Bluetooth ASIC及其嵌入式应用 - 消费电子 - 电子工程师俱乐部

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1 引言

Bluetooth（蓝牙）作为新的短程无线电通信技术，可以随时随地用无线接口来代替有线电缆连接，可应用于多种通信场合，如WAP、GSM、 DECT等完成身份识别后可以灵活实现漫游，推动和扩大了无线通信的应用范围，使网络中的各种数字和语音设备互连互通，实现个人区域内快速灵便的数据和语音通信以及资源共享。Bluetooth技术在电信、计算机、家电等方面有着广阔的应用前景[4] ，计算机与外设之间通过Bluetooth技术实现控制信号和数据的无线传输；打印机、键盘、鼠标通过Bluetooth成为无线的可移动外设；各种家电和办公设备通过Bluetooth技术实现家庭无线网络和办公自动化网络。由Bluetooth 基带控制器和无线射频接收器接口组成Bluetooth模块，可向数字和语音设备提供全兼容的Bluetooth 接口。通过Bluetooth 模块的UART/PCM和USB与应用设备的接口，可构成Bluetooth 设备。Bluetooth 模块功耗低，对人体危害小，应用简单，成本低廉，容易实现，易于推广。

2 Bluetooth系统结构

Bluetooth系统的功能由无线射频收发器、基带链路控制器、链路管理与控制以及协议栈（软件）等部分组成（图1），其中无线射频收发器和基带控制器配合可构成完整的低功耗的Bluetooth模块，提供高至主机控制器接口（HCI）层的功能。Bluetooth 无线射频收发器完成空中接口的功能，采用跳频扩谱（FHSS）技术，在2.45GHz ISM频段上，从起始频率2.420GHz到终止频率2.480GHz之间分成79个1MHz带宽的跳频信道，每个信道分配625μs的时间，称为时隙，每个时隙用不同的跳频信号，用伪随机序列码来控制，以1600次/秒的速率进行切换，采用分时双全工（TDD）方式发射与接收，在发射带宽为1MHz时，有效数据速率为721kbit/s。Bluetooth无线射频遵循FCC（美国联邦通信委员会）有关电平为0dBm的ISM频段标准，空中链接范围可达10m。


Bluetooth基带链路控制器负责处理基带协议和其他一些低层常规协议，完成基带以及链路的管理和控制，包括物理连接、分组、纠错、逻辑信道、信道管理与控制、语言编解码和加密等功能。Bluetooth支持点与点和点与多点的连接，可采用无线方式将各个Bluetooth设备连成一个围绕个人的微微网（Piconet），一个Piconet最多可以有256 个Bluetooth设备，其中一个主设备和七个从设备，而其他设备则处于待机状态。几个Piconet 可以进一步互连形成分散网，一个Piconet 中的主/从设备可以是另一个Piconet 中的主/从设备。Bluetooth基带控制器提供两种连接方式，实时的频载波的射频频率，经环路滤波器滤波的调整电压用来改变VCO-tank的选择信道。接收平衡/不平衡转换器是将来自天线不平衡的无线电信号与片内平衡信号之间进行转换，平衡信号可较好地抑制共模干扰，发送平衡/不平衡转换器将发送信号从平衡状态转换为不平衡状态，以便天线发射。天线开关同步面向连接（SCO）和非实时的异步无连接（ACL），其中SCO为对称连接，主要传送语音或数据等实时性强的信号，必须在规定的时隙传输；ACL则以数据为主，可在任意实隙传送。数据被打包，分组传输，在同一个Piconet 中不同的主从对可以使用不同的连接类型；SCO和ACL支持不同类型的数据包，都使用TDD实现双全工传输。基带控制器提供三种纠错方法：1/3比例前向纠错码FEC、2/3比例前向纠错码和数据自动请求重发 ARQ。


Bluetooth的点与点之间的通信连接和数据传输是靠各层协议之间的配合与互相解释来实现的，大部分的Bluetooth协议栈被加载到Flash ROM中。

3 Bluetooth 无线射频收发器 PH2401的结构特性

PHILSAR公司提供的单片无线收发器PH2401 是短程Bluetooth通信系统的前端，采用砷化镓工艺制造，具有高集成度、超低功耗、体积小等优点，专门优化用于2.4GHz无线个人系统，完全兼容Bluetooth规范。PH2401采用调制指数为0.3的高斯频移键控（GFSK）调制方式，内部结构由7个操作子块组成，图2示出各个子块之间的互操作性。其中压控振荡器VCO-tank产生每一时隙的跳既可以从天线滤波到接收端口的转换，也可以是从射频控制部分的输出端口到天线滤波器的转换，天线开关的控制由TX-ON端口的设置来完成。

Bluetooth无线射频收发器采用跳频/时分双工的传输机制，收发在不同的频率和不同的时隙中，且留有220μs的收发切换时间。天线滤波器滤除接收模式时的干扰和减少发送模式时的谐波信号。 Bluetooth无线射频收发器内部最重要的部件是无线电数字信号处理器RDSP，这是利用射频外差接收的信号处理与控制交换的RDSP，有大量的电路集成在这个处理器内，如双通道A/D转换器、数字锁相与频率合成器、串行接口、控制逻辑、可跳动的低功耗振荡器（LPO）、电源复位电路（POR）、分频电路以及可编程控制逻辑寄存器。其中对指令寄存器IR的读写实现跳频、调谐等功能。而控制寄存器用于动态自动频率补偿（DAFC）来校正接收端的频率漂移，有两种控制模式，快模式提供较为粗略的频率补偿，主要用于接入码；慢模式提供较为精确的补偿，用在分组头和数据负荷中。在无线电数字信号处理器RDSP中还设有接收功率增强度指示（RSSI）寄存器，可在每个时隙测量接收信号的强度并调整前端LNA 的增益，以限制混频器的输入信号强度，实现快速自制器与PH2401无线收发器接口，需要发送的数据在链路控制器中被装配，加上同步字、帧头以及CRC校验字，并经白化，是否进行加密可由用户选择，收到的数据则在此被解码、检错。队列管理器完成缓冲RAM与链路控制器以及USB或串行主机与音频接口之间的智能DMA传输。同时识别不同格式的Bluetooth数据包，并进行相互转换。动增益控制AGC。

4 Bluetooth基带控制器MT1020结构特性

MITEL公司提供的MT1020符合Bluetooth基带功能标准，完成基带以及链路的管理与控制，包括SCO和ACL连接方式、差错控制、物理层的认证与加密等。MT1020内部时钟可以低至5MHz，内核供电电压为2V，硬件解码、支持DMA传输，这些特性使得MT1020具有超低功耗。MT1020由嵌入式微处理器和Bluetooth基带外设组成（图 3），其中基带外设以最小的开销完成重要的Bluetooth操作，挂在向上集成模块总线（UIMB）上，由总线接口、链路控制器、队列管理器、缓冲RAM、音频编解码器等组成。其中总线接口完成微处理器与基带外设之间的通信，基带外设内各个模块之间使用专门的BT总线传送数据。链路控音频编解码器是一个双全工的编解码器，具有麦克风和耳机驱动器，其中的数字转换器能够进行线性PCM、A律PCM、μ律PCM及连续可变斜率增量调制（CVSDM）之间的相互转换。基带控制器MT1020包含一个嵌入式微处理器内核，来实现基带及链路层的功能。嵌入式微处理器由32位RISC架构的ARM7TDMI中央处理单元、专用的模块交互总线（IMB）和其他一些功能块组成。 ARM7TDMI是一款性能优异的嵌入式CPU、具有极快的运算速度和很低的功耗，利用其内部的 Thumb指令压解器可支持16位指令码，并支持扩展调试、快速乘法等功能、通过模块交互总线与其他功能块交换数据。其中外设控制器是MT1020A中内部总线与外部总线进行通信的主要通道，支持动态总线宽度，并能产生访问外设所需要的控制信号。串行I/O用来连接各种串行接口器件，例如与串行EEPROM、串行时钟等器件接口。ARM7TDMI处理器接受两种中断请求，普通中断请求和快速中断请求，根据用户所需要的优先级，所有中断都可设置成两种类型中的一种。中断控制器能处理8个外部中断和两个内部中断，外部中断可被编程设置成电平触发或沿触发。为减少中断响应的延迟时间，对每种类型的中断，中断控制器能进行硬件优先级判断，以加快中断实时响应。 MT1020A提供两个双独立32位定时器/计数器，与系统时钟同步，可以在程序中轮询，也可设置成溢出中断，并能自行重装。在DMA控制器中有两个引擎，可以配置成一对，从而支持ARM7TDMI中任意两个内存块的DMA传输，也可以单独使用。通用异步收发器接口形式为RS-232，支持硬件握手和XON/XOFF软件协议，收发通道上各有一个缓冲器，可以在程序中轮询，也可以使用中断形式，其内部的波特率发生器用来产生需要的数据速率。系统存储器挂在UIM总线上，MT1020有20KB的内部静态RAM，用于程序变量的存储，用户需要外接一个外部Flash ROM来存储Bluetooth链路控制和管理协议代码及应用软件栈。在MT1020的下一个版本中，将提供片上ROM来存储用户代码，简化用户设计、降低功耗。


5 Bluetooth ASIC电路系统的 接口

目前多数Bluetooth应用电路都是三芯片结构：无线射频收发器ASIC、基带控制器ASIC和内含Bluetooth软件栈的程序存储器Flash ROM。通过内外接口以及UART/PCM和USB与应用设备接口，构成Bluetooth设备。

Bluetooth ASIC电路系统接口如图4所示，PH2401无线射频收发器与 MT1020基带控制器之间经过内部接口，组成Bluetooth模块。Bluetooth 模块内部接口过程由串行口、数据口、输入控制和输出控制口完成，其中基带和射频ASIC之间的通信在串行口（SI）上实现，串行口由控制数据输入（SI-CDI）、控制模式选择（SI-CMS）、控制时钟（SI-CLK）以及控制数据输出（SI-CDO）等信号组成。基带控制器通过串行口对无线射频收发器内部寄存器的读写实现跳频、调谐等控制，控制过程由SI-CLK （4MHz）上升沿时SI-CMS的输入值来决定，SI-CMS及SI-CDI和SI-CDO的值将在SI-CLK的下降沿变化。指令寄存器（IR）的一个扫描周期在状态信息下传时开始，即捕获IR。串行接口的时序逻辑如图5所示，串行接口在13MHz的系统时钟SYS-CLK及POR-EXT为高电平时操作有效。


Bluetooth 模块与电源控制、晶振、天线以及驻留协议栈的程序存储器Flash ROM等的外部接口，即可向数据和语音设备提供全兼容的Bluetooth接口。其中Flash ROM采用Intel公司的28F800B3T120，与基带控制器的接口由地址总线（EXT-AB）、数据总线（EXT-DB）、读写以及片选等控制总线（EXT-CB）实现。Bluetooth 模块通过UART/PCM和USB与应用设备之间进行接口。


6 Bluetooth嵌入式应用设计

由HT1020和PH2401等接口的Bluetooth电路系统提供高至HCI层的功能，向数据和语音设备提供全兼容的Bluetooth接口，因此可以很方便地构成Bluetooth设备。根据Bluetooth规范对无绳电话的协议要求，无绳电话实现协议栈如图6所示。通过服务发现协议SDP，子机寻找通信范围内所有Bluetooth设备信息和服务类型，从而与无绳电话主机建立连接。


语音呼叫的控制信令则在二元电话控制协议TCS Binary中定义。逻辑链路控制应用协议L2CAP向上层提供面向连接SCO和无连接ACL 的逻辑链路，传输上层协议数据。语音流不经过逻辑链路控制应用协议L2CAP，直接与基带控制器连接，使用连续可变斜率增益调制CVSD技术，以获得高质量的音频编码。Bluetooth无绳电话子机的基本电路结构如图7所示，其中MCU不仅完成对键盘、显示器的控制，而且实现TCS Binary、SDP和L2CAP协议，受话器和送话器直接与TM1020基带控制器连接，系统简洁、可靠，具有较高的性能价格比。对于不具备主机控制器接口HCI设备的 Bluetooth应用，如无线鼠标、无线耳机，可将Bluetooth上层协议逻辑链路控制和适配协议L2CAP 与低层协议共用同一嵌入式处理器核（图8）直接集成到设备中去。


7 结语

Bluetooth技术作为新型的短距离无线扩频通信技术，通过把各种语音和数字设备用无线链路连接起来，实现个人区域内信息交换与传输。 Bluetooth技术使蜂窝电话系统、无绳通信系统、无线局域网和互联网等现有网络增添新功能,使各类计算机、传真机、打印机等设备增添无线传输和组网功能，并广泛应用于家庭和办公自动化、电子商务、无线公文包和各类数字电子设备等场合。在具体的应用中，Bluetooth技术仍然有大量的技术细节问题需要解决，应时刻关注Bluetooth的最新进展，注意厂商推出的具有系统级应用经验以及所提供的应用帮助和开发工具。随着技术的发展和完善，Bluetooth技术必将对人们的生活和工作产生重大影响。