基于蓝牙的HMI应用可靠设计解决方案

工业设备HMI将给设计人员带来巨大的挑战。因为产品设计规格可能需要遵循标准的指导，设备可能会受到物理尺寸的限制，并且可能需要为较大的设备配备控制装置。工业环境中使用的产品代表着至关重要的资本投资，这意味着即使它们坚固的本地接口受到各种压力因素的影响，仍希望它们可以可靠地使用多年。安全也是另一个需要重点考虑的因素。在连接到其他设备（例如计算机）时，产品必须保持安全运行，这通常需要在所有外部端口上进行电气隔离。

人机界面（HMI）随处可见，并且近年来已成为大量应用聚焦的主题。在消费类产品通过创新的HMI设计带来增强的连接性和更加身临其境的用户体验之际，工业产品却仍在继续采用物理接口，这些物理接口通常依赖小型显示器或简单LED来实现HMI，并以简单的机电开关或按钮为主要交互方式。如果设备具有本地连接功能，通常使用电缆和物理连接器来实现物理接口。由此可见，通过改变工业产品的互连方式来改善用户体验具有巨大的发展潜力。在日益纷繁复杂的市场中，这为追求创新的供应商提供了打造差异化产品的机会。

但我们也应该看到，工业设备HMI将给设计人员带来巨大的挑战。因为产品设计规格可能需要遵循标准的指导，设备可能会受到物理尺寸的限制，并且可能需要为较大的设备配备控制装置。工业环境中使用的产品代表着至关重要的资本投资，这意味着即使它们坚固的本地接口受到各种压力因素的影响，仍希望它们可以可靠地使用多年。安全也是另一个需要重点考虑的因素。在连接到其他设备（例如计算机）时，产品必须保持安全运行，这通常需要在所有外部端口上进行电气隔离。

诸如蓝牙等由现代标准驱动的无线技术为设计人员提供了新工具，这些工具可以帮助他们改变工业设备的用户体验。此外，与传统的有线连接解决方案相比，基于蓝牙的人机界面可节省成本。

蓝牙可提供出色的用户体验

通过将蓝牙与工业设备一起使用，可以使终端用户将任何支持蓝牙的设备无线连接到其设备上，从而消除对特定类型连接器的物理依赖。当前，几乎所有设备（包括智能手机、平板电脑和笔记本电脑）都支持蓝牙，这清楚地表明了该技术的平台无关性。这对终端客户是极其有益的，因为他们可以不再局限于使用物理和电气上兼容的定制设备，甚至存在竞争关系的操作系统和产品品牌都可以使用蓝牙来实现彼此兼容。

随着蓝牙灵活性的提高，开发人员可以利用移动应用来自由地创建更多创新和直观的图形用户界面，而无须再受设备尺寸或物理按钮的限制。易于理解的用户界面不仅可以提供更美观的体验，还可以减少与用户有关的错误。不同于传统设计中使用复杂的按钮，直观的屏幕可以更好地展现功能，并向用户提供更清晰的指令。这样，就可以减少培训操作员学习使用新系统的时间，从而为终端客户提供额外的收益。

当对设备和数据的访问得以简化时，就可以去开发新的数据驱动应用案例和功能。这包括减少重新配置设备的设置所需的时间，或者增加预测性维护（通过访问和分析操作数据来实现）等功能。这些操作可以通过无线（OTA）方式完成，而不会影响正常操作。而且，通过引入云连接，可以直接从托管数据库集中分发新设置来解决操作错误，而无需操作员在本地进行编程。

移除物理连接可节省成本

与传统的人机界面相比，蓝牙可大幅节省成本。在工业设备市场上，电气隔离式串行端口是最常见的接口技术之一。与隔离式串行端口相比，系统级封装（SiP）蓝牙模块的物料清单（BOM）成本最多可降低48％。如果该设备还有本地LCD显示屏和开关、按钮等机电组件，成本差异将变得更大。

降低的维护费用则可以进一步节省总体成本。使用蓝牙时，用户不用接触任何机械组件。因此就不会有与这些组件相关的故障，从而减少了产品的退货率。对于终端客户而言，无线接口消除了因连接器损坏等事故而导致机械故障的可能性，从而避免了昂贵的维修费用。

转向无线接口可提升未来的扩展性和安全性

工业设备的预期使用寿命为很多年，这大大超过了大多数消费产品的典型使用寿命。在工业设备使用期间，开发者不可避免地要开发新功能以满足不断发展的市场需求。但向工业设备添加新功能可能是一个繁琐的过程，因为它们通常位于物理访问受限的地方或者需要耗费大量努力和成本才能访问的地方。然而通过使用OTA固件更新，无线技术提供了一种更为简单的升级方法。对于终端客户而言，设备升级为他们提供了持续利用自己初始投资的新方法，而设备制造商也可以去实现新的业务模式，专注于销售可选的软件功能，从而延长其产品的收益周期。

和所有软件一样，移动应用也需要维护，而与之相伴的是底层操作系统在不断演进。在选择蓝牙供应商时，设备制造商应密切关注供应商对维护蓝牙协议栈和移动应用库所做出的承诺。在操作系统新的主要版本发布时，可以提供及时且经过测试的库更新的供应商会更受欢迎。

工业系统日渐成为网络攻击的目标。此外，已经存在或正在计划中的相关法规也越来越多。例如，最近的一项法规是美国加利福尼亚州的SB327，该法规为互联网连接设备制定了规则。尽管蓝牙本身包含安全功能（例如加密），但仅依靠标准本身提供的安全性是不够的。设备制造商应确保自己的蓝牙供应商具有强大的安全能力，并且其无线系统级芯片（SoC）和模块应包括安全启动（secure boot）等先进功能，以防止未签名的固件在设备上执行。

云连接已成为工业物联网的主流。通过将蓝牙与现代移动操作系统相结合，安全的云连接变得比更新传统的桌面应用要容易得多。此外，云应用使软件更新交付更加集中化。随着工业4.0浪潮席卷不同的垂直市场，对基于云的解决方案的需求预计将继续增长。

减少机电组件的数量提高了可靠性

对于按钮或显示器，它们平均多长时间会出现故障？物理连接器可以无故障地承受多少次插拔？对具有物理用户界面的设备，以上这些问题及其他许多问题都是设计人员所必须考虑的。与之相反，无线技术不受机械压力的影响，同时去掉物理接口意味着在强化工业环境的设计时可以少考虑一个变量。

任何东西与设备进行物理连接都需要在设备外壳上开一个口。由于工业设备通常部署在多变且恶劣的环境中，因此我们必须保护此类开口免受灰尘、水溅及其他可能损坏设备或零件的因素的影响。而在使用蓝牙连接之后，设备外壳可以完全密封。如果使用了LED指示器，则可以将它们放置在外壳内，通过半透明的屏障来观察。

通过使用蓝牙所实现的可靠性提高可以为设备制造商和最终用户节省实际成本，其中包括：

设计可承受恶劣环境的外壳所花费的时间更少，从而缩短了产品上市时间。

机电组件的数量更少，与半导体器件相比，它们通常非常昂贵，因此从设计中移除这些昂贵的组件也可以提高毛利率。

最终用户的总体拥有成本（TCO）更低，因为使用了蓝牙的简化式人机界面所需的维护更少。

众所周知，在工业环境中，大量机器和设备会产生射频（RF）噪声，这对无线技术构成了挑战。由于蓝牙使用跳频技术，因此它能更好地抵御来自各种来源的射频干扰（RFI）。这是一项重要的考量因素，因为许多应用和技术都会使用2.4GHz ISM频段。对一个或多个信道造成干扰将不会完全中断通信。因此，蓝牙适用于工业环境。

蓝牙连接设计的注意事项

有多种方法可以为应用添加蓝牙连接。如果开发者本身拥有蓝牙设计专业知识，同时有嵌入式固件和移动开发团队，以及通过RF认证流程进行设计所需的资源，那么把蓝牙SoC解决方案设计到应用中对他们而言就是一种经济高效的做法。

然而，对仅掌握少量无线产品设计专业知识的公司而言，预集成和预认证的无线模块则是他们的理想解决方案。选择具有预认证的RF和硬件的集成模块，可使这些公司在为其设计添加无线技术时花费更少的时间。

选择蓝牙模块的好处包括：

集成天线选择，最大限度地减少了对RF专业知识的需求

预认证，避免了冗长而昂贵的RF认证工作

开箱即用的性能，可以满足大多数需求

预编程模块可提供诸多优势

使用模块添加蓝牙连接仍需要开发者对蓝牙协议有一定程度的熟悉，同时了解如何使用供应商的蓝牙协议栈和相关API。在许多蓝牙应用中，开发者还必须创建一个与蓝牙连接协处理器（NCP）相连接的嵌入式主机。这个主机到NCP的通信链路通常会暴露NCP的低层控制，而且嵌入式主机必须投入大量的片上资源来维护缓冲区及监控NCP蓝牙链路的状态。为了满足这些需求，工程师可能会倾向于选择一种性能超过应用规格的嵌入式主机，这会使成本比应用实际所需的成本更高。性能超过应用规格的MCU可能还会产生更多的功耗。

然而，评估正确的解决方案本身确实存在诸多挑战，因为开发者必须探索所有可能的应用场景，并评估每个应用场景可能会对功能产生何种影响。还有必要对尽可能多的应用场景进行测试，以查看应用功能是否能按预期运行，然后当出现故障或漏洞时对它们进行排除或修复。这可能会涉及跨主机和NCP开发环境进行复杂的调试。

幸运的是，选用预认证的模块，可以进一步简化蓝牙设计。预认证模块通过蓝牙固件进行了预编程，可提供开箱即用的连接性。预编程模块的好处包括：

可以访问蓝牙协议栈和预编程的嵌入式应用固件，无需进行固件开发

可以获得生产级的测试基础架构，用于测试模块供应商已配置好的协议栈和固件

内置对固件更新和引导加载的支持，从而可以支持未来的安全更新、漏洞修复和稳健性提升

在嵌入式系统和移动电话之间建立连接

如前所述，使用蓝牙的优势包括可以访问各种各样潜在的用户界面设计资源，特别是可以方便地使用平板电脑或其他形式的移动设备作为控制器。然而，移动应用程序的开发是一个专门的领域，因此，作为产品设计的一个要素，制造商通常需要为其雇用外部开发服务。懂得如何正确编写可与iOS和Android平台上的低层蓝牙API相连接的应用程序代码的开发人员相对较少，而提供这种专业技能的服务可能会非常昂贵。企业可能还需要为每个平台聘请不同的专家，这会增加前期成本，并带来耗时的项目设置难题。

使用模块供应商开发和提供的无线接口库开启移动应用程序的开发，可以显著降低移动应用程序开发的门槛。一个专为与选定的预编程模块连接而设计的无线接口库提供：

• 面向多种移动操作系统的核心蓝牙API的抽象接口
• 专门用于优化嵌入式模块接口控制的API
• 用于固件更新的云到模块的路径

Silicon Labs的Bluetooth Xpress产品结合了这些开发优化功能，可以提供简化的嵌入式到手机的连接。

Bluetooth Xpress产品结合了固件、硬件和移动开发优化功能，其提供的低功耗蓝牙5（Bluetooth Low Energy 5）模块可以将应用从概念到原型所需的开发时间缩短到仅有一天。Bluetooth Xpress产品还包括用于移动应用开发的Xpress框架，该框架大幅减少了向移动应用程序添加蓝牙连接所需的开发时间。

Silicon Labs Bluetooth Xpress模块（BGX13P和BGX13S）的主要功能包括：

一款开箱即用、预编程、预认证的蓝牙解决方案，支持蓝牙5功能，包括2M PHY和长距离PHY

通过高层Gecko OS Xpress Command API设置和控制板载的无线协议栈

波特率、流控制、通用输入输出（GPIO）和蓝牙性能参数均可针对应用的特定需求进行配置

一个I2C主接口，可实现低功耗蓝牙无线到I2C的通信

输入引脚监控，支持自动的数字逻辑转换响应

只需要来自主处理器的少量资源，支持开发人员向任何MCU添加无线连接

同时提供PCB和SiP封装

一站式设计支持

支持安全功能和固件更新

Bluetooth Xpress模块在三种应用场景中的功能：

1. BGX13到智能手机——在这种应用场景中，BGX充当一个可被智能手机发现并连接的外围设备。

2. BGX13到BGX13——在这种应用场景中，一个BGX充当可被发现和连接的外围设备，另一个BGX充当控制端，执行扫描和连接。连接后，BGX13可以在数据流模式下工作，即在两个点之间以无开销数据流方式传输数据字节；也可以在命令模式下工作，这种模式下Bluetooth Xpress命令可以被远程执行。

3.没有嵌入式主机的BGX——这种应用场景是应用场景1和2的一种变化形式。在这种应用场景中，诸如输入引脚监控、事件通知和蓝牙至I2C桥接器等板载Bluetooth Xpress功能足以承担嵌入式主处理器的所有职责。

在这些已定义的应用场景中，BGX的流控制信号可以指示缓冲区状态，也可用于指示嵌入式主机是否能传输数据。

图1：可以用多种方式来部署蓝牙模块，以满足应用的特定需求

Bluetooth Xpress的配置和通信

系统通过运行时可配置的命令接口来控制Bluetooth Xpress的预编程功能，其默认设置保存在非易失性存储器中。该接口可通过串行接口引脚来使用，也可通过蓝牙接口以无线方式执行，它充当一个高层网络协处理器。

在大多数操作状态下，Bluetooth Xpress充当一个零开销（zero-overhead）的蓝牙到串口的数据流。例如，Bluetooth Xpress模块可以通过改变端口引脚的状态来向嵌入式主机发送信号，表明已建立连接。在连接点上，串行接口的RX和TX引脚充当双向数据接口，其功能与有线串行链路相同。数据可以从主机写入Bluetooth Xpress模块的RX引脚，然后Bluetooth Xpress通过BLE链路逐字节传输该数据。在BLE链路的另一侧，要么是智能手机接收数据并向移动应用程序提供缓冲区，要么是另一个Bluetooth Xpress模块接收数据。这个接收数据的Bluetooth Xpress模块之后会通过其TX引脚将数据发送出去，由远程嵌入式主机接收。

在工业自动化的HMI中使用蓝牙

许多工业自动化设备将串行协议用于本地的配置和诊断端口。该技术众所周知，并被广泛支持。尽管许多这样的物理串行端口在现代笔记本电脑中已很少使用，但虚拟COM端口驱动程序允许使用USB来代替。现在，这种传统架构为基于蓝牙的人机界面替代性产品提供了沃土。

图2展示了一个传统的工业自动化设备，它使用串行接口来支持本地的配置和诊断端口。电缆接口会带来诸多挑战，这些挑战会增加产品成本，同时降低便利性，并对整体用户体验产生负面影响。

为了确保用户安全，电缆接口必须与该工业自动化设备的其余电路进行电气隔离。另外，电缆接口需要一个芯片来提供RS-232驱动程序和实际的物理串行端口。这些以及所需的无源器件会增加设备的物料清单（BOM）成本，并且需要更多的PCB面积。

电缆接口可能还会带来物理访问挑战。如果将设备安装在难以触及的位置，则可能无法将电缆连接到设备上。这意味着该设备只能发挥其部分功能和优势。

图2：使用带有电气隔离的串行端口进行产品设计的传统方法

现在看看图3中的示例，该示例展示了相同的工业设备，其使用了Silicon Labs BGX13 Bluetooth Xpress模块，该模块专为可轻松替代电缆的场景而设计。应用CPU可以继续使用现有的UART接口，因为Bluetooth Xpress支持通过蓝牙链路传输串行数据。这样的设计下，设计人员无需事先掌握任何蓝牙知识，因此可以大幅减少与蓝牙集成相关的时间和风险。所有智能功能都内置于在模块上运行的协议栈和应用固件中。Bluetooth Xpress还支持SPI接口，这使其更适合于此应用。

Bluetooth Xpress模块具有不同的外形尺寸，其中最小的SiP封装尺寸仅为6×6毫米，非常适合空间受限的应用。由于模块还包括天线，因此设计人员在电路板上放置模块时拥有更大的灵活性。

图3：使用蓝牙替代电缆的应用示例

重要的一点是，将蓝牙用于人机界面不会取代或影响现场总线通信的用途。这种方法保持了对前代设备的向后兼容性，这是许多工业自动化设备客户所重视的事情。

通过移除电气隔离、串行接口驱动程序和物理连接器，可以简化BOM，与电缆接口相关的产品成本可以降低多达48％。移除物理连接器还能避免给外壳开口以使用户可以接触连接器这一需求。如果连接器需要针对灰尘或潮湿等环境条件实施额外的保护，则可以实现更大的成本节省，因为使用基于蓝牙的解决方案将不再需要这些保护措施。

这种架构允许用户从一个位置无线连接多个设备，而无需对设备进行物理访问，这可以提高功能安全性。这样就可以更灵活地修改设备配置及下载存储在设备中的诊断数据以进行分析和故障排除。默认情况下，蓝牙还包括数据加密和散列算法，这可以为抵御网络威胁增加另一层保护。

如上所述，Bluetooth Xpress产品附带的移动应用框架可以大幅简化蓝牙的集成设计。通过抽象低层蓝牙功能使其可通过API访问，可以帮助设备制造商实现更快的产品上市时间，因为他们可以将高价值的开发工作用于为产品添加功能，而不是去学习蓝牙在Android或iOS方面的特性。移动应用还支持云连接，这可以用于提供基于云的新产品。

结论

从本质上讲，蓝牙与硬件无关。现在，越来越多的设备支持蓝牙连接，这意味着它是低层功能与高层控制和监视功能之间的有效抽象层。

蓝牙在工业环境中有很多好处。作为可替代电缆的技术，它已经被证明是HMI应用设计中的一种可靠解决方案。使用Silicon Labs的Bluetooth Xpress这样的模块为设备添加蓝牙连接功能可以节省大量可衡量的费用，而且不需要物理电缆接口要用到的那些昂贵组件，从而可以显著降低成本。同时，使用移动应用程序可以提供更友好的用户界面，通过将应用程序连接到云端还可以进一步扩展功能。

凭借在板层、链路层和移动应用层易于集成的现成API，Bluetooth Xpress产品组合成为了替代现有串行通信电缆接口的理想解决方案。使用预认证的模块可以实现更快的产品上市时间，因为设备制造商不用再去担心耗时的认证过程，而是可以专注于市场营销工作以使他们的设备获得成功。

编辑：hfy