發布日期：2022-07-15 點擊率：39
我們若想設計一套完善的藍牙(Bluetooth)系統,就必須充分掌握其中的技術知識,例如協議堆棧、射頻設計及系統集成等方面的專門知識。美國國家半導體Simply Blue模塊系列首款產品LMX9820芯片的面世令藍牙系統的設計工作變得更為容易。以采用微控制器并設有通用異步收發器(UART)的定標器、恒溫器及儀表為例來說,這類電子設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對點藍牙通信的功能。
藍牙(Bluetooth)是一種什么技術？
藍牙技術是一種無線通信技術標準,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據傳送,因此藍牙無線通信若要覆蓋如此大的范圍,其耗電便會遠比短距離傳送為多,因此便攜式電子產品通常都不會采用藍牙無線通信系統進行長距離的信號傳送。
藍牙技術以的頻帶操作,可為625μs的短信息包提供一個穩定的傳輸環境,而且可以利用跳頻避免信號受到干擾。此外,由于藍牙技術設有高斯最小移位鍵控(GMSK)調制功能,因此有助降低系統成本。
何謂藍牙堆棧？
執行通信協議規定所必要的軟件一般稱為堆棧或藍牙協議堆棧。堆棧這個詞含有堆合一起的意思,因此按照開放系統互連(OSI)網絡模式組裝一起的模塊式或層級式軟件便稱為堆棧。堆棧有時稱為驅動程序,可用于符合WiFi及通用串行總線(USB)標準的系統。藍牙技術一如通用串總線,特別為不同種類的設備分別設有特定的接口。例如,符合通用串行總線標準的鍵盤和滑鼠、打印機以及音響系統都有特定的驅動程序,而藍牙也設有特定的概要文件如人機界面設備(HID)、基本打印概要文件(BPP)以及先進音頻分配概要文件(AADP)。
數據鏈路必須獲得以下幾個最基本的概要文件為其提供支持:
圖1:典型的接口電路圖。
Simply Blue可以精簡藍牙系統的設計
即使藍牙系統內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,要待有關指令全部完成交換后,數據鏈路才可視為正式建立。換言之,原有系統的軟件必須作出修改,以致整個工程項目的施工時間會被耽誤,對于內置只讀存儲器的設備來說,這方面的時間延誤尤其顯著。
幸好另外還有一個更為容易的方法可為藍牙系統編寫應用程序。以LMX9820為例來說,由于這款芯片已預載了NRE以及免繳版稅的全面嵌入式藍牙堆棧(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計工作,無需為投資什么軟件而分心。LMX9820設有透明模式,可以通過預置的通電功能啟動系統,傳送原始數據。換言之,任何設有通用異步收發器(UART)的電子產品都可與任何藍牙裝置如個人數字助理(PDA)或筆記本計算機連通。現產品如設有紅外線數字信號連接(IrDA)端口的打印機及診斷設備都可利用藍牙技術進行無線數據傳送。
天線的信號接收能力:示例1
圖1的電路圖顯示我們其實很容易便能為電子產品添加藍牙通信功能。圖中的電路只需采用極少的獨立式電源供應器及去耦電容器,但即使如此,我們設計時也須抱持審慎的態度,因為多噪音的電源供應器可以影響射頻系統的收發能力。圖中的12MHz石英振蕩器或時鐘負責為系統功能計時。較新的LMX9820A芯片可以提供32kHz的時鐘頻率以供選擇,以便系統可以自動選用節能模式操作。
圖2:Simply Blue協議堆棧。
LMX9820芯片的通用異步收發器能以高達的速度操作,并可另外配置ISEL1及ISEL2管腳,以便將速度調低至9600bps及等較低的速度,也可利用通用異步收發器設定其它速度,例如(初始速度則設定為)。對于操作速度低于的系統來說,最理想的做法是設立硬件交接機制,但這并非必要。數據鏈路若直接與微控制器連接一起,可令數據傳送速度提高至,理論上空氣接口的速度可高達708kbps(按規格應高達721kbps)。產品編號為BT-TXA-KT1-0-01的Simply Blue評價套件因為受到裝設在接口電路板上及大部分個人計算機內的RS-232電平轉換器集成電路所限制,以致速度無法超過。
如何讓電子產品充分利用Simply Blue技術
LMX9820芯片已預先設定在啟動后會自動采用從屬配置,然后轉用只會傳送原始有效載荷數據的透明模式。由于LMX9820芯片采用這樣的設計,因此可以自動與個人數字助理或便攜式計算等設備連通,以免干擾原有設備的主處理器的運作。
藍牙系統只要發出ASCII‘中斷’(break)命令,便可進入命令模式,以便內置藍牙通信系統的電子產品可以添加更先進的功能,滿足個別產品的特殊要求。正如圖2所顯示,這種方法需要更多方面的配合,因為產品需要通過應用編程接口(API)將相關的命令傳送到LMX9820芯片,但這個方法的優點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據安全,系統設計工程師可為個別客戶預先設定局部命名、管腳代碼及鏈路鍵等參數。若采用命令模式,LMX9820芯片能夠利用一點至多點的節點操作,以便同時連通高達三具不同的電子裝置。
藍牙系統必須采用20ppm的石英振蕩器或時鐘(若石英振蕩器或時鐘已老化,15ppm也足夠),因為這兩種計時工具的優劣會直接影響射頻系統的性能。工程師必須依照石英振蕩器廠商就有關電容負載所定的有關規定,以及將LMX9820芯片的管腳電容一并計算在內。若采用較新型號的LMX9820ASM芯片,舊型號產品如LMX9820SB芯片原本采用的電容器可能因為輸入電容稍有不同以致必須更換,以確保電容器可以配合石英振蕩器運作。
天線效率及模式可以大大影響電子產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品具有高度的定向性,以致這些產品必須互相瞄準對方,因此廣闊的接收范圍對這類便攜式電子產品并不適用,也正因如此,大部分便攜式產品都采用單向的設計,以確保性能穩定可靠。為了確保天線能充分發揮其性能,我們必須加設另一相匹配的電線,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。有關接地層及布局規格的資料,可以查閱相關廠商的數據表及應用技術參考資料。此外,如欲進一步咨詢有關美國國家半導體藍牙系列產品的資料,可瀏覽網頁。
作者:Noel Baisa
首席技術營銷工程師
美國國家半導體
