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我們?nèi)粝朐O(shè)計(jì)一套完善的藍(lán)牙(Bluetooth)系統(tǒng),就必須充分掌握其中的技術(shù)知識(shí),例如協(xié)議堆棧、射頻設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成等方面的專門知識(shí)。美國國家半導(dǎo)體Simply Blue模塊系列首款產(chǎn)品LMX9820芯片的面世令藍(lán)牙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作變得更為容易。以采用微控制器并設(shè)有通用異步收發(fā)器(UART)的定標(biāo)器、恒溫器及儀表為例來說,這類電子設(shè)備目前都可無需在軟件方面作出任何修改便能輕易添加點(diǎn)對(duì)點(diǎn)藍(lán)牙通信的功能。
藍(lán)牙(Bluetooth)是一種什么技術(shù)？
藍(lán)牙技術(shù)是一種無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),原意是用來取代不同長度的電纜,例如Class 3支持1米/3.3英尺無線距離,Class 2支持10米/33英尺的無線距離。由于第一類電纜用于較長距離的數(shù)據(jù)傳送,因此藍(lán)牙無線通信若要覆蓋如此大的范圍,其耗電便會(huì)遠(yuǎn)比短距離傳送為多,因此便攜式電子產(chǎn)品通常都不會(huì)采用藍(lán)牙無線通信系統(tǒng)進(jìn)行長距離的信號(hào)傳送。
藍(lán)牙技術(shù)以的頻帶操作,可為625μs的短信息包提供一個(gè)穩(wěn)定的傳輸環(huán)境,而且可以利用跳頻避免信號(hào)受到干擾。此外,由于藍(lán)牙技術(shù)設(shè)有高斯最小移位鍵控(GMSK)調(diào)制功能,因此有助降低系統(tǒng)成本。
何謂藍(lán)牙堆棧？
執(zhí)行通信協(xié)議規(guī)定所必要的軟件一般稱為堆棧或藍(lán)牙協(xié)議堆棧。堆棧這個(gè)詞含有堆合一起的意思,因此按照開放系統(tǒng)互連(OSI)網(wǎng)絡(luò)模式組裝一起的模塊式或?qū)蛹?jí)式軟件便稱為堆棧。堆棧有時(shí)稱為驅(qū)動(dòng)程序,可用于符合WiFi及通用串行總線(USB)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。藍(lán)牙技術(shù)一如通用串總線,特別為不同種類的設(shè)備分別設(shè)有特定的接口。例如,符合通用串行總線標(biāo)準(zhǔn)的鍵盤和滑鼠、打印機(jī)以及音響系統(tǒng)都有特定的驅(qū)動(dòng)程序,而藍(lán)牙也設(shè)有特定的概要文件如人機(jī)界面設(shè)備(HID)、基本打印概要文件(BPP)以及先進(jìn)音頻分配概要文件(AADP)。
數(shù)據(jù)鏈路必須獲得以下幾個(gè)最基本的概要文件為其提供支持:
- 一般應(yīng)用概要文件(GAP)；
- 介紹服務(wù)應(yīng)用概要文件(SDAP)；
- 串行端口概要文件(SPP)。
這些概要文件可以用來連接上文所列的人機(jī)界面、打印機(jī)及音響系統(tǒng)等設(shè)備所預(yù)載的應(yīng)用程序。更先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳送及音響系統(tǒng)軟件也可利用串行端口概要文件作為驅(qū)動(dòng)程序,但兩者之間必須有軟件作為接口以及采用公用的數(shù)據(jù)幀。
圖1:典型的接口電路圖。
Simply Blue可以精簡藍(lán)牙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
即使藍(lán)牙系統(tǒng)內(nèi)置了堆棧及概要文件,串行端口概要文件(SPP)與其它軟件的基本連系仍有待建立,換言之,要待有關(guān)指令全部完成交換后,數(shù)據(jù)鏈路才可視為正式建立。換言之,原有系統(tǒng)的軟件必須作出修改,以致整個(gè)工程項(xiàng)目的施工時(shí)間會(huì)被耽誤,對(duì)于內(nèi)置只讀存儲(chǔ)器的設(shè)備來說,這方面的時(shí)間延誤尤其顯著。
幸好另外還有一個(gè)更為容易的方法可為藍(lán)牙系統(tǒng)編寫應(yīng)用程序。以LMX9820為例來說,由于這款芯片已預(yù)載了NRE以及免繳版稅的全面嵌入式藍(lán)牙堆棧(如L2CAP、RFComm及SDP)與概要文件(如GAP、SDAP及SPP),因此客戶可以專注于設(shè)計(jì)工作,無需為投資什么軟件而分心。LMX9820設(shè)有透明模式,可以通過預(yù)置的通電功能啟動(dòng)系統(tǒng),傳送原始數(shù)據(jù)。換言之,任何設(shè)有通用異步收發(fā)器(UART)的電子產(chǎn)品都可與任何藍(lán)牙裝置如個(gè)人數(shù)字助理(PDA)或筆記本計(jì)算機(jī)連通。現(xiàn)產(chǎn)品如設(shè)有紅外線數(shù)字信號(hào)連接(IrDA)端口的打印機(jī)及診斷設(shè)備都可利用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳送。
天線的信號(hào)接收能力:示例1
圖1的電路圖顯示我們其實(shí)很容易便能為電子產(chǎn)品添加藍(lán)牙通信功能。圖中的電路只需采用極少的獨(dú)立式電源供應(yīng)器及去耦電容器,但即使如此,我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)也須抱持審慎的態(tài)度,因?yàn)槎嘣胍舻碾娫垂?yīng)器可以影響射頻系統(tǒng)的收發(fā)能力。圖中的12MHz石英振蕩器或時(shí)鐘負(fù)責(zé)為系統(tǒng)功能計(jì)時(shí)。較新的LMX9820A芯片可以提供32kHz的時(shí)鐘頻率以供選擇,以便系統(tǒng)可以自動(dòng)選用節(jié)能模式操作。
圖2:Simply Blue協(xié)議堆棧。
LMX9820芯片的通用異步收發(fā)器能以高達(dá)的速度操作,并可另外配置ISEL1及ISEL2管腳,以便將速度調(diào)低至9600bps及等較低的速度,也可利用通用異步收發(fā)器設(shè)定其它速度,例如(初始速度則設(shè)定為)。對(duì)于操作速度低于的系統(tǒng)來說,最理想的做法是設(shè)立硬件交接機(jī)制,但這并非必要。數(shù)據(jù)鏈路若直接與微控制器連接一起,可令數(shù)據(jù)傳送速度提高至,理論上空氣接口的速度可高達(dá)708kbps(按規(guī)格應(yīng)高達(dá)721kbps)。產(chǎn)品編號(hào)為BT-TXA-KT1-0-01的Simply Blue評(píng)價(jià)套件因?yàn)槭艿窖b設(shè)在接口電路板上及大部分個(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)的RS-232電平轉(zhuǎn)換器集成電路所限制,以致速度無法超過。
如何讓電子產(chǎn)品充分利用Simply Blue技術(shù)
- 透明模式
LMX9820芯片已預(yù)先設(shè)定在啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)采用從屬配置,然后轉(zhuǎn)用只會(huì)傳送原始有效載荷數(shù)據(jù)的透明模式。由于LMX9820芯片采用這樣的設(shè)計(jì),因此可以自動(dòng)與個(gè)人數(shù)字助理或便攜式計(jì)算等設(shè)備連通,以免干擾原有設(shè)備的主處理器的運(yùn)作。
- 命令模式
藍(lán)牙系統(tǒng)只要發(fā)出ASCII‘中斷’(break)命令,便可進(jìn)入命令模式,以便內(nèi)置藍(lán)牙通信系統(tǒng)的電子產(chǎn)品可以添加更先進(jìn)的功能,滿足個(gè)別產(chǎn)品的特殊要求。正如圖2所顯示,這種方法需要更多方面的配合,因?yàn)楫a(chǎn)品需要通過應(yīng)用編程接口(API)將相關(guān)的命令傳送到LMX9820芯片,但這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以提供透明模式所無法提供的功能特色。為了方便使用及確保數(shù)據(jù)安全,系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可為個(gè)別客戶預(yù)先設(shè)定局部命名、管腳代碼及鏈路鍵等參數(shù)。若采用命令模式,LMX9820芯片能夠利用一點(diǎn)至多點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)操作,以便同時(shí)連通高達(dá)三具不同的電子裝置。
- 石英振蕩器
藍(lán)牙系統(tǒng)必須采用20ppm的石英振蕩器或時(shí)鐘(若石英振蕩器或時(shí)鐘已老化,15ppm也足夠),因?yàn)檫@兩種計(jì)時(shí)工具的優(yōu)劣會(huì)直接影響射頻系統(tǒng)的性能。工程師必須依照石英振蕩器廠商就有關(guān)電容負(fù)載所定的有關(guān)規(guī)定,以及將LMX9820芯片的管腳電容一并計(jì)算在內(nèi)。若采用較新型號(hào)的LMX9820ASM芯片,舊型號(hào)產(chǎn)品如LMX9820SB芯片原本采用的電容器可能因?yàn)檩斎腚娙萆杂胁煌灾卤仨毟鼡Q,以確保電容器可以配合石英振蕩器運(yùn)作。
- 天線
天線效率及模式可以大大影響電子產(chǎn)品的接收范圍及接收能力。天線的增益越高,其接收范圍也越廣,但由于便攜式電子產(chǎn)品具有高度的定向性,以致這些產(chǎn)品必須互相瞄準(zhǔn)對(duì)方,因此廣闊的接收范圍對(duì)這類便攜式電子產(chǎn)品并不適用,也正因如此,大部分便攜式產(chǎn)品都采用單向的設(shè)計(jì),以確保性能穩(wěn)定可靠。為了確保天線能充分發(fā)揮其性能,我們必須加設(shè)另一相匹配的電線,其線跡寬度及電路板厚度必須有足夠的誤差容限,以方便生產(chǎn)。有關(guān)接地層及布局規(guī)格的資料,可以查閱相關(guān)廠商的數(shù)據(jù)表及應(yīng)用技術(shù)參考資料。此外,如欲進(jìn)一步咨詢有關(guān)美國國家半導(dǎo)體藍(lán)牙系列產(chǎn)品的資料,可瀏覽網(wǎng)頁。
作者:Noel Baisa
首席技術(shù)營銷工程師
美國國家半導(dǎo)體
