物聯網及低功耗藍牙5.x高級開發

譚暉
男，博士，畢業於哈爾濱工業大學，現任深圳市藍科迅通科技有限公司總經理。
在哈爾濱工業大學多年從事專用通信科研工作，曾獲國家科技進步獎，國家教委科技進步獎，
省科技進步獎等，擁有國內外多項發明專利，長期從事中短距離無線技術，低功耗智能藍牙，物聯網及相關技術的研究及創新應用。

目　　錄
第1章　低功耗藍牙及物聯網新技術的發展 （1）
1.1　世界是藍色的 （1）
1.2　經典藍牙（Classic Bluetooth）階段：從藍牙1.0到藍牙3.0 （2）
1.2.1　代藍牙：關於藍牙早期的探索 （2）
1.2.2　第二代藍牙：藍牙進入實用階段 （3）
1.2.3　第三代藍牙：高速藍牙，傳輸速率可高達24 Mbps （3）
1.3　低功耗藍牙與經典藍牙並存的階段：從藍牙4.0開始 （3）
1.3.1　為什麼會出現低功耗藍牙 （3）
1.3.2　低功耗藍牙的起源 （3）
1.3.3　低功耗藍牙與可穿戴設備的發展 （4）
1.4　低功耗藍牙的物聯網階段：從低功耗藍牙5.0開始 （5）
1.4.1　低功耗藍牙5.0簡介 （5）
1.4.2　低功耗藍牙5.1簡介 （6）
1.4.3　低功耗藍牙5.2簡介 （7）
1.4.4　低功耗藍牙5.3簡介 （8）
1.5　ZigBee、Thread、CHIP、Matter和CSA簡介 （11）
1.5.1　ZigBee簡介 （12）
1.5.2　Thread簡介 （13）
1.5.3　CHIP簡介 （14）
1.5.4　Matter簡介 （15）
1.5.5　CSA簡介 （17）
第2章　低功耗藍牙5.1與AoA/AoD定位 （19）
2.1　無線測向與AoA/AoD定位 （19）
2.2　AoA方法和AoD方法的測量原理 （20）
2.3　相位測量的基本概念 （20）
2.4　基於CTE信號的相位差檢測原理 （21）
2.5　到達角和離開角的計算 （22）
2.6　天線陣列簡介 （24）
2.7　基於AoA方法和AoD方法的定位系統架構 （24）
2.8　基於低功耗藍牙5.1的AoA/AoD定位技術的挑戰 （25）
2.9　基於低功耗藍牙5.1的AoA/AoD精准定位的應用場景 （26）
第3章　低功耗藍牙5.2與LE音頻 （27）
3.1　低功耗藍牙5.2的新特性 （27）
3.2　更佳音質、更低功耗與更多創新功能的LE音頻 （31）
3.3　LE音頻的應用場景 （32）
3.3.1　應用場景一：真無線立體聲（TWS）耳機 （32）
3.3.2　應用場景二：廣播音頻與音頻分享 （33）
3.3.3　應用場景三：聽力輔助 （33）
3.3.4　應用場景四：多語言的實時翻譯 （34）
3.4　為什麼LE音頻具有更高的音質和更低的功耗 （34）
3.5　LE音頻為行業提供的解決方案 （35）
第4章　Nordic的無線多協議SoC芯片nRF5340 （37）
4.1　無線多協議SoC芯片 （37）
4.1.1　無線多協議SoC芯片簡介 （37）
4.1.2　無線多協議SoC芯片的未來發展路線圖 （37）
4.2　nRF5340的主要規格參數 （38）
4.2.1　nRF5340簡介 （38）
4.2.2　nRF5340的主要特性 （40）
4.3　nRF5340的硬件主要參數 （41）
4.4　nRF5340的開發工具 （42）
4.4.1　nRF Connect SDK軟件開發平台 （42）
4.4.2　nRF5340 DK開發板（Development Kit） （42）
4.5　本章小結 （47）
第5章　nRF5340的硬件系統設計 （49）
5.1　實驗目標 （49）
5.2　nRF5340硬件小系統的電路設計 （49）
5.2.1　nRF5340的供電模式及其穩壓方式 （51）
5.2.2　nRF5340的時鐘電路 （52）
5.2.3　nRF5340的天線匹配電路 （54）
5.2.4　去耦電容的放置要求 （54）
5.2.5　USB電路（可選） （54）
5.2.6　NFC電路（可選） （54）
5.3　nRF5340的硬件電路設計注意事項 （56）
5.3.1　nRF5340的PCB設計佈局指南 （56）
5.3.2　nRF5340的PCB電源走線設計指南 （56）
5.3.3　電源去耦電容的佈局要求 （57）
5.3.4　PCB鋪地設計指南 （57）
5.3.5　晶振電路的走線設計指南 （57）
5.3.6　天線匹配電路的佈局設計指南 （58）
5.4　PTR9840模塊簡介 （59）
5.4.1　PTR9840模塊的使用說明 （60）
5.4.2　APTR-xxx-EVB無線多協議模塊評估板 （60）
5.5　本章小結 （61）
第6章　NCS平台的搭建 （63）
6.1　NCS平台介紹 （63）
6.2　Zephyr是什麼 （64）
6.3　NCS平台的搭建 （66）
6.3.1　NCS平台的下載安裝 （66）
6.3.2　SES嵌入式集成開發環境的搭建 （70）
6.3.3　west命令行工具的安裝 （72）
6.3.4　工程示例 （72）
6.4　NCS平台的結構 （77）
6.4.1　文件目錄 （77）
6.4.2　API函數的目錄 （77）
6.4.3　編譯後的目錄結構 （78）
6.5　NCS平台的配置介紹 （78）
6.5.1　NCS平台的配置工具 （78）
6.5.2　NCS平台的工程配置 （78）
6.6　本章小結 （85）
第7章　nRF5340雙核處理器之間的通信 （87）
7.1　背景知識 （87）
7.1.1　nRF5340簡介 （87）
7.1.2　應用核處理器與網絡核處理器的通信 （88）
7.1.3　多核處理器通信的橋樑IPC外設 （88）
7.2　實驗目標 （90）
7.3　實驗準備 （90）
7.4　實驗步驟 （90）
7.4.1　創建工程 （90）
7.4.2　修改配置文件 （90）
7.4.3　網絡核處理器與應用核處理器工程的編譯及燒錄 （93）
7.4.4　網絡核處理器與應用核處理器的通信 （94）
7.4.5　網絡核處理器與應用核處理器通過IPC外設進行通信的流程 （95）
7.5　本章小結 （95）
第8章　nRF5340低功耗藍牙透傳應用例程 （97）
8.1　背景知識 （97）
8.2　實驗目標 （98）
8.3　實驗準備 （98）
8.4　低功耗藍牙透傳實驗步驟 （99）
8.4.1　低功耗藍牙從機透傳例程（peripheral_uart）的實現 （99）
8.4.2　低功耗藍牙主機透傳例程（central_uart）的實現 （104）
8.5　本章小結 （108）
第9章　OpenThread協議棧應用例程 （109）
9.1　背景知識 （109）
9.1.1　Thread協議概述 （109）
9.1.2　OpenThread協議棧概述 （111）
9.1.3　NCS平台中的Thread測試例程 （111）
9.2　實驗目標 （112）
9.3　實驗準備 （112）
9.4　實驗步驟 （112）
9.4.1　編譯燒錄程序 （113）
9.4.2　打開兩個串口調試助手 （113）
9.4.3　在串口調試助手中輸入調試命令 （113）
9.5　本章小結 （116）
第10章　Matter協議應用例程 （117）
10.1　背景知識 （117）
10.1.1　Matter協議的意義 （117）
10.1.2　Matter協議的目標和原則 （117）
10.1.3　Matter協議的架構 （117）
10.2　實驗目標 （118）
10.3　實驗準備 （118）
10.4　實驗步驟 （118）
10.4.1　測試準備 （119）
10.4.2　測試過程 （120）
10.5　本章小結 （125）
第11章　物聯網原型開發平台Thingy:53 （127）
11.1　背景知識 （127）
11.2　在Thingy:53上運行Nordic的配套SDK （128）
11.2.1　通過低功耗藍牙無線OTA下載固件 （129）
11.2.2　通過USB下載固件 （131）
11.2.3　通過外部J-Link下載固件 （133）
11.3　功能展示 （135）
11.3.1　實驗準備 （135）
11.3.2　實驗步驟 （135）
11.4　本章小結 （140）
第12章　基於nRF5340低功耗藍牙的固件空中升級 （141）
12.1　背景知識 （141）
12.1.1　MCUboot簡介 （141）
12.1.2　基於單核SoC芯片與雙核SoC芯片的固件升級區別 （143）
12.1.3　Bootloader簡介 （143）
12.1.4　nRF5340網絡核處理器Bootloader與MCUboot通信 （143）
12.1.5　NCS平台中固件升級服務——SMP服務 （143）
12.2　實驗目標 （144）
12.3　實驗準備 （144）
12.4　實驗原理 （144）
12.4.1　nRF5340雙核處理器的固件升級架構 （144）
12.4.2　基於nRF5340低功耗藍牙的固件空中升級流程 （145）
12.5　實驗步驟 （147）
12.5.1　應用核處理器的固件空中升級 （147）
12.5.2　網絡核處理器的固件空中升級 （150）
12.6　本章小結 （153）
第13章　nRF5340的DTM測試 （155）
13.1　背景知識 （155）
13.1.1　什麼是DTM測試 （155）
13.1.2　DTM的測試架構 （156）
13.1.3　DTM的主要測試參數及測試內容 （156）
13.1.4　DTM的測試流程 （156）
13.2　實驗目標 （158）
13.3　實驗準備 （158）
13.4　實驗步驟 （158）
13.4.1　DTM測試程序的參數設置 （158）
13.4.2　DTM測試程序的構建和運行 （159）
13.4.3　修改UART接口的引腳定義 （161）
13.4.4　與DTM測試配套的上位機軟件 （161）
13.4.5　DTM的實際測試 （162）
13.5　本章小結 （163）
第14章　nRF5340的編程燒錄工具 （165）
14.1　背景知識 （165）
14.2　實驗目標 （167）
14.3　實驗準備 （167）
14.4　nRF5340雙核處理器的固件燒錄 （167）
14.4.1　使用命令行工具nrfjprog進行在線燒錄 （167）
14.4.2　使用命令行工具west進行在線燒錄 （168）
14.4.3　使用SES進行燒錄 （169）
14.5　nRF5340的離線燒錄 （170）
14.5.1　高速脫機燒錄器xProg-nRFpro的功能 （170）
14.5.2　高速脫機燒錄器xProg-nRFpro的使用 （170）
14.5.3　nRF5340的使用步驟 （173）
14.6　本章小結 （175）
第15章　長距離通信擴展及低功耗電源管理 （177）
15.1　背景知識 （177）
15.2　2.4 GHz的射頻前端組件nRF21540 （178）
15.2.1　nRF21540簡介 （178）
15.2.2　nRF21540的主要性能 （178）
15.2.3　nRF21540 EK評估板 （179）
15.2.4　nRF21540 DK開發板 （180）
15.2.5　nRF21540的使用與時序控制 （181）
15.2.6　NCS平台中nRF21540驅動程序的使用 （185）
15.2.7　不同協議對無線電設備發射功率的要求與限制 （186）
15.3　電源管理芯片nPM1100 （187）
15.3.1　nPM1100的功能簡介 （187）
15.3.2　nPM1100的主要性能 （188）
15.3.3　nPM1100的主要特點 （188）
15.3.4　nPM1100 EK評估板的使用方法 （189）
15.3.5　nPM1100的硬件參考設計 （193）
15.4　本章小結 （194）
第16章　低功耗藍牙協議的分析