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基于蓝牙芯片的无线通信模块设计与开发

  1 引言

  蓝牙技术是一个开放性的、短距离无线通信技术标准,它工作在全球通用的2.4GHZ ISM 频段,采用跳频扩频技术,可以用于近距离通过无线连接的方式实现固定设备以及移动设备之间的网络互连,在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的数据和语音通信, 实现全方位的数据传输。

  工业现场环境恶劣,有些地方工作人员甚至难以接近,特别是一些工业环境禁止使用电 缆(如超净或真空封闭的房间)或者很难使用电缆来传送数据(如高速旋转的设备、高空设备、不适于布线的强腐蚀恶劣环境),这时采用蓝牙等无线通信技术代替电缆来实现现场设备与监控网络间的数据传输就能有效解决上述问题。为此本文针对工业现场设备、接入点、手操器等设计蓝牙无线通信模块,该模块具有体积小、完全嵌入蓝牙协议、性能可靠和组网 灵活等特点。验证了蓝牙技术应用于工业控制系统的可行性。

  3 蓝牙模块的硬件设计

  蓝牙模块的硬件结构框图如图 1 所示,包括BlueCore2-External(BC212015)蓝牙芯片、 SST39VF800 FLASH 芯片、FB2520 带通滤波器+平衡不平衡变换器、LTCC 陶瓷天线等。电源由配套主设备引入,经过电源模块电平转换,为蓝牙主芯片、存储器、带通滤波器和平衡 不平衡转换器等提供所需的+3.3V 和+1.8V 电源。下面将对各个模块分别介绍。

蓝牙模块的硬件结构框图

  3.1 BlueCore2 芯片介绍

  蓝牙模块采用了 BlueCore2-External(BC212015)芯片,BlueCore2 是英国CSR 公司推 出的一款工作在2.4GHZ 的ISM(工业、科学、医学)频段集成基带和射频的单芯片蓝牙芯片。

  BlueCore2-External 芯片的内部结构如图1 所示。芯片内部主要集成有32Kbyte 片上RAM、 DSP、MCU、射频前端以及各种I/O 口。各种I/O 口包括SPI、UART、USB、PIO、PCM、 I2C 等接口。其中SPI、UART、USB 接口主要用来传输数据;I2C 总线用于链接EEPROM; PIO 接口为可编程接口;PCM 接口用来传输语音;在BlueCore2 中UART 接口的最大传输数率为1.5Mbps,能够达到蓝牙标准中规定的723.2kbps 的数据传输数率。

  3.2 储存电路

  由于蓝牙芯片并不自带协议栈,需要外拓一块FLASH 用来储存协议栈和应用软件。本设 计中选用了Silicon 存储科技公司(SST) 的SST39VF 系列中的一款, 闪存型号为 SST39VF800。SST39VF800 是SST 多用途高精度CMOS 闪存技术的成功典范,它采用了分立门电路的元件设计方式和氧化通道喷射技术,使得其存储可靠性大大提高,工艺和性能都 远优于其它竞争对手。此外SST 还专门为便携式设备进行了SST39VF800 的性能优化,使 得它在运行中的能耗更小,程序执行速度更快,更加适合便携式设备使用。根据蓝牙协议栈的大小采用8Mbit 的SST39VF800,读取时间为70ns,工作电压为2.7~3.6V,为了适应工业现场苛刻的要求选用了支持-20℃~+85℃工业级温度范围的型号。

  3.3 带通滤波器+平衡不平衡转换器(Balun)

  通常射频发射机输出的是TX_A 和TX_B 两路差分信号,其输出特性是平衡(对称) 的。而天线输出的电缆是采用50 欧姆的不平衡同轴电缆,同轴电缆直接与平衡的系统连接 时,同轴电缆不单屏蔽层的里面有高频电流,而且屏蔽层的外面也有高频电流流过,这样就会引起不必要的耦合,造成许多干扰,严重时甚至使周围的设备不能正常工作。所以,有必要在天线和发射机输出端之间接入平衡-不平衡转换器。带通滤波器一般是无源器件它的作用是滤除接收机不需要的频带内的信号,为低噪声放大器(LNA)提供选择性信号起到减 小干扰的作用。本设计中采用了台湾ACX 公司的集成带通滤波器+平衡不平衡转换器的器 件FB2520,带通滤波器和平衡-不平衡转换器集成在一起集成度更高有效的减小了电路板的面积,该器件具有外型小巧,插入损耗低等优点,能够很好的完成平衡到不平衡端的转换和 带通滤波的功能。

   3.4 电源模块 蓝牙模块需要

  3.3V 和1.8V 两种电压,其中1.8V 是为蓝牙芯片和带通滤波器+平衡不平 衡转换器供电,3.3V 是为FLASH 芯片和蓝牙芯片的外围I/O 脚提供电压。由于从主设备引 入的电压为3.3V,所以在蓝牙模块上需要DC-DC 芯片实现电压转换。本设计中采用了广泛应用于移动电话的XC6204B182MR 高速LDO 转换芯片进行3.3V 到1.8V 电压转换,该芯片最大输出电流为150mA,输出电压范围为1.8V-6V,完全满足蓝牙模块的电源需要。

  3.5 晶振CSX-5032

  选用的晶振为CSX-5032 为一款无铅表面制作的贴片晶体单元。具有高可靠性的陶瓷密封封装确保了元件高频时的稳定性和卓越的可焊性在小灵通、GPS 手持设备、蓝牙、WLAN 等广泛应用。我们选用了一款16MHz 的型号,外型尺寸为5mmX3.2mm,25℃频率公差为 +-10ppm,频率稳定性为+-5ppm。

  4 蓝牙模块的软件设计

  蓝牙模块的软件设计分为两个部分:协议层加载、模块初始参数设置。蓝牙协议为建立 于蓝牙技术之上的多种应用提供了完整的解决办法,但对于不同应用一般只用到蓝牙协议中 的某几个,而且对于每部分协议也不必用它所提供的全部功能。

  4.1 协议层加载

  如图 2 所示由于本模块主要应用于工业无线通信,所以在模块的外部FLASH 中只加载了 基带(包括LC),LM 和HCI(主机控制接口)协议层。其中HCI 为蓝牙硬件中基带控制器和链路管理器提供了命令接口,从而实现对硬件状态寄存器和控制寄存器的访问,特别是该接口提供了对蓝牙基带的统一访问模式。加载这些协议层模块实现了完整的蓝牙链路控制和 嵌入式HCI 协议,屏蔽了射频和基带两个硬件协议层,以后的应用开发可以直接从HCI 层 开始。通过封装HCI 协议层,可以生成标准的HCI 接口函数,为上层的应用开发提供一个 完整的平台。

协议层加载

  在外部主机具有 UART 或者USB 接口,蓝牙模块与主机信号电平兼容的情况下,不需 要再添加其他辅助电路,本蓝牙模块就可以和主机直接相连。

  如图 3 所示是主机和蓝牙硬件连接示意图。主机控制器接口(HCI)提供了一种访问蓝 牙硬件能力的通用接口,HCI 层通过访问基带命令、链路管理器命令、硬件状态寄存器、控 制寄存器以及事件寄存器实现对蓝牙硬件的HCI 命令。在主机系统的HCI 驱动程序和蓝牙的硬件HCI 固件之间存在的几个中间层次,又称为主机控制器传输层,提供传输数据的能力。该层的目标是透明化,主机控制器驱动程序不关心它是在UART 上还是USB 上,UART 和USB 对主机控制器驱动程序发送到主机控制器的数据不能进行处理,这样主机控制器接口和主机控制器可以进行升级,升级不会对传输层有任何影响。

主机和蓝牙硬件连接示意图

  4.2 模块初始参数设置

  蓝牙模块加载了各种协议层后并不能工作,还需要根据不同的硬件设计对模块初始参数 进行设置。基于bluecore2 蓝牙芯片的初始参数设置又称为PSK 设置,可以通过BLUELAB 集成开发环境或者PS Key 设置软件来实现,如图所以为ps key 设置界面。

  5 蓝牙模块应用实例

蓝牙手操器和蓝牙阀门定位器

图 4 PS Key 设置界面

  如图 4 所示,以蓝牙手操器和蓝牙阀门定位器作说明示例。蓝牙模块与阀门定位器中的控制板进行串口(UART)全双工通信,阀门定位器的阀位值、阀位上限等各种参数通过串口送到蓝牙模块,通过蓝牙无线通信的方式发送给蓝牙手操器,手操器可以用相关指令动态地修改阀门定位器的对应参数,这改变了传统的参数设置或修改方法。在阀门定位器中的蓝牙模块设置为被动链接模式,设备启动后阀门定位器会周期性的采集阀位值并存储在该设备的缓冲区内,当蓝牙手操器搜索到阀门定位器后向阀门定位器发送链接指令,建立链接后, 蓝牙手操器将获得一个链接句柄。此后进入如图5 所示的监控界面,可以执行读阀位值、阀 位上限、以及写上限三项功能。每项功能在执行时,都由手操器发送一条控制指令,该指令由串口发给蓝牙模块,其中包括蓝牙链接句柄、功能代码(0x01-0x03 分别针对以上的三项 功能)以及CRC 校验域。阀门定位器收到控制指令后先判断链接句柄,判断是否接收该指 令,其后根据功能代码分别执行对应的任务。图5 中为通过蓝牙手操器读取的阀门定位器的 阀位值。此外,蓝牙手操器还可对蓝牙电磁流量计,蓝牙温度变送器等设备进行操作。

蓝牙手操器和蓝牙阀门定位器应用实例图

图5 蓝牙手操器和蓝牙阀门定位器应用实例图

  6 结论

  经过现场测试表明,本文设计的蓝牙模块性能稳定、使用方便、实用性强,有一定的抗 干扰能力,还可根据需要进行软件升级,能有效地嵌入现场设备中代替电缆进行无线通信, 实现了对传统有线工业控制总线延伸,为工业监控网提供了一种新的联网方法。

  本文作者创新点:该蓝牙无线通信模块运用BlueCore2-External 蓝牙芯片、FB2520 带通滤 波器和平衡不平衡变换器、LTCC 陶瓷天线等设计完成,并在蓝牙手操器和阀门定位器中进 行实际运用,结果表明该蓝牙模块性能稳定,实用性强。

博主
lsw671619841@163.com
阿旺
活到老,学到老。
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