1 引言

藍(lán)牙技術(shù)是一個(gè)開(kāi)放性的,、短距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),，它工作在全球通用的2.4GHZ ISM 頻段，采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù),，可以用于近距離通過(guò)無(wú)線連接的方式實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備以及移動(dòng)設(shè)備 之間的網(wǎng)絡(luò)互連,，在各種數(shù)字設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)靈活、安全,、低成本,、小功耗的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信， 實(shí)現(xiàn)全方位的數(shù)據(jù)傳輸,。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣,，有些地方工作人員甚至難以接近，特別是一些工業(yè)環(huán)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(lái)傳送數(shù)據(jù)（如高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備,、高空設(shè) 備,、不適于布線的強(qiáng)腐蝕惡劣環(huán)境），這時(shí)采用藍(lán)牙等無(wú)線通信技術(shù)代替電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸就能有效解決上述問(wèn)題,。為此本文針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,、接入點(diǎn)、 手操器等設(shè)計(jì)藍(lán)牙無(wú)線通信模塊,，該模塊具有體積小,、完全嵌入藍(lán)牙協(xié)議、性能可靠和組網(wǎng) 靈活等特點(diǎn),。驗(yàn)證了藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的可行性,。

3 藍(lán)牙模塊的硬件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示，包括BlueCore2-External（BC212015）藍(lán)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(shè)備引入,，經(jīng)過(guò)電源模塊電平轉(zhuǎn)換，為藍(lán)牙主芯片,、存儲(chǔ)器,、帶通濾波器和平衡 不平衡轉(zhuǎn)換器等提供所需的+3.3V 和+1.8V 電源,。下面將對(duì)各個(gè)模塊分別介紹。

3.1 BlueCore2 芯片介紹

藍(lán)牙模塊采用了 BlueCore2-External（BC212015）芯片,，BlueCore2 是英國(guó)CSR 公司推 出的一款工作在2.4GHZ 的ISM(工業(yè),、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段集成基帶和射頻的單芯片藍(lán)牙芯片,。

BlueCore2-External 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示,。芯片內(nèi)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(lái)傳輸數(shù)據(jù)；I2C 總線用于鏈接EEPROM,； PIO 接口為可編程接口,；PCM 接口用來(lái)傳輸語(yǔ)音；在BlueCore2 中UART 接口的最大傳輸 數(shù)率為1.5Mbps,，能夠達(dá)到藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的723.2kbps 的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率,。

3.2 儲(chǔ)存電路

由于藍(lán)牙芯片并不自帶協(xié)議棧，需要外拓一塊FLASH 用來(lái)儲(chǔ)存協(xié)議棧和應(yīng)用軟件,。本設(shè) 計(jì)中選用了Silicon 存儲(chǔ)科技公司(SST) 的SST39VF 系列中的一款,， 閃存型號(hào)為 SST39VF800。SST39VF800 是SST 多用途高精度CMOS 閃存技術(shù)的成功典范,，它采用了分 立門(mén)電路的元件設(shè)計(jì)方式和氧化通道噴射技術(shù),，使得其存儲(chǔ)可靠性大大提高，工藝和性能都 遠(yuǎn)優(yōu)于其它競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,。此外SST 還專(zhuān)門(mén)為便攜式設(shè)備進(jìn)行了SST39VF800 的性能優(yōu)化,，使 得它在運(yùn)行中的能耗更小,，程序執(zhí)行速度更快,，更加適合便攜式設(shè)備使用。根據(jù)藍(lán)牙協(xié)議棧 的大小采用8Mbit 的SST39VF800,，讀取時(shí)間為70ns,，工作電壓為2.7~3.6V,，為了適應(yīng)工業(yè) 現(xiàn)場(chǎng)苛刻的要求選用了支持-20℃~+85℃工業(yè)級(jí)溫度范圍的型號(hào)。

3.3 帶通濾波器+平衡不平衡轉(zhuǎn)換器(Balun)

通常射頻發(fā)射機(jī)輸出的是TX_A 和TX_B 兩路差分信號(hào),，其輸出特性是平衡（對(duì)稱(chēng)） 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(tǒng)連接 時(shí),，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(guò)，這樣就 會(huì)引起不必要的耦合,，造成許多干擾,，嚴(yán)重時(shí)甚至使周?chē)脑O(shè)備不能正常工作。所以,，有必 要在天線和發(fā)射機(jī)輸出端之間接入平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器,。帶通濾波器一般是無(wú)源器件它的作 用是濾除接收機(jī)不需要的頻帶內(nèi)的信號(hào)，為低噪聲放大器（LNA）提供選擇性信號(hào)起到減 小干擾的作用,。本設(shè)計(jì)中采用了臺(tái)灣ACX 公司的集成帶通濾波器+平衡不平衡轉(zhuǎn)換器的器 件FB2520,，帶通濾波器和平衡-不平衡轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn),，能夠很好的完成平衡到不平衡端的轉(zhuǎn)換和 帶通濾波的功能。

3.4 電源模塊 藍(lán)牙模塊需要

3.3V 和1.8V 兩種電壓,，其中1.8V 是為藍(lán)牙芯片和帶通濾波器+平衡不平 衡轉(zhuǎn)換器供電,，3.3V 是為FLASH 芯片和藍(lán)牙芯片的外圍I/O 腳提供電壓。由于從主設(shè)備引 入的電壓為3.3V,，所以在藍(lán)牙模塊上需要DC-DC 芯片實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換,。本設(shè)計(jì)中采用了廣泛 應(yīng)用于移動(dòng)電話的XC6204B182MR 高速LDO 轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行3.3V 到1.8V 電壓轉(zhuǎn)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(lán)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(wú)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(shí)的穩(wěn)定性和卓越的可焊性在小靈通,、GPS 手持設(shè)備、藍(lán)牙,、WLAN 等廣泛應(yīng)用,。我們選用了一款16MHz 的型號(hào)，外型尺寸為5mmX3.2mm,，25℃頻率公差為 +-10ppm,，頻率穩(wěn)定性為+-5ppm。

4 藍(lán)牙模塊的軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊的軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：協(xié)議層加載,、模塊初始參數(shù)設(shè)置,。藍(lán)牙協(xié)議為建立 于藍(lán)牙技術(shù)之上的多種應(yīng)用提供了完整的解決辦法,，但對(duì)于不同應(yīng)用一般只用到藍(lán)牙協(xié)議中 的某幾個(gè)，而且對(duì)于每部分協(xié)議也不必用它所提供的全部功能,。

4.1 協(xié)議層加載

如圖 2 所示由于本模塊主要應(yīng)用于工業(yè)無(wú)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(jī)控制接口）協(xié)議層,。其中HCI 為藍(lán)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(shí)現(xiàn)對(duì)硬件狀態(tài)寄存器和控制寄存器的訪問(wèn)，特別是該 接口提供了對(duì)藍(lán)牙基帶的統(tǒng)一訪問(wèn)模式,。加載這些協(xié)議層模塊實(shí)現(xiàn)了完整的藍(lán)牙鏈路控制和 嵌入式HCI 協(xié)議,，屏蔽了射頻和基帶兩個(gè)硬件協(xié)議層，以后的應(yīng)用開(kāi)發(fā)可以直接從HCI 層 開(kāi)始,。通過(guò)封裝HCI 協(xié)議層,，可以生成標(biāo)準(zhǔn)的HCI 接口函數(shù)，為上層的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供一個(gè) 完整的平臺(tái),。

在外部主機(jī)具有 UART 或者USB 接口,，藍(lán)牙模塊與主機(jī)信號(hào)電平兼容的情況下，不需 要再添加其他輔助電路,，本藍(lán)牙模塊就可以和主機(jī)直接相連,。

如圖 3 所示是主機(jī)和藍(lán)牙硬件連接示意圖。主機(jī)控制器接口（HCI）提供了一種訪問(wèn)藍(lán) 牙硬件能力的通用接口,，HCI 層通過(guò)訪問(wèn)基帶命令,、鏈路管理器命令、硬件狀態(tài)寄存器,、控 制寄存器以及事件寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)牙硬件的HCI 命令,。在主機(jī)系統(tǒng)的HCI 驅(qū)動(dòng)程序和藍(lán)牙 的硬件HCI 固件之間存在的幾個(gè)中間層次，又稱(chēng)為主機(jī)控制器傳輸層,，提供傳輸數(shù)據(jù)的能力,。該層的目標(biāo)是透明化，主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序不關(guān)心它是在UART 上還是USB 上,，UART 和USB 對(duì)主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送到主機(jī)控制器的數(shù)據(jù)不能進(jìn)行處理,，這樣主機(jī)控制器接 口和主機(jī)控制器可以進(jìn)行升級(jí)，升級(jí)不會(huì)對(duì)傳輸層有任何影響,。

4.2 模塊初始參數(shù)設(shè)置

藍(lán)牙模塊加載了各種協(xié)議層后并不能工作,，還需要根據(jù)不同的硬件設(shè)計(jì)對(duì)模塊初始參數(shù) 進(jìn)行設(shè)置?；赽luecore2 藍(lán)牙芯片的初始參數(shù)設(shè)置又稱(chēng)為PSK 設(shè)置,，可以通過(guò)BLUELAB 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境或者PS Key 設(shè)置軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖所以為ps key 設(shè)置界面,。

5 藍(lán)牙模塊應(yīng)用實(shí)例

如圖 4 所示,，以藍(lán)牙手操器和藍(lán)牙閥門(mén)定位器作說(shuō)明示例。藍(lán)牙模塊與閥門(mén)定位器中的 控制板進(jìn)行串口（UART）全雙工通信,，閥門(mén)定位器的閥位值,、閥位上限等各種參數(shù)通過(guò)串 口送到藍(lán)牙模塊，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信的方式發(fā)送給藍(lán)牙手操器,，手操器可以用相關(guān)指令動(dòng)態(tài) 地修改閥門(mén)定位器的對(duì)應(yīng)參數(shù),，這改變了傳統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置或修改方法。在閥門(mén)定位器中的藍(lán) 牙模塊設(shè)置為被動(dòng)鏈接模式,，設(shè)備啟動(dòng)后閥門(mén)定位器會(huì)周期性的采集閥位值并存儲(chǔ)在該設(shè)備 的緩沖區(qū)內(nèi),，當(dāng)藍(lán)牙手操器搜索到閥門(mén)定位器后向閥門(mén)定位器發(fā)送鏈接指令，建立鏈接后,， 藍(lán)牙手操器將獲得一個(gè)鏈接句柄,。此后進(jìn)入如圖5 所示的監(jiān)控界面，可以執(zhí)行讀閥位值,、閥 位上限,、以及寫(xiě)上限三項(xiàng)功能。每項(xiàng)功能在執(zhí)行時(shí),，都由手操器發(fā)送一條控制指令,，該指令 由串口發(fā)給藍(lán)牙模塊，其中包括藍(lán)牙鏈接句柄,、功能代碼（0x01-0x03 分別針對(duì)以上的三項(xiàng) 功能）以及CRC 校驗(yàn)域,。閥門(mén)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(jù)功能代碼分別執(zhí)行對(duì)應(yīng)的任務(wù),。圖5 中為通過(guò)藍(lán)牙手操器讀取的閥門(mén)定位器的 閥位值。此外,，藍(lán)牙手操器還可對(duì)藍(lán)牙電磁流量計(jì),，藍(lán)牙溫度變送器等設(shè)備進(jìn)行操作。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明,，本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙模塊性能穩(wěn)定,、使用方便、實(shí)用性強(qiáng),，有一定的抗 干擾能力,，還可根據(jù)需要進(jìn)行軟件升級(jí)，能有效地嵌入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中代替電纜進(jìn)行無(wú)線通信,， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)有線工業(yè)控制總線延伸,，為工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)提供了一種新的聯(lián)網(wǎng)方法。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：該藍(lán)牙無(wú)線通信模塊運(yùn)用BlueCore2-External 藍(lán)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(shè)計(jì)完成,，并在藍(lán)牙手操器和閥門(mén)定位器中進(jìn) 行實(shí)際運(yùn)用，結(jié)果表明該藍(lán)牙模塊性能穩(wěn)定,，實(shí)用性強(qiáng),。