本文综合运用BlueCore2-External蓝牙芯片、FB2520带通滤波器和平衡不平衡变换器、LTCC陶瓷天线等设计了一款蓝牙无线通信模块。该通信模块能够代替电缆,有效地应用于环境复杂多变的工业现场,实现现场设备、接入点、手操器等设备的无线通信。实际测试结果表明本文介绍的无线通信模块运行稳定,工作可靠。
1 引言

蓝牙技术是一个开放性的、短距离无线通信技术标准,它工作在全球通用的2.4GHZ ISM 频段,采用跳频扩频技术,可以用于近距离通过无线连接的方式实现固定设备以及移动设备 之间的网络互连,在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的数据和语音通信, 实现全方位的数据传输。

工业现场环境恶劣,有些地方工作人员甚至难以接近,特别是一些工业环境禁止使用电 缆(如超净或真空封闭的房间)或者很难使用电缆来传送数据(如高速旋转的设备、高空设 备、不适于布线的强腐蚀恶劣环境),这时采用蓝牙等无线通信技术代替电缆来实现现场设 备与监控网络间的数据传输就能有效解决上述问题。为此本文针对工业现场设备、接入点、 手操器等设计蓝牙无线通信模块,该模块具有体积小、完全嵌入蓝牙协议、性能可靠和组网 灵活等特点。验证了蓝牙技术应用于工业控制系统的可行性。

3 蓝牙模块的硬件设计

蓝牙模块的硬件结构框图如图 1 所示,包括BlueCore2-External(BC212015)蓝牙芯片、 SST39VF800 FLASH 芯片、FB2520 带通滤波器+平衡不平衡变换器、LTCC 陶瓷天线等。电 源由配套主设备引入,经过电源模块电平转换,为蓝牙主芯片、存储器、带通滤波器和平衡 不平衡转换器等提供所需的+3.3V 和+1.8V 电源。下面将对各个模块分别介绍。



3.1 BlueCore2 芯片介绍

蓝牙模块采用了 BlueCore2-External(BC212015)芯片,BlueCore2 是英国CSR 公司推 出的一款工作在2.4GHZ 的ISM(工业、科学、医学)频段集成基带和射频的单芯片蓝牙芯片。

BlueCore2-External 芯片的内部结构如图1 所示。芯片内部主要集成有32Kbyte 片上RAM、 DSP、MCU、射频前端以及各种I/O 口。各种I/O 口包括SPI、UART、USB、PIO、PCM、 I2C 等接口。其中SPI、UART、USB 接口主要用来传输数据;I2C 总线用于链接EEPROM; PIO 接口为可编程接口;PCM 接口用来传输语音;在BlueCore2 中UART 接口的最大传输 数率为1.5Mbps,能够达到蓝牙标准中规定的723.2kbps 的数据传输数率。

3.2 储存电路

由于蓝牙芯片并不自带协议栈,需要外拓一块FLASH 用来储存协议栈和应用软件。本设 计中选用了Silicon 存储科技公司(SST) 的SST39VF 系列中的一款, 闪存型号为 SST39VF800。SST39VF800 是SST 多用途高精度CMOS 闪存技术的成功典范,它采用了分 立门电路的元件设计方式和氧化通道喷射技术,使得其存储可靠性大大提高,工艺和性能都 远优于其它竞争对手。此外SST 还专门为便携式设备进行了SST39VF800 的性能优化,使 得它在运行中的能耗更小,程序执行速度更快,更加适合便携式设备使用。根据蓝牙协议栈 的大小采用8Mbit 的SST39VF800,读取时间为70ns,工作电压为2.7~3.6V,为了适应工业 现场苛刻的要求选用了支持-20℃~+85℃工业级温度范围的型号。

3.3 带通滤波器+平衡不平衡转换器(Balun)

通常射频发射机输出的是TX_A 和TX_B 两路差分信号,其输出特性是平衡(对称) 的。而天线输出的电缆是采用50 欧姆的不平衡同轴电缆,同轴电缆直接与平衡的系统连接 时,同轴电缆不单屏蔽层的里面有高频电流,而且屏蔽层的外面也有高频电流流过,这样就 会引起不必要的耦合,造成许多干扰,严重时甚至使周围的设备不能正常工作。所以,有必 要在天线和发射机输出端之间接入平衡-不平衡转换器。带通滤波器一般是无源器件它的作 用是滤除接收机不需要的频带内的信号,为低噪声放大器(LNA)提供选择性信号起到减 小干扰的作用。本设计中采用了台湾ACX 公司的集成带通滤波器+平衡不平衡转换器的器 件FB2520,带通滤波器和平衡-不平衡转换器集成在一起集成度更高有效的减小了电路板的 面积,该器件具有外型小巧,插入损耗低等优点,能够很好的完成平衡到不平衡端的转换和 带通滤波的功能。

3.4 电源模块 蓝牙模块需要

3.3V 和1.8V 两种电压,其中1.8V 是为蓝牙芯片和带通滤波器+平衡不平 衡转换器供电,3.3V 是为FLASH 芯片和蓝牙芯片的外围I/O 脚提供电压。由于从主设备引 入的电压为3.3V,所以在蓝牙模块上需要DC-DC 芯片实现电压转换。本设计中采用了广泛 应用于移动电话的XC6204B182MR 高速LDO 转换芯片进行3.3V 到1.8V 电压转换,该芯 片最大输出电流为150mA,输出电压范围为1.8V-6V,完全满足蓝牙模块的电源需要。

3.5 晶振CSX-5032

选用的晶振为CSX-5032 为一款无铅表面制作的贴片晶体单元。具有高可靠性的陶瓷密 封封装确保了元件高频时的稳定性和卓越的可焊性在小灵通、GPS 手持设备、蓝牙、WLAN 等广泛应用。我们选用了一款16MHz 的型号,外型尺寸为5mmX3.2mm,25℃频率公差为 +-10ppm,频率稳定性为+-5ppm。

4 蓝牙模块的软件设计

蓝牙模块的软件设计分为两个部分:协议层加载、模块初始参数设置。蓝牙协议为建立 于蓝牙技术之上的多种应用提供了完整的解决办法,但对于不同应用一般只用到蓝牙协议中 的某几个,而且对于每部分协议也不必用它所提供的全部功能。

4.1 协议层加载

如图 2 所示由于本模块主要应用于工业无线通信,所以在模块的外部FLASH 中只加载了 基带(包括LC),LM 和HCI(主机控制接口)协议层。其中HCI 为蓝牙硬件中基带控制器 和链路管理器提供了命令接口,从而实现对硬件状态寄存器和控制寄存器的访问,特别是该 接口提供了对蓝牙基带的统一访问模式。加载这些协议层模块实现了完整的蓝牙链路控制和 嵌入式HCI 协议,屏蔽了射频和基带两个硬件协议层,以后的应用开发可以直接从HCI 层 开始。通过封装HCI 协议层,可以生成标准的HCI 接口函数,为上层的应用开发提供一个 完整的平台。



在外部主机具有 UART 或者USB 接口,蓝牙模块与主机信号电平兼容的情况下,不需 要再添加其他辅助电路,本蓝牙模块就可以和主机直接相连。

编辑:小宇