無線通信模塊設(shè)計與開發(fā)

1 引言

藍牙技術(shù)是一個開放性的、短距離無線通信技術(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、不適于布線的強腐蝕惡劣環(huán)境），這時采用藍牙等無線通信技術(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)計藍牙無線通信模塊，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。驗證了藍牙技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的可行性。

3 藍牙模塊的硬件設(shè)計

藍牙模塊的硬件結(jié)構(gòu)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、醫(yī)學)頻段集成基帶和射頻的單芯片藍牙芯片。

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，能夠達到藍牙標準中規(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 遠優(yōu)于其它競爭對手。此外SST 還專門為便攜式設(shè)備進行了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(zhuǎn)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(shè)備引 入的電壓為3.3V，所以在藍牙模塊上需要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 藍牙模塊的軟件設(shè)計

藍牙模塊的軟件設(shè)計分為兩個部分：協(xié)議層加載、模塊初始參數(shù)設(shè)置。藍牙協(xié)議為建立 于藍牙技術(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，可以生成標準的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。

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在外部主機具有 UART 或者USB 接口，藍牙模塊與主機信號電平兼容的情況下，不需 要再添加其他輔助電路，本藍牙模塊就可以和主機直接相連。

如圖 3 所示是主機和藍牙硬件連接示意圖。主機控制器接口（HCI）提供了一種訪問藍 牙硬件能力的通用接口，HCI 層通過訪問基帶命令、鏈路管理器命令、硬件狀態(tài)寄存器、控 制寄存器以及事件寄存器實現(xiàn)對藍牙硬件的HCI 命令。在主機系統(tǒng)的HCI 驅(qū)動程序和藍牙 的硬件HCI 固件之間存在的幾個中間層次，又稱為主機控制器傳輸層，提供傳輸數(shù)據(jù)的能力。該層的目標是透明化，主機控制器驅(qū)動程序不關(guān)心它是在UART 上還是USB 上，UART 和USB 對主機控制器驅(qū)動程序發(fā)送到主機控制器的數(shù)據(jù)不能進行處理，這樣主機控制器接 口和主機控制器可以進行升級，升級不會對傳輸層有任何影響。

4.2 模塊初始參數(shù)設(shè)置

藍牙模塊加載了各種協(xié)議層后并不能工作，還需要根據(jù)不同的硬件設(shè)計對模塊初始參數(shù) 進行設(shè)置。基于bluecore2 藍牙芯片的初始參數(shù)設(shè)置又稱為PSK 設(shè)置，可以通過BLUELAB 集成開發(fā)環(huán)境或者PS Key 設(shè)置軟件來實現(xiàn)，如圖所以為ps key 設(shè)置界面。

5 藍牙模塊應(yīng)用實例

如圖 4 所示，以藍牙手操器和藍牙閥門定位器作說明示例。藍牙模塊與閥門定位器中的 控制板進行串口（UART）全雙工通信，閥門定位器的閥位值、閥位上限等各種參數(shù)通過串 口送到藍牙模塊，通過藍牙無線通信的方式發(fā)送給藍牙手操器，手操器可以用相關(guān)指令動態(tài) 地修改閥門定位器的對應(yīng)參數(shù)，這改變了傳統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置或修改方法。在閥門定位器中的藍 牙模塊設(shè)置為被動鏈接模式，設(shè)備啟動后閥門定位器會周期性的采集閥位值并存儲在該設(shè)備 的緩沖區(qū)內(nèi)，當藍牙手操器搜索到閥門定位器后向閥門定位器發(fā)送鏈接指令，建立鏈接后， 藍牙手操器將獲得一個鏈接句柄。此后進入如圖5 所示的監(jiān)控界面，可以執(zhí)行讀閥位值、閥 位上限、以及寫上限三項功能。每項功能在執(zhí)行時，都由手操器發(fā)送一條控制指令，該指令 由串口發(fā)給藍牙模塊，其中包括藍牙鏈接句柄、功能代碼（0x01-0x03 分別針對以上的三項 功能）以及CRC 校驗域。閥門定位器收到控制指令后先判斷鏈接句柄，判斷是否接收該指 令，其后根據(jù)功能代碼分別執(zhí)行對應(yīng)的任務(wù)。圖5 中為通過藍牙手操器讀取的閥門定位器的 閥位值。此外，藍牙手操器還可對藍牙電磁流量計，藍牙溫度變送器等設(shè)備進行操作。

5 結(jié)論

經(jīng)過現(xiàn)場測試表明，本文設(shè)計的藍牙模塊性能穩(wěn)定、使用方便、實用性強，有一定的抗 干擾能力，還可根據(jù)需要進行軟件升級，能有效地嵌入現(xiàn)場設(shè)備中代替電纜進行無線通信， 實現(xiàn)了對傳統(tǒng)有線工業(yè)控制總線延伸，為工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)提供了一種新的聯(lián)網(wǎng)方法。

本文作者創(chuàng)新點：該藍牙無線通信模塊運用BlueCore2-External 藍牙芯片、FB2520 帶通濾 波器和平衡不平衡變換器、LTCC 陶瓷天線等設(shè)計完成，并在藍牙手操器和閥門定位器中進 行實際運用，結(jié)果表明該藍牙模塊性能穩(wěn)定，實用性強。