蓝牙功耗测量与分析¶

本文介绍如何测量设备在蓝牙（Bluetooth）运行期间的实际功耗，包括低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）、经典蓝牙（BR/EDR），以及双模产品中两种模式的组合运行情况。对每种场景，都要明确电气测量边界，记录电流和电压，并采集足够的固件信息来解释波形中的关键区段。

经典蓝牙和双模部分仅适用于设备及其固件配置均支持 BR/EDR 的产品。仅支持 BLE 的产品仍应采用本文方法，但场景计划只需覆盖 BLE。

Nordic 的 Online Power Profiler for Bluetooth LE可作为 BLE 功耗分析的参考。Nordic 称，该工具是根据测量数据建立的模型，用于估算预期值，并非对某台设备进行实测。公开的精度数据仅适用于 Nordic 参考器件，不能直接套用到 SF32；该工具也不涵盖经典蓝牙或双模产品。模型可帮助确定测试重点，但产品功耗必须通过目标设备的实测来确认。

先定义测量对象¶

“蓝牙功耗”可能指完全不同的内容。只测射频或某一电源轨，有助于优化连接参数，却不能说明量产设备在控制器、应用 CPU、传感器、显示、存储和供电系统共同参与时的实际耗电。

要给出产品续航结论时，应尽可能在电池或产品主输入边界测量。同时记录电压和电流，才能将结果表达为功率和能量，而不是脱离供电条件的单一电流数字。

搭建可重复的测试¶

仪器和设备必须以同一个有明确记录的测试边界为准。当 Nordic Power Profiler Kit II（PPK II）的电压和电流量程适合测试条件时，可将其用作供电与电流测量的实用参考工具；等效的源测量单元或电流分析仪也可以使用。关键在于测量方法是否严谨，而不是仪器品牌。

PPK II 的源测量模式（Source Meter）由仪器为设备供电；电流测量模式（Ampere Meter）则由外部电源经仪器向设备供电。根据产品实际供电路径选择模式。设置的供电电压不等于已记录的设备电压波形；仍应在测量点监测电压，尤其是电压跌落或电池电压变化会影响能量计算时。

连接被测设备（DUT）前，先确认 PPK II 的工作范围：Source Meter 模式的输出电压可在 0.8–5.0 V 之间调节，DUT 电流上限为 600 mA；Ampere Meter 模式需要外部 0.8–5.0 V 电源，连续测量电流上限为 1 A。如果 DUT 在 Source Meter 模式下可能超过 400 mA，Nordic 建议额外使用额定电流至少为 1 A 的 USB 电源为 PPK II 供电。这些是仪器的使用上限，不是设备的建议工作值。详见 Nordic 的最大 DUT 电流规格和供电说明。

flowchart LR
    A["已配置的电源或电池模拟器"] --> B["电流测量仪器"]
    B --> C["已定义的产品供电边界"]
    C --> D["SF32 设备、射频和已使能外设"]
    E["同一边界上的电压监测"] -. "与电流同步记录" .-> C
    F["隔离的调试或跟踪接口"] -. "仅输出状态标记" .-> D

每次测试前应完成以下准备：

1. 断开可能绕过仪器或引入额外负载的 USB 供电、调试器和其他电源。只保留场景必需的接口。
2. 在选定边界施加已记录的供电电压，并记录所有已供电电源轨、跳帽、模组和外部设备。
3. 使用产品固件及其目标 PM 配置。除非大量诊断日志本身属于量产配置，否则在最终数据中关闭它们。
4. 对每次对比使用相同的手机、配件、测试应用、距离、天线朝向和射频环境。
5. 采集足够长的波形窗口，覆盖多个重复蓝牙事件，不要只截取单个孤立脉冲。

看懂 BLE 广播事件中的功耗阶段¶

典型的 BLE 广播事件并不是一个单独的射频脉冲。它先经历短暂的上电和预处理阶段，再完成高频晶振启动与稳定；当电源与时钟准备就绪后，设备会进入待机（Standby），等待预定的射频启动时刻。对于图示的可扫描或可连接广播，设备启动射频后，会在一个主广播信道发送广播包，并在同一信道打开接收窗口。前两个接收窗口结束后，设备会回到待机，再在下一个信道发送；最后一个接收窗口结束后进入后处理。不可连接且不可扫描的广播不会打开用于监听请求的接收窗口。实际阶段取决于配置的广播类型和信道映射。

图中完整顺序为：预处理 → 晶振启动 → 待机 → 射频启动 → 射频发射 → 射频切换 → 射频接收 → 待机 → 射频发射 → 射频切换 → 射频接收 → 待机 → 射频发射 → 射频切换 → 射频接收 → 后处理。射频启动阶段只出现一次；38、39 信道的发送分别在前一信道接收窗口后的待机阶段结束后开始。该顺序参考 Nordic 的典型 BLE 广播事件示意图。这些阶段描述的是通用 BLE 广播事件，并非 Nordic 专有的射频状态；本图没有增加其他状态。图中的电流和时序比例仅用于说明，并非 SF32 实测值；请在目标设备上测量。

图中展示的是传统可扫描或可连接广播使用三个主广播信道的示例，且未画出收到请求后的交互。信道标签 37、38、39 仅为图示。Bluetooth Core Specification 允许按任意顺序使用已启用的主信道索引；具体使用哪些索引由信道映射配置决定。一个事件通常会在每个已用索引上发送一个广播 PDU，且每个索引最多发送一个。三次发送是在不同信道上发送相同广播数据的副本，不是等待确认后的重试。对于可扫描或可连接广播，链路层会在同一主信道监听符合策略的请求；不可连接且不可扫描的广播则不会打开用于监听请求的接收窗口。详见 Bluetooth Core 6.2 链路层规范 和 Bluetooth SIG 入门资料。扩展广播、不同的信道映射或实际收到请求，都可能产生不同波形；应在目标设备上确认配置行为。

对于 SF32，应将这些阶段名称作为波形打点和归因提示，而不是视为 Nordic 专有的运行状态或假定的时序、电流数值。只有当目标广播类型和配置会打开接收窗口时，事件中才会出现接收阶段；应通过目标设备的实测波形确认。

完整事件的能量是波形下经电压加权的面积，可按各阶段求和：

E_event = sum(V_stage x I_stage x t_stage)

当供电电压保持恒定时，周期性广播配置可近似为：

Q_event = sum(I_stage x t_stage)
I_average = (Q_event + I_idle x (T_cycle - t_event)) / T_cycle

Q_event 包含完整事件中各阶段的电量，包括事件内部的待机区间；t_event 是完整事件的持续时间。I_idle 是两次完整事件之间的实测空闲电流，不能直接用事件内部的 I_standby 代替。T_cycle 是两次事件开始时刻之间的实测间隔，包含广播延迟和调度影响。若间隔不固定，应对足够长且有代表性的波形积分，不要将配置的广播间隔当作精确的事件周期。

在电压不变时，某阶段的实测电流或持续时间翻倍，该阶段的能量也翻倍。TX、RX 和启动阶段虽短，仍可能是单次事件的主要耗电项；事件间隔较长时，两次事件之间的空闲耗电则可能主导平均电流。用 GPIO 或低开销固件事件标记各阶段，并在完整产品的供电入口测量，再决定优先优化什么。

经典蓝牙的协议时序不同，但测量原则相同。Bluetooth Core Specification 将 Inquiry Scan 和 Page Scan 定义为不同的扫描过程；Sniff 则是已连接的 ACL 模式，会减少 Peripheral 一侧的监听时隙，并将监听安排在指定的 Sniff 时机。对端流量可能使活动超出一个锚点间隔。它们描述的是时序行为，不是电流估算值。应在目标设备上测量实际配置的扫描策略、Sniff 参数，以及对端和应用活动。详见 BR/EDR 基带规范 和 HCI Scan Enable。

先按蓝牙模式规划测量场景¶

不要把“已开启蓝牙”当成一个工作状态。BLE 与经典蓝牙使用不同的连接和低功耗过程；双模产品可能会让两种模式共享射频时隙、控制器资源、时钟、内存及应用处理工作。应先建立最小、可重复的单模式场景，再测量产品实际会采用的组合行为。

思澈科技（SiFli）的 BLE/BT 功耗测试可作为实用基线：它覆盖 BLE 广播和连接模式，以及经典蓝牙的 Scan 和 Sniff 模式。该示例在开发板上的结果并不是产品规格。应先按其支持开发板、唤醒引脚、调试终端（Console）和 PM 设置建立可重复基线，再在目标硬件上复现产品实际的角色、对端、流量和功耗策略。

先独立测量 BLE¶

先只测 BLE。这样可以建立 BLE 基线，不会让经典蓝牙 Profile 流量或跨模式调度干扰波形判断。

应记录 BLE 的角色、对端、连接或广播参数、TX 功率、载荷、起始触发、结束条件和真实使用频率。缺少这些信息的波形无法与其他固件版本进行对比。

再独立测量经典蓝牙¶

双模产品应在引入 BLE 之前，先单独测量经典蓝牙。这样可以看清 Scan、Sniff 的基线，以及每种 Profile 特有的系统工作，而不会被 BLE 事件交错干扰。

应记录经典蓝牙的角色、对端、Scan 或 Sniff 策略、TX 功率、Profile、载荷或会话时长、起始触发、结束条件和真实使用频率。对于音频 Profile，测量边界必须覆盖产品实际使用的音频通路。

将双模行为作为独立场景测量¶

不要用一项 BLE 测量结果加上一项经典蓝牙测量结果，来推算双模产品的功耗。两种模式可能共享射频时隙、控制器处理、时钟、内存资源和应用唤醒，因此组合结果可能与两个独立平均值的算术和有明显差异。

flowchart LR
    A["测量整机空闲基线"] --> B["测量仅 BLE 的场景"]
    A --> C["测量仅经典蓝牙的场景"]
    B --> D["运行量产双模场景"]
    C --> D
    D --> E["标记 BLE、经典蓝牙、Host 与外设工作"]
    E --> F["将实测组合能量纳入产品预算"]

只有在理解独立的 BLE 和经典蓝牙基线之后，才应开始对双模产品进行功耗分析。例如，产品在保持 BLE 链路可用的同时播放经典蓝牙音频时，应在相同硬件和对端条件下分别测量：

1. 仅 BLE 的已连接空闲策略。
2. 仅经典蓝牙的音频流或数据 Profile。
3. 包含目标 BLE 流量的实际组合稳态。
4. 进入和退出组合状态的过程，以及错误恢复和重连行为。

波形标记应能区分 BLE 事件、经典蓝牙 Profile 工作、应用回调、音频或数据处理，以及 PM 状态变化。这样既能分离射频调度与它触发的系统工作，也能发现意外相互影响，例如 BLE 回调让应用 CPU 在经典蓝牙会话期间无法重新进入睡眠。

将波形归因到固件行为¶

找出设备实际耗电的关键在于归因。应对产品工作开始和结束做标记或记录，让波形能够回答“为什么电流发生变化”：

• 应用主动发起传输或通知突发的前后。
• 显示、传感器、Flash、音频通路或其他外部器件的开关时刻。
• 固件请求 PM 状态的时刻，以及设备实际进入该状态的时刻。
• 重连、重试或错误恢复路径开始的时刻。

可使用 GPIO 跟踪点、低开销事件标记或可重复的测试脚本。串口日志有助于启动调试，但也会改变电流消耗。最终功耗测量中的日志应作为受控测试变量，而不是没有代价的观察通道。

计算实际能量与每日消耗¶

对于变化的电流波形，应根据电流和电压随时间计算能量：

E_scenario = integral(V(t) x I(t) dt)
P_average = E_scenario / T_scenario

如果测量边界上的电压保持恒定，也可以使用平均电流做比较。但仍应保留电压记录，尤其是在稳压后电源轨和电池输入之间切换测量时。

对于重复发生的产品场景：

E_day = sum(E_scenario x events_per_day) + E_mode_idle + E_other_states

将一天划分为互不重叠的时段。E_mode_idle 和 E_other_states 只能计入完整场景能量尚未覆盖的时间。BLE 与经典蓝牙同时运行时，应采用实测的组合场景，不能直接相加两个独立模式的结果。如果模型已计入全天 24 小时的基线耗电，每个操作只计入高于该基线的能量，不计入其完整能量。电压、电流和时间分别用 V、A、s 时，计算结果为 J；除以 3600 可换算为 Wh。

场景能量必须覆盖设备完成该场景所需的全部工作。例如，一条手机通知可能包含连接事件、Host 处理、传感器或 Flash 访问、显示更新和重新进入睡眠。只测射频脉冲会低估设备能量；只测整机而没有波形标记，又无法找到可以优化的原因。

用设备实测校准模型¶

先用初始模型排序可能的主要贡献项，再用实测值更新它。估算与波形之间的差异本身就很有价值：它可能指出遗漏的事件、错误的时长、意外唤醒，或未被纳入模型的外部负载。

flowchart LR
    A["定义一个产品场景"] --> B["在设备上测量电流和电压"]
    B --> C["标记并归因波形区段"]
    C --> D["计算每次完成场景的能量"]
    D --> E["按真实每日使用频率换算"]
    E --> F["与功耗预算比较"]
    F --> G["优化最大的贡献项"]
    G --> A

以思澈科技（SiFli）的可重复基线为起点¶

先使用 SiFli-SDK 示例让某种蓝牙状态可重复，再测量产品固件。示例的支持开发板、供电路径、跳帽配置、SDK 设置和测试步骤属于基线证据，而不是产品规格。

发布前评审清单¶

• 已记录测量边界和供电电压。
• 已为每个影响发布决策的场景记录电流和电压。
• 已控制或明确纳入 USB、调试器、UART 适配器和外部模组电源的影响。
• 已将波形与固件事件、PM 状态请求和实际进入状态对应起来。
• 已测量适用的 BLE 广播/已连接空闲，以及经典蓝牙 Scan/Sniff 行为。
• 每个量产经典蓝牙数据或音频 Profile 都有定义明确、已经测量的负载。
• 双模场景已按组合产品状态实测，而不是通过相加单模式结果估算。
• 已测量适用的代表性传输、断连和重连行为。
• 已按真实每日频率换算场景能量，并与电池预算核对。
• 最大能量贡献项已有负责人和优化或接受决策。

相关资源¶

• 蓝牙概览：了解 BLE、经典蓝牙、Profile、安全和系统共存。
• 蓝牙 SDK 示例：按任务选择经典蓝牙、BLE 和 LE Audio 项目。
• 低功耗概览：了解 PM 设计和整机功耗预算。
• 功耗测量与验证：了解从器件到产品的验证流程。
• 智能手表功耗建模：查看每日使用能量模型示例。

最后更新: 2026-10-21