MSP430的低功耗特性在藍牙產(chǎn)品中的應用

摘要：在介紹MSP430F447單片機和LBMx-2002藍牙模塊的特點(diǎn)和功能的基礎上，著(zhù)重介紹了單片機和藍牙系統的各種低功耗工作特性，并充分利用其節能特性實(shí)現MSP430F447單片機在便攜式藍牙產(chǎn)品中的應用。 關(guān)鍵詞：MSP430 低功耗 藍牙 LBMx-2002 藍牙技術(shù)是一項新興的計算機與通信方面的短距離（１０ｍ～１００ｍ）無(wú)線(xiàn)電信號傳輸標準，是一種面向低功耗的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。在實(shí)際應用中，盡管藍牙功耗很小，但是藍牙在工作時(shí)天線(xiàn)發(fā)射所需要的功耗相對來(lái)說(shuō)仍然較大，因此在小型便攜式產(chǎn)品中為了實(shí)現小容量電池供電?熏需要考慮如何進(jìn)一步降低功耗、延長(cháng)電池的使用時(shí)間。 本文介紹ＴＩ公司ＭＳＰ４３０系列中Ｆ４４７單片機以及ＬＧ Ｉｎｎｏｔｅｋ公司Ｃｌａｓｓ ２藍牙模塊ＬＢＭｘ－２００２的特點(diǎn)和使用，并介紹如何利用它們本身具有的各種低功耗運行方式最大限度地降低系統功耗，以較小的硬件尺寸、較好的便攜性和移動(dòng)性實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)或者一點(diǎn)對多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)數據和信息的傳輸。 １ 系統結構 典型的藍牙應用系統如圖１所示。系統由多個(gè)可移動(dòng)的藍牙從設備（ＳＬＡＶＥ）、一個(gè)負責與藍牙從設備建立連接的藍牙主設備（ＭＡＳＴＥＲ）以及一臺管理計算機組成。藍牙主設備可以通過(guò)ＲＳ－２３２、ＰＣＩ或者ＵＳＢ與計算機連接起來(lái)。藍牙從設備可以設計為各種便攜和移動(dòng)器件，例如車(chē)輛管理系統的車(chē)載裝置、門(mén)禁系統的身份卡。藍牙主設備不斷查詢(xún)是否有新的藍牙設備，再將查詢(xún)到的信息通過(guò)接口發(fā)送給計算機，由計算機決定是否對其進(jìn)行連接，并建立數據鏈路，控制各個(gè)從設備與主設備的通信。計算機與各種藍牙接入裝置之間的各種信息通過(guò)藍牙數據鏈路完成交換。２ 藍牙接入裝置硬件結構 以藍牙從設備為例，藍牙從設備的硬件結構如圖２所示。系統由ＭＳＰ４３０Ｆ４４７、ＬＢＭｘ－２００２藍牙模塊、ＲＳ－２３２接口、串行存儲器、ＬＣＤ顯示屏以及微帶天線(xiàn)組成。單片機通過(guò)ＵＡＲＴ１控制藍牙模塊的工作。作為從設備需要主設備發(fā)起連接，未建立連接時(shí)，一直處在等待連接狀態(tài)。數據鏈路建立后，單片機接收藍牙模塊返回的數據，并將數據通過(guò)ＬＣＤ屏顯示。ＲＳ－２３２接口用于配置從設備信息，如從設備的ＩＤ、安全連接ＰＩＮ碼等。從設備信息由計算機通過(guò)ＲＳ－２３２接口發(fā)送給單片機，單片機將其保存在內部的Ｆｌａｓｈ或者擴展的串行存儲器中。 ２．１ ＭＳＰ４３０Ｆ４４７單片機 ＭＳＰ４３０Ｆ４４７工作電壓范圍１．８Ｖ～３．６Ｖ。在１ＭＨｚ時(shí)，不同運行模式下的額定工作電流為０．１μＡ～４００μＡ，具有五種節能工作方式，可以使系統在保證正常運行條件下最大限度地降低功耗。內部具有硬件乘法器、ＦＬＬ＋時(shí)鐘系統、１２位Ａ／Ｄ、模擬比較器和定時(shí)器模塊，還包括六個(gè)Ｉ／Ｏ端口以及兩個(gè)硬件ＵＡＲＴ。另外，它還支持高達１６０段位的ＬＣＤ驅動(dòng)器，可以不另外增加液晶驅動(dòng)模塊而直接連接ＬＣＤ顯示屏。單片機內部具有電源電壓管理單元，可以很方便地實(shí)現電池電壓監測。ＭＳＰ４３０Ｆ４４７有六種運行模式，一種是ＡＭ正常運行模式，其余為低功耗運行模式： （１）ＬＰＭ０（Ｌｏｗ－ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｅ ０）：ＣＰＵ和ＭＣＬＫ主時(shí)鐘關(guān)閉，ＡＣＬＫ輔助時(shí)鐘、ＳＭＣＬＫ子系統主時(shí)鐘和ＦＬＬ＋鎖頻環(huán)保持活躍； （２）ＬＰＭ１：ＣＰＵ、ＭＣＬＫ和ＦＬＬ＋關(guān)閉，ＡＣＬＫ和ＳＭＣＬＫ保持活躍； （３）ＬＰＭ２：ＣＰＵ、ＭＣＬＫ、ＦＬＬ＋和ＤＣＯＣＬＫ關(guān)閉，ＡＣＬＫ和數字時(shí)鐘發(fā)生器保持活躍； （４）ＬＰＭ３：ＣＰＵ、ＭＣＬＫ、ＦＬＬ＋、ＤＣＯＣＬＫ和數字時(shí)鐘發(fā)生器關(guān)閉，ＡＣＬＫ保持活躍； （５）ＬＰＭ４：ＣＰＵ、ＭＣＬＫ、ＡＣＬＫ、ＦＬＬ＋、ＤＣＯＣＬＫ和時(shí)鐘發(fā)生器關(guān)閉，晶振停止振蕩。 以ｆ（ＡＣＬＫ）＝３２．７６８Ｈｚ，ｆ（Ｓｙｓｔｅｍ）＝１ＭＨｚ，ＶＣＣ＝３Ｖ為例，單片機運行時(shí)，ＡＭ時(shí)消耗電流為４２０μＡ，ＬＰＭ０時(shí)為５５μＡ，ＬＰＭ２時(shí)為１７μＡ，ＬＰＭ３時(shí)為１．６μＡ（２５℃），ＬＰＭ４時(shí)為０．１μＡ（２５℃）。 ２．２ 藍牙模塊 本文使用ＬＧ Ｉｎｎｏｔｅｋ公司Ｃｌａｓｓ ２ 藍牙模塊ＬＢＭｘ－２００２，內部結構如圖３所示。其內核藍牙模塊采用ＣＳＲ公司的ＢｌｕｅＣｏｒｅ２－Ｅｘｔ單片藍牙，通過(guò)對ＢｌｕｅＣｏｒｅ２－Ｅｘｔ的進(jìn)一步封裝，極大地降低了電路設計的難度。ＬＢＭｘ－２００２提供完全兼容藍牙系統的數據和語(yǔ)音通信，向主機提供ＵＡＲＴ和ＵＳＢ接口，支持７２３．２ｋｂｐｓ／５７．６ｋｂｐｓ數據速率及Ａ律、μ律壓縮，提供每秒８ｋＨｚ采樣率，雙向同步串行音頻接口。內部具有４ＭＢ／８ＭＢ的ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ。其協(xié)議棧采用ＢｌｕｅＣｏｒｅ２－Ｅｘｔ ＨＣＩＳｔａｃｋ１．１ｖ１４．３，兼容藍牙規范１．１版本。整個(gè)模塊的尺寸相當小，只有１２．５ｍｍ%26;#215;１７．５ｍｍ。 它的供電電壓為３．０Ｖ～３．６Ｖ，工作電流在ＡＣＬ數據傳輸(ＵＡＲＴ／１１５．２ｋｂｐｓ)是２０ｍＡ，在只有Ｖｏｉｃｅ時(shí)(ＨＶ３ Ｐａｃｋｅｔ)是３３ｍＡ，具體如表１所示。 藍牙支持三種節能工作模式：ＨＯＬＤ（保持）模式、ＳＮＩＦＦ（呼吸）模式和ＰＡＲＫ（暫停）模式。在ＨＯＬＤ模式下，只有一個(gè)內部計數器工作。當處于ＨＯＬＤ模式的單元被激活，數據傳遞立即重新開(kāi)始。ＨＯＬＤ模式一般用于連接多個(gè)ＰＩＣＯＮＥＴ（微微網(wǎng)）的情況。在ＳＮＩＦＦ模式下，從設備降低了從微微網(wǎng)“收聽(tīng)”消息的速率，“呼吸”間隔也可以適當調整。在ＰＡＲＫ模式下，設備依然與微微網(wǎng)同步但沒(méi)有數據傳送。工作在ＰＡＲＫ模式下的設備放棄了ＭＡＣ地址，偶爾收聽(tīng)主設備的消息并恢復同步，檢查廣播消息。這三種工作模式以ＰＡＲＫ模式節能效率最高，依次是ＨＯＬＤ模式和ＳＮＩＦＦ模式。圖4 軟件流程圖通過(guò)表１可以看出?熏藍牙建立連接后在ＰＡＲＫ模式條件下的消耗電流最低，通過(guò)控制藍牙的工作狀態(tài)與ＭＳＰ４３０的低功耗模式相結合，可以極大地降低系統工作電流，延長(cháng)電池的使用時(shí)間。在本文的藍牙接入裝置中，通過(guò)單片機外接高頻晶振、關(guān)閉頻率鎖定環(huán)ＦＬＬ＋等內部模塊，將單片機的節能模式設定到了ＬＰＭ３，只要保持輔助時(shí)鐘ＡＣＬＫ活躍，就可以響應藍牙模塊通過(guò)ＵＡＲＴ返回的數據和消息。藍牙模塊建立連接后，只要沒(méi)有數據傳輸，就將其工作模式置為ＰＡＲＫ模式。當主設備需要再次傳輸數據時(shí)，需要向從設備發(fā)送退出ＰＡＲＫ命令。從設備退出ＰＡＲＫ模式后，即可與主設備進(jìn)行數據信息交換。表1 LBMx-2002藍牙模塊的工作電流 ModeAveragePeakSCO connection HV3(1s interval sniff mode)(Slave)SCO connection HV3(1s interval sniff mode)(Master)SCO connection HV1(Slave)SCO connection HV1(Master)ACL Data transfer,115.2kbps UART(Slave)master to SlaveACL Data transfer,115.2kbps UART(Slave)Slave (Master)Master to SlaveACL Data transfer,115.2kbps UART(Master) Slave to Master Deep Sleep Mode,InitialACL connection ,Sniff Mode 40ms interval,57.6kbps UARTACL connection,Sniff Mode 1.28s interval,38.4kbps UARTPark ModePeak current during RF burst32mA33mA67mA67mA60mA56mA63mA20mA50μA4mA1mA0.6mA80mA３ 藍牙接入裝置的軟件實(shí)現 下面以從設備為例說(shuō)明從設備的工作過(guò)程（不涉及存儲器和ＬＣＤ操作，主從設備之間只建立ＡＣＬ數據鏈路）。首先單片機初始化，設置ＡＣＬＫ輔助時(shí)鐘，設置ＵＡＲＴ０和ＵＡＲＴ１等內部模塊時(shí)鐘為ＡＣＬＫ，藍牙模塊復位；設置連接模式后，單片機進(jìn)入ＬＰＭ３休眠狀態(tài)；當主設備通過(guò)Ｉｎｑｕｉｒｙ查詢(xún)到從設備并建立連接后，單片機退出休眠模式，并修改藍牙模塊的被查詢(xún)方式以及設置ＰＡＲＫ模式的使能，隨后主從設備進(jìn)行數據信息交換；當沒(méi)有數據交換時(shí)，藍牙模塊進(jìn)入ＰＡＲＫ模式，單片機隨即進(jìn)入ＬＰＭ３休眠狀態(tài)，以降低功耗；當數據的傳輸恢復時(shí)系統再退出休眠狀態(tài)。圖４為系統軟件流程圖。 該藍牙接入裝置通過(guò)改變單片機和藍牙模塊的運行方式，最大限度地降低了整個(gè)裝置的功耗。實(shí)驗證明，其節能效果非常顯著(zhù)，在小數據量業(yè)務(wù)下完全可以使用高容量的鋰電池實(shí)現系統的便攜性、可移動(dòng)性和較長(cháng)的使用時(shí)間，因此具有較好的實(shí)用價(jià)值。