基于嵌入式處理器的家庭藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)

引言

信息家電(IA，Information Appliances)是融合了計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的新型消費(fèi)電子產(chǎn)品，隨著信息家電進(jìn)一步數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，出現(xiàn)了家庭網(wǎng)絡(luò)。而由于藍(lán)牙技術(shù)低成本、低功耗、低復(fù)雜性、高效率、高可靠性、強(qiáng)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(xiàn)與家庭網(wǎng)絡(luò)以外的因特網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)甚至固定市話網(wǎng)之間的通信，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的如何實(shí)現(xiàn)則成為問(wèn)題的關(guān)鍵。本文基于藍(lán)牙技術(shù)，介紹了用Motorola公司的嵌入式處理器MCF5272來(lái)實(shí)現(xiàn)家庭藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的具體方案。

一、藍(lán)牙與家庭網(wǎng)絡(luò)

藍(lán)牙(Bluetooth)是一種近距離無(wú)線通信技術(shù)規(guī)范，用來(lái)描述和規(guī)定各種信息產(chǎn)品(包括通信產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)產(chǎn)品和消費(fèi)電子產(chǎn)品)相互之間是如何用短距離無(wú)線電系統(tǒng)進(jìn)行連接的。藍(lán)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，從而實(shí)現(xiàn)信息電子設(shè)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(lán)牙通過(guò)嵌入芯片來(lái)為現(xiàn)有的設(shè)備增添無(wú)線連接的功能。這種微芯片的面積只有1cm見(jiàn)方，能使設(shè)備在短距離范圍內(nèi)發(fā)送無(wú)線電信號(hào)，來(lái)尋找另一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，一旦找到，相互之間便開(kāi)始通信、交換信息。藍(lán)牙可以像因特網(wǎng)那樣傳輸數(shù)據(jù)，也可以像移動(dòng)電話網(wǎng)那樣傳輸語(yǔ)音。

藍(lán)牙的無(wú)線傳輸距離一般為10m~100m左右，發(fā)射功率大約為1mv~100mv。藍(lán)牙使用的是2.4~2.4835GHz的工業(yè)、科研、醫(yī)療全球通自由頻段。在世界上絕大部分國(guó)家無(wú)需申請(qǐng)無(wú)線電執(zhí)照或許可證，使人們可以隨時(shí)隨地毫無(wú)障礙地使用藍(lán)牙設(shè)備。它采用跳頻擴(kuò)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(shè)備，適于家庭范圍。

藍(lán)牙設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的通信，一臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備最多可以同時(shí)和7臺(tái)設(shè)備建立無(wú)線連接。通信協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，支持語(yǔ)音/數(shù)據(jù)訪問(wèn)點(diǎn)、外設(shè)連接、個(gè)人網(wǎng)絡(luò)(PAN)等三大范疇的應(yīng)用。在通信鏈路層采用認(rèn)證、加密、和密鑰管理來(lái)進(jìn)行安全控制。在應(yīng)用層采用PIN(個(gè)人標(biāo)識(shí)碼)進(jìn)行單雙向認(rèn)證。

藍(lán)牙的傳輸速率理論上可以達(dá)到每信道1Mbit/s，實(shí)際應(yīng)用時(shí)的有效值為每信道721Kbit/s，大約是普通電話線的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(dāng)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸或者僅傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，支持 433.9Kbps對(duì)稱雙工或723.2/57.6Kbps的非對(duì)稱雙工通信。

使用藍(lán)牙技術(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò)指網(wǎng)絡(luò)家電和其它設(shè)備通過(guò)嵌入藍(lán)牙模塊，比如USB卡、UART卡、PCM卡等，利用無(wú)線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(lán)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(jì)算機(jī)控制和管理等，實(shí)現(xiàn)信息在家庭內(nèi)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(shè)計(jì)下一代互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、LAN電話系統(tǒng)、低端網(wǎng)絡(luò)控制、工業(yè)控制、圖像設(shè)備，還是存儲(chǔ)解決方案時(shí)，摩托羅拉的MCF5272的高性能及通用性都能滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求。

MCF5272采用ColdFireV2可變長(zhǎng)RISC處理器核和DigitalDNA技術(shù)，在66MHz時(shí)鐘下能夠達(dá)到63MIPS的優(yōu)良處理能力。其內(nèi)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(shè)備(如SDRAM、 ISDN收發(fā)器)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，從而簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。主要有以下特點(diǎn)：

MCF5272內(nèi)部集成了4K字節(jié)的SRAM、16K字節(jié)ROM、1K字節(jié)的指令Cache，以及片外擴(kuò)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(shù)據(jù)總線，內(nèi)核和總線時(shí)鐘均為66MHz，有16個(gè)通用數(shù)據(jù)寄存器。

MCF5272內(nèi)部集成了UART、USB控制器，只需很少的外圍芯片就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)RS232串口和一個(gè)USB Slave接口。MCF5272還內(nèi)嵌一個(gè)FEC(快速以太網(wǎng)控制器)，片外擴(kuò)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(diào)試模式，它提供了對(duì)底層硬件的調(diào)試手段。在背景調(diào)試模式下，通過(guò)向CPU發(fā)送命令，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU寄存器、系統(tǒng)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)。使用Motorola推薦的26針插座接到BDM仿真頭，實(shí)現(xiàn)代碼的下載和調(diào)試。

合乎USB1.1標(biāo)準(zhǔn)，可操作內(nèi)或外收發(fā)器的設(shè)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(lán)牙網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方案

家庭藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方案如圖Fig-1所示，主要包括藍(lán)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(lán)牙網(wǎng)關(guān)控制模塊對(duì)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)線接口，對(duì)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(lán)牙網(wǎng)關(guān)控制模塊

藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)控制模塊是家庭藍(lán)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(lán)牙上層協(xié)議棧、終端的接入控制、話路交換等功能。本設(shè)計(jì)方案對(duì)MCF5272的RAM和ROM進(jìn)行了擴(kuò)充，外擴(kuò)了16M字節(jié)的 SDRAM(2×HY641620HG)和4M字節(jié)的FLASH　ROM(2×AM29LV1600B)。這樣，MCF5272執(zhí)行存儲(chǔ)在閃存FLASH 里的程序，并將一些臨時(shí)數(shù)據(jù)存放在同步數(shù)據(jù)隨機(jī)存取器SDRAM里，用戶可以通過(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(shù)的設(shè)置。

MCF5272的UART1可以直接和支持藍(lán)牙技術(shù)的USB、RS232、PC卡等連接，實(shí)現(xiàn)上層與底層的藍(lán)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引腳和外部中斷線可以連接電話線路接口和以太網(wǎng)接口。除此以外，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)控制模塊還包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及電源供應(yīng)幾監(jiān)控電路等。

2、射頻收發(fā)模塊

射頻收發(fā)模塊由藍(lán)牙收發(fā)器和天線組成，功能就是為網(wǎng)關(guān)和終端提供無(wú)線通道。各種控制信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)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(lán)牙的傳輸距離在空曠地帶能達(dá)到100m左右，可以考慮在射頻控制器之前加一級(jí)射頻放大電路，由控制器芯片的內(nèi)置微處理器對(duì)其內(nèi)存單元和RAM實(shí)施有效管理，調(diào)用底層藍(lán)牙協(xié)議棧。即通過(guò)USB藍(lán)牙設(shè)備、 RS232藍(lán)牙設(shè)備、PC卡藍(lán)牙設(shè)備與家庭網(wǎng)絡(luò)中的信息家電終端連接。[!--empirenews.page--]

3、外網(wǎng)接口模塊

外網(wǎng)接口模塊包括電話線路接口和以太網(wǎng)接口。

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

以太網(wǎng)接口與電話線路接口一起為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)器則起著透明傳輸?shù)淖饔?，一方面將網(wǎng)線上的差分串行信號(hào)變成MCF5272可以方便讀取的并行數(shù)據(jù)，另一方面將MCF5272的并行數(shù)據(jù)變成差分信號(hào)送到網(wǎng)線上。

結(jié)束語(yǔ)

基于上述藍(lán)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(lán)牙網(wǎng)關(guān)得以實(shí)現(xiàn)。三個(gè)模塊的硬件成本低，且整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期較短，發(fā)射功率較低，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源具有向上兼容性及可擴(kuò)展性，成為由信息家電構(gòu)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(lán)牙網(wǎng)關(guān)必將成為藍(lán)牙技術(shù)在家庭網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的主流。