK2、SDATA2三线模拟SPI通信，且MCU针对SCK2线开启IO边沿中断，每个中断沿做响应的时序处理；
所述响应的时序处理具体包括：判断CS1/CS2是否为使能信号，若是则检查SDATA1/SDATA2的值，否则不作响应；
所述BLE芯片从上层协议栈拿到蓝牙通讯数据后，将CS2变为使能信号，并通过定时器唤醒改变SCK2、SDATA2的值，改变后立即回到低频时钟休眠；
所述MCU在通信过程中保持低频运行。
2.根据权利要求1所述的一种MCU和BLE芯片间超低功耗通信方法，其特征在于，所述中断沿为上升沿或下降沿。
3.根据权利要求1所述的一种MCU和BLE芯片间超低功耗通信方法，其特征在于，所述BLE芯片接收到SDATA1数据后交给上层协议栈。
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