基于嵌入式處理器MCF5272家庭藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)

藍(lán)牙是一種近距離無線通信技術(shù)，由于其低成本、低功耗和高可靠性的優(yōu)點而被現(xiàn)代家庭網(wǎng)絡(luò)所廣泛接受。

文中介紹了藍(lán)牙技術(shù)和由各種信息家電所構(gòu)成的家庭網(wǎng)絡(luò)的基本概念，以及 Motorola公司的嵌入式處理器MCF5272的一些基本性能特征，并闡述了基于MCF5272實現(xiàn)家庭藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的具體方案。 這種家庭藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)主要由藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)控制模塊、射頻收發(fā)模塊、外網(wǎng)接口模塊三部分構(gòu)成，在文中還分別討論了每一個模塊的設(shè)計原理。

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，隨著信息家電進一步數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和自動化的發(fā)展趨勢，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、強互操作性和良好兼容性等特點，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，并使其順利地實現(xiàn)與家庭網(wǎng)絡(luò)以外的因特網(wǎng)、移動通信網(wǎng)甚至固定市話網(wǎng)之間的通信，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的如何實現(xiàn)則成為問題的關(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來實現(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）是一種近距離無線通信技術(shù)規(guī)范，用來描述和規(guī)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線電系統(tǒng)進行連接的。藍(lán)牙技術(shù)的最大好處是消除了千頭萬緒、令人頭疼的電纜線，從而實現(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。主要有以下幾個特點：

藍(lán)牙通過嵌入芯片來為現(xiàn)有的設(shè)備增添無線連接的功能。這種微芯片的面積只有1cm見方，能使設(shè)備在短距離范圍內(nèi)發(fā)送無線電信號，來尋找另一個藍(lán)牙設(shè)備，一旦找到，相互之間便開始通信、交換信息。藍(lán)牙可以像因特網(wǎng)那樣傳輸數(shù)據(jù)，也可以像移動電話網(wǎng)那樣傳輸語音。

藍(lán)牙的無線傳輸距離一般為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家無需申請無線電執(zhí)照或許可證，使人們可以隨時隨地毫無障礙地使用藍(lán)牙設(shè)備。它采用跳頻擴譜技術(shù)，每秒1600跳，在建立連接時為3200跳，是典型的微功率設(shè)備，適于家庭范圍。

藍(lán)牙設(shè)備可以實現(xiàn)點到點的通信，一臺藍(lán)牙設(shè)備最多可以同時和7臺設(shè)備建立無線連接。通信協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，支持語音/數(shù)據(jù)訪問點、外設(shè)連接、個人網(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、和密鑰管理來進行安全控制。在應(yīng)用層采用PIN（個人標(biāo)識碼）進行單雙向認(rèn)證。

藍(lán)牙的傳輸速率理論上可以達(dá)到每信道1Mbit/s，實際應(yīng)用時的有效值為每信道721Kbit/s，大約是普通電話線的13倍。它支持64Kbps的實時語音傳輸，語音編碼采用PCM和CVSD。僅傳輸語音時，支持三路全雙工；當(dāng)語音和數(shù)據(jù)同時傳輸或者僅傳輸數(shù)據(jù)時，支持433.9Kbps對稱雙工或723.2/57.6Kbps的非對稱雙工通信。

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)備通過嵌入藍(lán)牙模塊，比如USB卡、UART卡、PCM卡等，利用無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、計算機控制和管理等，實現(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。考慮到在設(shè)計下一代互聯(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，還是存儲解決方案時，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)計和應(yīng)用要求。

MCF5272采用ColdFireV2可變長RISC處理器核和DigitalDNA技術(shù)，在66MHz時鐘下能夠達(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)實現(xiàn)無縫連接，從而簡化了外圍電路設(shè)計，降低了產(chǎn)品成本、體積和功耗。主要有以下特點：

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)核和總線時鐘均為66MHz，有16個通用數(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現(xiàn)兩個RS232串口和一個USB Slave接口。MCF5272還內(nèi)嵌一個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(diào)試模式，它提供了對底層硬件的調(diào)試手段。在背景調(diào)試模式下，通過向CPU發(fā)送命令，可以實現(xiàn)對CPU寄存器、系統(tǒng)存儲器的訪問。使用Motorola推薦的26針插座接到BDM仿真頭，實現(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個通用的I/O引腳，支持7個外部中斷。

三、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)方案

家庭藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的實現(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)控制模塊對家庭網(wǎng)絡(luò)通過射頻收發(fā)模塊為與信息家電的連接提供了無線接口，對外與PSTN 網(wǎng)通過RJ11接口連接，與Internet網(wǎng)通過RJ45接口連接，成為公共網(wǎng)進入家庭的咽喉要道。

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)計方案對MCF5272的RAM和ROM進行了擴充，外擴了16M字節(jié)的SDRAM（2×HY641620HG）和4M字節(jié)的FLASH　ROM（2×AM29LV1600B）。這樣，MCF5272執(zhí)行存儲在閃存FLASH里的程序，并將一些臨時數(shù)據(jù)存放在同步數(shù)據(jù)隨機存取器SDRAM里，用戶可以通過鍵盤和液晶顯示等與MCF5272進行簡單的交互，完成一些諸如日期、時間等簡單參數(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，實現(xiàn)上層與底層的藍(lán)牙協(xié)議通信。通過串口直接與射頻收發(fā)模塊相連，通過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)和終端提供無線通道。各種控制信號、數(shù)據(jù)信號都通過串口和MCF5272進行傳遞。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射頻放大電路，由控制器芯片的內(nèi)置微處理器對其內(nèi)存單元和RAM實施有效管理，調(diào)用底層藍(lán)牙協(xié)議棧。即通過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。

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、放大發(fā)送的DTMF信號。一方面來自RJ11的振鈴及雙音多頻等信號，送到DTMF接收器；另一方面放大來自DTMF發(fā)送器的DTMF信號及來自PCM解碼器的話音信號，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(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)變成差分信號送到網(wǎng)線上。

結(jié)束語

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)得以實現(xiàn)。三個模塊的硬件成本低，且整個系統(tǒng)設(shè)計開發(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展性，成為由信息家電構(gòu)成的 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。

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