基于嵌入式處理器MCF5272家庭藍牙網(wǎng)關(guān)的實(shí)現

引言

信息家電（IA，Information Appliances）是融合了計算機和通信技術(shù)的新型消費電子產(chǎn)品，隨著(zhù)信息家電進(jìn)一步數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化和自動(dòng)化的發(fā)展趨勢，出現了家庭網(wǎng)絡(luò )。而由于藍牙技術(shù)低成本、低功耗、低復雜性、高效率、高可靠性、強互操作性和良好兼容性等特點(diǎn)，使其被家庭網(wǎng)絡(luò )所接受。為了合理有效地管理網(wǎng)絡(luò )中的家電，并使其順利地實(shí)現與家庭網(wǎng)絡(luò )以外的因特網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)甚至固定市話(huà)網(wǎng)之間的通信，藍牙網(wǎng)關(guān)的如何實(shí)現則成為問(wèn)題的關(guān)鍵。本文基于藍牙技術(shù)，介紹了用Motorola公司的嵌入式處理器MCF5272來(lái)實(shí)現家庭藍牙網(wǎng)關(guān)的具體方案。

一、藍牙與家庭網(wǎng)絡(luò )

藍牙（Bluetooth）是一種近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)規范，用來(lái)描述和規定各種信息產(chǎn)品（包括通信產(chǎn)品、計算機產(chǎn)品和消費電子產(chǎn)品）相互之間是如何用短距離無(wú)線(xiàn)電系統進(jìn)行連接的。藍牙技術(shù)的最大好處是消除了千頭萬(wàn)緒、令人頭疼的電纜線(xiàn)，從而實(shí)現信息電子設備之間的信息傳遞與同步。它具備通用電纜在成本、安全和承載能力等方面的種種特征。主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：


藍牙通過(guò)嵌入芯片來(lái)為現有的設備增添無(wú)線(xiàn)連接的功能。這種微芯片的面積只有1cm見(jiàn)方，能使設備在短距離范圍內發(fā)送無(wú)線(xiàn)電信號，來(lái)尋找另一個(gè)藍牙設備，一旦找到，相互之間便開(kāi)始通信、交換信息。藍牙可以像因特網(wǎng)那樣傳輸數據，也可以像移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)那樣傳輸語(yǔ)音。

藍牙的無(wú)線(xiàn)傳輸距離一般為10m~100m左右，發(fā)射功率大約為1mv~100mv。藍牙使用的是2.4~2.4835GHz的工業(yè)、科研、醫療全球通自由頻段。在世界上絕大部分國家無(wú)需申請無(wú)線(xiàn)電執照或許可證，使人們可以隨時(shí)隨地毫無(wú)障礙地使用藍牙設備。它采用跳頻擴譜技術(shù)，每秒1600跳，在建立連接時(shí)為3200跳，是典型的微功率設備，適于家庭范圍。

藍牙設備可以實(shí)現點(diǎn)到點(diǎn)的通信，一臺藍牙設備最多可以同時(shí)和7臺設備建立無(wú)線(xiàn)連接。通信協(xié)議采用分層結構，支持語(yǔ)音/數據訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)、外設連接、個(gè)人網(wǎng)絡(luò )（PAN）等三大范疇的應用。在通信鏈路層采用認證、加密、和密鑰管理來(lái)進(jìn)行安全控制。在應用層采用PIN（個(gè)人標識碼）進(jìn)行單雙向認證。

藍牙的傳輸速率理論上可以達到每信道1Mbit/s，實(shí)際應用時(shí)的有效值為每信道721Kbit/s，大約是普通電話(huà)線(xiàn)的13倍。它支持64Kbps的實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸，語(yǔ)音編碼采用PCM和CVSD。僅傳輸語(yǔ)音時(shí)，支持三路全雙工；當語(yǔ)音和數據同時(shí)傳輸或者僅傳輸數據時(shí)，支持433.9Kbps對稱(chēng)雙工或723.2/57.6Kbps的非對稱(chēng)雙工通信。

使用藍牙技術(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò )指網(wǎng)絡(luò )家電和其它設備通過(guò)嵌入藍牙模塊，比如USB卡、UART卡、PCM卡等，利用無(wú)線(xiàn)方式連在一起使其之間相互通信，并利用具有路由功能的家庭藍牙網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)絡(luò )互連，能提供集中的或異地的音頻/視頻通信、計算機控制和管理等，實(shí)現信息在家庭內以及與外部之間的充分通信和共享。

二、嵌入式處理器MCF5272

MCF5272微處理器是Motorola公司生產(chǎn)的高集成的ColdFire微處理器?？紤]到在設計下一代互聯(lián)網(wǎng)設備、LAN電話(huà)系統、低端網(wǎng)絡(luò )控制、工業(yè)控制、圖像設備，還是存儲解決方案時(shí)，摩托羅拉的MCF5272的高性能及通用性都能滿(mǎn)足嵌入式系統設計和應用要求。

MCF5272采用ColdFireV2可變長(cháng)RISC處理器核和DigitalDNA技術(shù)，在66MHz時(shí)鐘下能夠達到63MIPS的優(yōu)良處理能力。其內部SIM(System Integrated Module)單元集成了豐富的通用模塊，如10/100Mbps快速以太網(wǎng)控制器、USB1.1接口等，并且能夠與常用的外圍設備(如SDRAM、ISDN收發(fā)器)實(shí)現無(wú)縫連接，從而簡(jiǎn)化了外圍電路設計，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。主要有以下特點(diǎn)：

MCF5272內部集成了4K字節的SRAM、16K字節ROM、1K字節的指令Cache，以及片外擴展的FLASH和SDRAM。支持8、16和32位的SRAM和ROM，SDRAM控制器支持16~256M的SDRAM芯片。32位地址數據總線(xiàn)，內核和總線(xiàn)時(shí)鐘均為66MHz，有16個(gè)通用數據寄存器。

MCF5272內部集成了UART、USB控制器，只需很少的外圍芯片就可以實(shí)現兩個(gè)RS232串口和一個(gè)USB Slave接口。MCF5272還內嵌一個(gè)FEC(快速以太網(wǎng)控制器)，片外擴展一片LXT971，快速以太網(wǎng)媒體存取控制（MAC），支持100Mbps MII，10Mbps MII和10Mbps 7-Wire物理接口。

ColdFire系列處理器支持背景調試模式，它提供了對底層硬件的調試手段。在背景調試模式下，通過(guò)向CPU發(fā)送命令，可以實(shí)現對CPU寄存器、系統存儲器的訪(fǎng)問(wèn)。使用Motorola推薦的26針插座接到BDM仿真頭，實(shí)現代碼的下載和調試。

合乎USB1.1標準，可操作內或外收發(fā)器的設備控制器。提供48個(gè)通用的I/O引腳，支持7個(gè)外部中斷。

三、藍牙網(wǎng)關(guān)的實(shí)現方案

家庭藍牙網(wǎng)關(guān)的實(shí)現方案如圖Fig-1所示，主要包括藍牙網(wǎng)關(guān)控制模塊、射頻收發(fā)模塊、外網(wǎng)連接模塊三部分。其中，以MCF5272為核心部件的藍牙網(wǎng)關(guān)控制模塊對家庭網(wǎng)絡(luò )通過(guò)射頻收發(fā)模塊為與信息家電的連接提供了無(wú)線(xiàn)接口，對外與PSTN 網(wǎng)通過(guò)RJ11接口連接，與Internet網(wǎng)通過(guò)RJ45接口連接，成為公共網(wǎng)進(jìn)入家庭的咽喉要道。

1、藍牙網(wǎng)關(guān)控制模塊

藍牙網(wǎng)關(guān)控制模塊是家庭藍牙網(wǎng)關(guān)的核心部分，采用了Motorola嵌入式處理器MCF5272，具有較好的處理能力的同時(shí)也支持藍牙上層協(xié)議棧、終端的接入控制、話(huà)路交換等功能。本設計方案對MCF5272的RAM和ROM進(jìn)行了擴充，外擴了16M字節的SDRAM（2×HY641620HG）和4M字節的FLASH　ROM（2×AM29LV1600B）。這樣，MCF5272執行存儲在閃存FLASH里的程序，并將一些臨時(shí)數據存放在同步數據隨機存取器SDRAM里，用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)和液晶顯示等與MCF5272進(jìn)行簡(jiǎn)單的交互，完成一些諸如日期、時(shí)間等簡(jiǎn)單參數的設置。

MCF5272的UART1可以直接和支持藍牙技術(shù)的USB、RS232、PC卡等連接，實(shí)現上層與底層的藍牙協(xié)議通信。通過(guò)串口直接與射頻收發(fā)模塊相連，通過(guò)MCF5272的I/O引腳和外部中斷線(xiàn)可以連接電話(huà)線(xiàn)路接口和以太網(wǎng)接口。除此以外，藍牙網(wǎng)關(guān)控制模塊還包括時(shí)鐘電路、復位電路以及電源供應幾監控電路等。

2、射頻收發(fā)模塊

射頻收發(fā)模塊由藍牙收發(fā)器和天線(xiàn)組成，功能就是為網(wǎng)關(guān)和終端提供無(wú)線(xiàn)通道。各種控制信號、數據信號都通過(guò)串口和MCF5272進(jìn)行傳遞。該模塊以射頻單元控制器芯片為核心，由濾波器、功放、低噪放、收發(fā)切換開(kāi)關(guān)和一些外圍電路組成。為了使藍牙的傳輸距離在空曠地帶能達到100m左右，可以考慮在射頻控制器之前加一級射頻放大電路，由控制器芯片的內置微處理器對其內存單元和RAM實(shí)施有效管理，調用底層藍牙協(xié)議棧。即通過(guò)USB藍牙設備、RS232藍牙設備、PC卡藍牙設備與家庭網(wǎng)絡(luò )中的信息家電終端連接。

3、外網(wǎng)接口模塊

外網(wǎng)接口模塊包括電話(huà)線(xiàn)路接口和以太網(wǎng)接口。

電話(huà)線(xiàn)路接口用于從發(fā)送和接收器發(fā)送話(huà)音信號、放大發(fā)送的DTMF信號。一方面來(lái)自RJ11的振鈴及雙音多頻等信號，送到DTMF接收器；另一方面放大來(lái)自DTMF發(fā)送器的DTMF信號及來(lái)自PCM解碼器的話(huà)音信號，送到RJ11上。DTMF收發(fā)器完成DTMF信號的檢測和產(chǎn)生，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )以供MCF5272響應。

以太網(wǎng)接口與電話(huà)線(xiàn)路接口一起為MCF5272提供了外部通道，其中網(wǎng)絡(luò )變壓器起到了隔離RJ45與電路板的作用，以避免相互干擾。以太網(wǎng)收發(fā)器則起著(zhù)透明傳輸的作用，一方面將網(wǎng)線(xiàn)上的差分串行信號變成MCF5272可以方便讀取的并行數據，另一方面將MCF5272的并行數據變成差分信號送到網(wǎng)線(xiàn)上。

結束語(yǔ)

基于上述藍牙網(wǎng)關(guān)控制模塊、射頻收發(fā)模塊、外網(wǎng)接口模塊，以Motorola嵌入式處理器MCF5272為核心的家庭藍牙網(wǎng)關(guān)得以實(shí)現。三個(gè)模塊的硬件成本低，且整個(gè)系統設計開(kāi)發(fā)周期較短，發(fā)射功率較低，充分利用現有網(wǎng)絡(luò )資源具有向上兼容性及可擴展性，成為由信息家電構成的家庭網(wǎng)絡(luò )與PSTN網(wǎng)、Internet網(wǎng)連接的關(guān)鍵。這種家庭藍牙網(wǎng)關(guān)必將成為藍牙技術(shù)在家庭網(wǎng)絡(luò )中應用的主流。



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