無(wú)線(xiàn)通信模塊設計與開(kāi)發(fā)

1 引言

藍牙技術(shù)是一個(gè)開(kāi)放性的、短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標準，它工作在全球通用的2.4GHZ ISM 頻段，采用跳頻擴頻技術(shù)，可以用于近距離通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接的方式實(shí)現固定設備以及移動(dòng)設備 之間的網(wǎng)絡(luò )互連，在各種數字設備之間實(shí)現靈活、安全、低成本、小功耗的數據和語(yǔ)音通信， 實(shí)現全方位的數據傳輸。

工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境惡劣，有些地方工作人員甚至難以接近，特別是一些工業(yè)環(huán)境禁止使用電 纜（如超凈或真空封閉的房間）或者很難使用電纜來(lái)傳送數據（如高速旋轉的設備、高空設 備、不適于布線(xiàn)的強腐蝕惡劣環(huán)境），這時(shí)采用藍牙等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)代替電纜來(lái)實(shí)現現場(chǎng)設 備與監控網(wǎng)絡(luò )間的數據傳輸就能有效解決上述問(wèn)題。為此本文針對工業(yè)現場(chǎng)設備、接入點(diǎn)、 手操器等設計藍牙無(wú)線(xiàn)通信模塊，該模塊具有體積小、完全嵌入藍牙協(xié)議、性能可靠和組網(wǎng) 靈活等特點(diǎn)。驗證了藍牙技術(shù)應用于工業(yè)控制系統的可行性。

3 藍牙模塊的硬件設計

藍牙模塊的硬件結構框圖如圖 1 所示，包括BlueCore2-External（BC212015）藍牙芯片、 SST39VF800 FLASH 芯片、FB2520 帶通濾波器+平衡不平衡變換器、LTCC 陶瓷天線(xiàn)等。電 源由配套主設備引入，經(jīng)過(guò)電源模塊電平轉換，為藍牙主芯片、存儲器、帶通濾波器和平衡 不平衡轉換器等提供所需的+3.3V 和+1.8V 電源。下面將對各個(gè)模塊分別介紹。

3.1 BlueCore2 芯片介紹

藍牙模塊采用了 BlueCore2-External（BC212015）芯片，BlueCore2 是英國CSR 公司推 出的一款工作在2.4GHZ 的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫學(xué))頻段集成基帶和射頻的單芯片藍牙芯片。

BlueCore2-External 芯片的內部結構如圖1 所示。芯片內部主要集成有32Kbyte 片上RAM、 DSP、MCU、射頻前端以及各種I/O 口。各種I/O 口包括SPI、UART、USB、PIO、PCM、 I2C 等接口。其中SPI、UART、USB 接口主要用來(lái)傳輸數據；I2C 總線(xiàn)用于鏈接EEPROM； PIO 接口為可編程接口；PCM 接口用來(lái)傳輸語(yǔ)音；在BlueCore2 中UART 接口的最大傳輸 數率為1.5Mbps，能夠達到藍牙標準中規定的723.2kbps 的數據傳輸數率。

3.2 儲存電路

由于藍牙芯片并不自帶協(xié)議棧，需要外拓一塊FLASH 用來(lái)儲存協(xié)議棧和應用軟件。本設 計中選用了Silicon 存儲科技公司(SST) 的SST39VF 系列中的一款， 閃存型號為 SST39VF800。SST39VF800 是SST 多用途高精度CMOS 閃存技術(shù)的成功典范，它采用了分 立門(mén)電路的元件設計方式和氧化通道噴射技術(shù)，使得其存儲可靠性大大提高，工藝和性能都 遠優(yōu)于其它競爭對手。此外SST 還專(zhuān)門(mén)為便攜式設備進(jìn)行了SST39VF800 的性能優(yōu)化，使 得它在運行中的能耗更小，程序執行速度更快，更加適合便攜式設備使用。根據藍牙協(xié)議棧 的大小采用8Mbit 的SST39VF800，讀取時(shí)間為70ns，工作電壓為2.7~3.6V，為了適應工業(yè) 現場(chǎng)苛刻的要求選用了支持-20℃~+85℃工業(yè)級溫度范圍的型號。

3.3 帶通濾波器+平衡不平衡轉換器(Balun)

通常射頻發(fā)射機輸出的是TX_A 和TX_B 兩路差分信號，其輸出特性是平衡（對稱(chēng)） 的。而天線(xiàn)輸出的電纜是采用50 歐姆的不平衡同軸電纜，同軸電纜直接與平衡的系統連接 時(shí)，同軸電纜不單屏蔽層的里面有高頻電流，而且屏蔽層的外面也有高頻電流流過(guò)，這樣就 會(huì )引起不必要的耦合，造成許多干擾，嚴重時(shí)甚至使周?chē)脑O備不能正常工作。所以，有必 要在天線(xiàn)和發(fā)射機輸出端之間接入平衡-不平衡轉換器。帶通濾波器一般是無(wú)源器件它的作 用是濾除接收機不需要的頻帶內的信號，為低噪聲放大器（LNA）提供選擇性信號起到減 小干擾的作用。本設計中采用了臺灣ACX 公司的集成帶通濾波器+平衡不平衡轉換器的器 件FB2520，帶通濾波器和平衡-不平衡轉換器集成在一起集成度更高有效的減小了電路板的 面積，該器件具有外型小巧，插入損耗低等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的完成平衡到不平衡端的轉換和 帶通濾波的功能。

3.4 電源模塊 藍牙模塊需要

3.3V 和1.8V 兩種電壓，其中1.8V 是為藍牙芯片和帶通濾波器+平衡不平 衡轉換器供電，3.3V 是為FLASH 芯片和藍牙芯片的外圍I/O 腳提供電壓。由于從主設備引 入的電壓為3.3V，所以在藍牙模塊上需要DC-DC 芯片實(shí)現電壓轉換。本設計中采用了廣泛 應用于移動(dòng)電話(huà)的XC6204B182MR 高速LDO 轉換芯片進(jìn)行3.3V 到1.8V 電壓轉換，該芯 片最大輸出電流為150mA，輸出電壓范圍為1.8V-6V，完全滿(mǎn)足藍牙模塊的電源需要。

3.5 晶振CSX-5032

選用的晶振為CSX-5032 為一款無(wú)鉛表面制作的貼片晶體單元。具有高可靠性的陶瓷密 封封裝確保了元件高頻時(shí)的穩定性和卓越的可焊性在小靈通、GPS 手持設備、藍牙、WLAN 等廣泛應用。我們選用了一款16MHz 的型號，外型尺寸為5mmX3.2mm，25℃頻率公差為 +-10ppm，頻率穩定性為+-5ppm。

4 藍牙模塊的軟件設計

藍牙模塊的軟件設計分為兩個(gè)部分：協(xié)議層加載、模塊初始參數設置。藍牙協(xié)議為建立 于藍牙技術(shù)之上的多種應用提供了完整的解決辦法，但對于不同應用一般只用到藍牙協(xié)議中 的某幾個(gè)，而且對于每部分協(xié)議也不必用它所提供的全部功能。

4.1 協(xié)議層加載

如圖 2 所示由于本模塊主要應用于工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信，所以在模塊的外部FLASH 中只加載了 基帶（包括LC），LM 和HCI（主機控制接口）協(xié)議層。其中HCI 為藍牙硬件中基帶控制器 和鏈路管理器提供了命令接口，從而實(shí)現對硬件狀態(tài)寄存器和控制寄存器的訪(fǎng)問(wèn)，特別是該 接口提供了對藍牙基帶的統一訪(fǎng)問(wèn)模式。加載這些協(xié)議層模塊實(shí)現了完整的藍牙鏈路控制和 嵌入式HCI 協(xié)議，屏蔽了射頻和基帶兩個(gè)硬件協(xié)議層，以后的應用開(kāi)發(fā)可以直接從HCI 層 開(kāi)始。通過(guò)封裝HCI 協(xié)議層，可以生成標準的HCI 接口函數，為上層的應用開(kāi)發(fā)提供一個(gè) 完整的平臺。