如何利用國半LMX9820芯片進(jìn)行藍牙系統設計

我們若想設計一套完善的藍牙(Bluetooth)系統，就必須充分掌握其中的技術(shù)知識，例如協(xié)議堆棧、射頻設計及系統集成等方面的專(zhuān)門(mén)知識。美國國家半導體Simply Blue模塊系列首款產(chǎn)品LMX9820芯片的面世令藍牙系統的設計工作變得更為容易。以采用微控制器并設有通用異步收發(fā)器(UART)的定標器、恒溫器及儀表為例來(lái)說(shuō)，這類(lèi)電子設備目前都可無(wú)需在軟件方面作出任何修改便能輕易添加點(diǎn)對點(diǎn)藍牙通信的功能。

藍牙(Bluetooth)是一種什么技術(shù)？

　　藍牙技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標準，原意是用來(lái)取代不同長(cháng)度的電纜，例如Class 3支持1米/3.3英尺無(wú)線(xiàn)距離，Class 2支持10米/33英尺的無(wú)線(xiàn)距離。由于第一類(lèi)電纜用于較長(cháng)距離的數據傳送，因此藍牙無(wú)線(xiàn)通信若要覆蓋如此大的范圍，其耗電便會(huì )遠比短距離傳送為多，因此便攜式電子產(chǎn)品通常都不會(huì )采用藍牙無(wú)線(xiàn)通信系統進(jìn)行長(cháng)距離的信號傳送。

　　藍牙技術(shù)以2.4GHz的頻帶操作，可為625μs的短信息包提供一個(gè)穩定的傳輸環(huán)境，而且可以利用跳頻避免信號受到干擾。此外，由于藍牙技術(shù)設有高斯最小移位鍵控(GMSK)調制功能，因此有助降低系統成本。

何謂藍牙堆棧？

　　執行通信協(xié)議規定所必要的軟件一般稱(chēng)為堆?；蛩{牙協(xié)議堆棧。堆棧這個(gè)詞含有堆合一起的意思，因此按照開(kāi)放系統互連(OSI)網(wǎng)絡(luò )模式組裝一起的模塊式或層級式軟件便稱(chēng)為堆棧。堆棧有時(shí)稱(chēng)為驅動(dòng)程序，可用于符合WiFi及通用串行總線(xiàn)(USB)標準的系統。藍牙技術(shù)一如通用串總線(xiàn)，特別為不同種類(lèi)的設備分別設有特定的接口。例如，符合通用串行總線(xiàn)標準的鍵盤(pán)和滑鼠、打印機以及音響系統都有特定的驅動(dòng)程序，而藍牙也設有特定的概要文件如人機界面設備(HID)、基本打印概要文件(BPP)以及先進(jìn)音頻分配概要文件(AADP)。

數據鏈路必須獲得以下幾個(gè)最基本的概要文件為其提供支持：

　　一般應用概要文件(GAP)；

　　介紹服務(wù)應用概要文件(SDAP)；

　　串行端口概要文件(SPP)。

圖1：典型的接口電路圖。

Simply Blue可以精簡(jiǎn)藍牙系統的設計

　　即使藍牙系統內置了堆棧及概要文件，串行端口概要文件(SPP)與其它軟件的基本連系仍有待建立，換言之，要待有關(guān)指令全部完成交換后，數據鏈路才可視為正式建立。換言之，原有系統的軟件必須作出修改，以致整個(gè)工程項目的施工時(shí)間會(huì )被耽誤，對于內置只讀存儲器的設備來(lái)說(shuō)，這方面的時(shí)間延誤尤其顯著(zhù)。

　　幸好另外還有一個(gè)更為容易的方法可為藍牙系統編寫(xiě)應用程序。以LMX9820為例來(lái)說(shuō)，由于這款芯片已預載了NRE以及免繳版稅的全面嵌入式藍牙堆棧(如L2CAP、RFComm及SDP)與概要文件(如GAP、SDAP及SPP)，因此客戶(hù)可以專(zhuān)注于設計工作，無(wú)需為投資什么軟件而分心。LMX9820設有透明模式，可以通過(guò)預置的通電功能啟動(dòng)系統，傳送原始數據。換言之，任何設有通用異步收發(fā)器(UART)的電子產(chǎn)品都可與任何藍牙裝置如個(gè)人數字助理(PDA)或筆記本計算機連通?，F產(chǎn)品如設有紅外線(xiàn)數字信號連接(IrDA)端口的打印機及診斷設備都可利用藍牙技術(shù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳送。

天線(xiàn)的信號接收能力：示例1

　　圖1的電路圖顯示我們其實(shí)很容易便能為電子產(chǎn)品添加藍牙通信功能。圖中的電路只需采用極少的獨立式電源供應器及去耦電容器，但即使如此，我們設計時(shí)也須抱持審慎的態(tài)度，因為多噪音的電源供應器可以影響射頻系統的收發(fā)能力。圖中的12MHz石英振蕩器或時(shí)鐘負責為系統功能計時(shí)。較新的LMX9820A芯片可以提供32kHz的時(shí)鐘頻率以供選擇，以便系統可以自動(dòng)選用節能模式操作。

　　LMX9820芯片的通用異步收發(fā)器能以高達921.6kbps的速度操作，并可另外配置ISEL1及ISEL2管腳，以便將速度調低至9600bps及115.2kbps等較低的速度，也可利用通用異步收發(fā)器設定其它速度，例如38.4kbps(初始速度則設定為921.6kbps)。對于操作速度低于115.2kbps的系統來(lái)說(shuō)，最理想的做法是設立硬件交接機制，但這并非必要。數據鏈路若直接與微控制器連接一起，可令數據傳送速度提高至921.6kbps，理論上空氣接口的速度可高達708kbps(按規格應高達721kbps)。產(chǎn)品編號為BT-TXA-KT1-0-01的Simply Blue評價(jià)套件因為受到裝設在接口電路板上及大部分個(gè)人計算機內的RS-232電平轉換器集成電路所限制，以致速度無(wú)法超過(guò)230.4kbps。

如何讓電子產(chǎn)品充分利用Simply Blue技術(shù)

　　透明模式

　　LMX9820芯片已預先設定在啟動(dòng)后會(huì )自動(dòng)采用從屬配置，然后轉用只會(huì )傳送原始有效載荷數據的透明模式。由于LMX9820芯片采用這樣的設計，因此可以自動(dòng)與個(gè)人數字助理或便攜式計算等設備連通，以免干擾原有設備的主處理器的運作。

　　命令模式

　　藍牙系統只要發(fā)出ASCII‘中斷’(break)命令，便可進(jìn)入命令模式，以便內置藍牙通信系統的電子產(chǎn)品可以添加更先進(jìn)的功能，滿(mǎn)足個(gè)別產(chǎn)品的特殊要求。正如圖2所顯示，這種方法需要更多方面的配合，因為產(chǎn)品需要通過(guò)應用編程接口(API)將相關(guān)的命令傳送到LMX9820芯片，但這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以提供透明模式所無(wú)法提供的功能特色。為了方便使用及確保數據安全，系統設計工程師可為個(gè)別客戶(hù)預先設定局部命名、管腳代碼及鏈路鍵等參數。若采用命令模式，LMX9820芯片能夠利用一點(diǎn)至多點(diǎn)的節點(diǎn)操作，以便同時(shí)連通高達三具不同的電子裝置。

　　石英振蕩器

　　藍牙系統必須采用20ppm的石英振蕩器或時(shí)鐘(若石英振蕩器或時(shí)鐘已老化，15ppm也足夠)，因為這兩種計時(shí)工具的優(yōu)劣會(huì )直接影響射頻系統的性能。工程師必須依照石英振蕩器廠(chǎng)商就有關(guān)電容負載所定的有關(guān)規定，以及將LMX9820芯片的管腳電容一并計算在內。若采用較新型號的LMX9820ASM芯片，舊型號產(chǎn)品如LMX9820SB芯片原本采用的電容器可能因為輸入電容稍有不同以致必須更換，以確保電容器可以配合石英振蕩器運作。

　　天線(xiàn)

　　天線(xiàn)效率及模式可以大大影響電子產(chǎn)品的接收范圍及接收能力。天線(xiàn)的增益越高，其接收范圍也越廣，但由于便攜式電子產(chǎn)品具有高度的定向性，以致這些產(chǎn)品必須互相瞄準對方，因此廣闊的接收范圍對這類(lèi)便攜式電子產(chǎn)品并不適用，也正因如此，大部分便攜式產(chǎn)品都采用單向的設計，以確保性能穩定可靠。為了確保天線(xiàn)能充分發(fā)揮其性能，我們必須加設另一相匹配的電線(xiàn)，其線(xiàn)跡寬度及電路板厚度必須有足夠的誤差容限，以方便生產(chǎn)。有關(guān)接地層及布局規格的資料，可以查閱相關(guān)廠(chǎng)商的數據表及應用技術(shù)參考資料。此外，如欲進(jìn)一步咨詢(xún)有關(guān)美國國家半導體藍牙系列產(chǎn)品的資料，可瀏覽www.national.com/bluetooth網(wǎng)頁(yè)。