基于藍(lán)牙芯片的無線通信模塊設(shè)計與開發(fā)

摘要：本文綜合運用BlueCore2-External藍(lán)牙芯片、FB2520帶通濾波器和平衡不平衡變換器、LTCC陶瓷天線等設(shè)計了一款藍(lán)牙無線通信模塊。該通信模塊能夠代替電纜,有效地應(yīng)用于環(huán)境復(fù)雜多變的工業(yè)現(xiàn)場,實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備、接入點、手操器等設(shè)備的無線通信。實際測試結(jié)果表明本文介紹的無線通信模塊運行穩(wěn)定,工作可靠。

1 引言

藍(lán)牙技術(shù)是一個開放性的、短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它工作在全球通用的2.4GHZ ISM 頻段，采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，可以用于近距離通過無線連接的方式實現(xiàn)固定設(shè)備以及移動設(shè)備 之間的網(wǎng)絡(luò)互連，在各種數(shù)字設(shè)備之間實現(xiàn)靈活、安全、低成本、小功耗的數(shù)據(jù)和語音通信， 實現(xiàn)全方位的數(shù)據(jù)傳輸。

工業(yè)現(xiàn)場環(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傳送數(shù)據(jù)（如高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備、高空設(shè) 備、不適于布線的強(qiáng)腐蝕惡劣環(huán)境），這時采用藍(lán)牙等無線通信技術(shù)代替電纜來實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè) 備與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸就能有效解決上述問題。為此本文針對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備、接入點、 手操器等設(shè)計藍(lán)牙無線通信模塊，該模塊具有體積小、完全嵌入藍(lán)牙協(xié)議、性能可靠和組網(wǎng) 靈活等特點。驗證了藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的可行性。

3 藍(lán)牙模塊的硬件設(shè)計

藍(lán)牙模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示，包括BlueCore2-External（BC212015）藍(lán)牙芯片、 SST39VF800 FLASH 芯片、FB2520 帶通濾波器+平衡不平衡變換器、LTCC 陶瓷天線等。電 源由配套主設(shè)備引入，經(jīng)過電源模塊電平轉(zhuǎn)換，為藍(lán)牙主芯片、存儲器、帶通濾波器和平衡 不平衡轉(zhuǎn)換器等提供所需的+3.3V 和+1.8V 電源。下面將對各個模塊分別介紹。

3.1 BlueCore2 芯片介紹

藍(lán)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(yī)學(xué))頻段集成基帶和射頻的單芯片藍(lán)牙芯片。

BlueCore2-External 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。芯片內(nèi)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 接口主要用來傳輸數(shù)據(jù)；I2C 總線用于鏈接EEPROM； PIO 接口為可編程接口；PCM 接口用來傳輸語音；在BlueCore2 中UART 接口的最大傳輸 數(shù)率為1.5Mbps，能夠達(dá)到藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的723.2kbps 的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率。

3.2 儲存電路

由于藍(lán)牙芯片并不自帶協(xié)議棧，需要外拓一塊FLASH 用來儲存協(xié)議棧和應(yīng)用軟件。本設(shè) 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 立門電路的元件設(shè)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(yuǎn)優(yōu)于其它競爭對手。此外SST 還專門為便攜式設(shè)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(zhí)行速度更快，更加適合便攜式設(shè)備使用。根據(jù)藍(lán)牙協(xié)議棧 的大小采用8Mbit 的SST39VF800，讀取時間為70ns，工作電壓為2.7~3.6V，為了適應(yīng)工業(yè) 現(xiàn)場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(zhuǎn)換器(Balun)

通常射頻發(fā)射機(jī)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） 的。而天線輸出的電纜是采用50 歐姆的不平衡同軸電纜，同軸電纜直接與平衡的系統(tǒng)連接 時，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，這樣就 會引起不必要的耦合，造成許多干擾，嚴(yán)重時甚至使周圍的設(shè)備不能正常工作。所以，有必 要在天線和發(fā)射機(jī)輸出端之間接入平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。帶通濾波器一般是無源器件它的作 用是濾除接收機(jī)不需要的頻帶內(nèi)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(shè)計中采用了臺灣ACX 公司的集成帶通濾波器+平衡不平衡轉(zhuǎn)換器的器 件FB2520，帶通濾波器和平衡-不平衡轉(zhuǎn)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，能夠很好的完成平衡到不平衡端的轉(zhuǎn)換和 帶通濾波的功能。

3.4 電源模塊 藍(lán)牙模塊需要

3.3V 和1.8V 兩種電壓，其中1.8V 是為藍(lán)牙芯片和帶通濾波器+平衡不平 衡轉(zhuǎn)換器供電，3.3V 是為FLASH 芯片和藍(lán)牙芯片的外圍I/O 腳提供電壓。由于從主設(shè)備引 入的電壓為3.3V，所以在藍(lán)牙模塊上需要DC-DC 芯片實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。本設(shè)計中采用了廣泛 應(yīng)用于移動電話的XC6204B182MR 高速LDO 轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行3.3V 到1.8V 電壓轉(zhuǎn)換，該芯 片最大輸出電流為150mA，輸出電壓范圍為1.8V-6V，完全滿足藍(lán)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的穩(wěn)定性和卓越的可焊性在小靈通、GPS 手持設(shè)備、藍(lán)牙、WLAN 等廣泛應(yīng)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(wěn)定性為+-5ppm。

4 藍(lán)牙模塊的軟件設(shè)計

藍(lán)牙模塊的軟件設(shè)計分為兩個部分：協(xié)議層加載、模塊初始參數(shù)設(shè)置。藍(lán)牙協(xié)議為建立 于藍(lán)牙技術(shù)之上的多種應(yīng)用提供了完整的解決辦法，但對于不同應(yīng)用一般只用到藍(lán)牙協(xié)議中 的某幾個，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(yīng)用于工業(yè)無線通信，所以在模塊的外部FLASH 中只加載了 基帶（包括LC），LM 和HCI（主機(jī)控制接口）協(xié)議層。其中HCI 為藍(lán)牙硬件中基帶控制器 和鏈路管理器提供了命令接口，從而實現(xiàn)對硬件狀態(tài)寄存器和控制寄存器的訪問，特別是該 接口提供了對藍(lán)牙基帶的統(tǒng)一訪問模式。加載這些協(xié)議層模塊實現(xiàn)了完整的藍(lán)牙鏈路控制和 嵌入式HCI 協(xié)議，屏蔽了射頻和基帶兩個硬件協(xié)議層，以后的應(yīng)用開發(fā)可以直接從HCI 層 開始。通過封裝HCI 協(xié)議層，可以生成標(biāo)準(zhǔn)的HCI 接口函數(shù)，為上層的應(yīng)用開發(fā)提供一個 完整的平臺。