基于藍牙芯片的無線通信模塊設計與開發

摘要：本文綜合運用BlueCore2-External藍牙芯片、FB2520帶通濾波器和平衡不平衡變換器、LTCC陶瓷天線等設計了一款藍牙無線通信模塊。該通信模塊能夠代替電纜,有效地應用于環境復雜多變的工業現場,實現現場設備、接入點、手操器等設備的無線通信。實際測試結果表明本文介紹的無線通信模塊運行穩定,工作可靠。

1 引言

藍牙技術是一個開放性的、短距離無線通信技術標準，它工作在全球通用的2.4GHZ ISM 頻段，采用跳頻擴頻技術，可以用于近距離通過無線連接的方式實現固定設備以及移動設備 之間的網絡互連，在各種數字設備之間實現靈活、安全、低成本、小功耗的數據和語音通信， 實現全方位的數據傳輸。

工業現場環境惡劣，有些地方工作人員甚至難以接近，特別是一些工業環境禁止使用電 纜（如超凈或真空封閉的房間）或者很難使用電纜來傳送數據（如高速旋轉的設備、高空設 備、不適于布線的強腐蝕惡劣環境），這時采用藍牙等無線通信技術代替電纜來實現現場設 備與監控網絡間的數據傳輸就能有效解決上述問題。為此本文針對工業現場設備、接入點、 手操器等設計藍牙無線通信模塊，該模塊具有體積小、完全嵌入藍牙協議、性能可靠和組網 靈活等特點。驗證了藍牙技術應用于工業控制系統的可行性。

3 藍牙模塊的硬件設計

藍牙模塊的硬件結構框圖如圖 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 源由配套主設備引入，經過電源模塊電平轉換，為藍牙主芯片、存儲器、帶通濾波器和平衡 不平衡轉換器等提供所需的+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、科學、醫學)頻段集成基帶和射頻的單芯片藍牙芯片。

BlueCore2-External 芯片的內部結構如圖1 所示。芯片內部主要集成有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據；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 數率為1.5Mbps，能夠達到藍牙標準中規定的723.2kbps 的數據傳輸數率。

3.2 儲存電路

由于藍牙芯片并不自帶協議棧，需要外拓一塊FLASH 用來儲存協議棧和應用軟件。本設 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 閃存技術的成功典范，它采用了分 立門電路的元件設計方式和氧化通道噴射技術，使得其存儲可靠性大大提高，工藝和性能都 遠優于其它競爭對手。此外SST 還專門為便攜式設備進行了SST39VF800 的性能優化，使 得它在運行中的能耗更小，程序執行速度更快，更加適合便攜式設備使用。根據藍牙協議棧 的大小采用8Mbit 的SST39VF800，讀取時間為70ns，工作電壓為2.7~3.6V，為了適應工業 現場苛刻的要求選用了支持-20℃~+85℃工業級溫度范圍的型號。

3.3 帶通濾波器+平衡不平衡轉換器(Balun)

通常射頻發射機輸出的是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備不能正常工作。所以，有必 要在天線和發射機輸出端之間接入平衡-不平衡轉換器。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。本設計中采用了***ACX 公司的集成帶通濾波器+平衡不平衡轉換器的器 件FB2520，帶通濾波器和平衡-不平衡轉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，插入損耗低等優點，能夠很好的完成平衡到不平衡端的轉換和 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 芯片實現電壓轉換。本設計中采用了廣泛 應用于移動電話的XC6204B182MR 高速LDO 轉換芯片進行3.3V 到1.8V 電壓轉換，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定性和卓越的可焊性在小靈通、GPS 手持設備、藍牙、WLAN 等廣泛應用。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，頻率穩定性為+-5ppm。

4 藍牙模塊的軟件設計

藍牙模塊的軟件設計分為兩個部分：協議層加載、模塊初始參數設置。藍牙協議為建立 于藍牙技術之上的多種應用提供了完整的解決辦法，但對于不同應用一般只用到藍牙協議中 的某幾個，而且對于每部分協議也不必用它所提供的全部功能。

4.1 協議層加載

如圖 2 所示由于本模塊主要應用于工業無線通信，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，從而實現對硬件狀態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一訪問模式。加載這些協議層模塊實現了完整的藍牙鏈路控制和 嵌入式HCI 協議，屏蔽了射頻和基帶兩個硬件協議層，以后的應用開發可以直接從HCI 層 開始。通過封裝HCI 協議層，可以生成標準的HCI 接口函數，為上層的應用開發提供一個 完整的平臺。

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、硬件狀態寄存器、控 制寄存器以及事件寄存器實現對藍牙硬件的HCI 命令。在主機系統的HCI 驅動程序和藍牙 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，提供傳輸數據的能力。該層的目標是透明化，主機控制器驅動程序不關心它是在UART 上還是USB 上，UART 和USB 對主機控制器驅動程序發送到主機控制器的數據不能進行處理，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 模塊初始參數設置

藍牙模塊加載了各種協議層后并不能工作，還需要根據不同的硬件設計對模塊初始參數 進行設置。基于bluecore2 藍牙芯片的初始參數設置又稱為PSK 設置，可以通過BLUELAB 集成開發環境或者PS Key 設置軟件來實現，如圖所以為ps key 設置界面。

5 藍牙模塊應用實例

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通過串 口送到藍牙模塊，通過藍牙無線通信的方式發送給藍牙手操器，手操器可以用相關指令動態 地修改閥門定位器的對應參數，這改變了傳統的參數設置或修改方法。在閥門定位器中的藍 牙模塊設置為被動鏈接模式，設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備 的緩沖區內，當藍牙手操器搜索到閥門定位器后向閥門定位器發送鏈接指令，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 所示的監控界面，可以執行讀閥位值、閥 位上限、以及寫上限三項功能。每項功能在執行時，都由手操器發送一條控制指令，該指令 由串口發給藍牙模塊，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，其后根據功能代碼分別執行對應的任務。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備進行操作。

5 結論

經過現場測試表明，本文設計的藍牙模塊性能穩定、使用方便、實用性強，有一定的抗 干擾能力，還可根據需要進行軟件升級，能有效地嵌入現場設備中代替電纜進行無線通信， 實現了對傳統有線工業控制總線延伸，為工業監控網提供了一種新的聯網方法。

本文作者創新點：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 陶瓷天線等設計完成，并在藍牙手操器和閥門定位器中進 行實際運用，結果表明該藍牙模塊性能穩定，實用性強。