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什么是藍牙堆棧 Simply Blue精簡藍牙系統的設計案例

39度創意研究所 ? 2020-10-19 15:49 ? 次閱讀

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。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,例如長 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 2.4 GHz 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?;蛩{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行總線,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:

? 一般應用概要文件 (GAP)

? 介紹服務應用概要文件 (SDAP)

? 串行端口概要文件 (SPP)

這些概要文件可以用來連接上文所列的人機界面、打印機及音響系統等設備所預載的應用程序。更先進的數據傳送及音響系統軟件也可利用串行端口概要文件作為驅動程序,但兩者之間必須有軟件作為接口以及采用公用的數據幀。

圖1 典型的接口電路

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?,F有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:示例一

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 12 MHz 石英振蕩器時鐘負責為系統功能計時。較新的 LMX9820A 芯片可以提供 32 kHz 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 921.6 kbps 的速度操作,并可另外配置 ISEL1 及 ISEL2 管腳,以便將速度調低至 9600 bps 及 115.2 kbps 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 38.4 kbps (初始速度則設定為 921.6 kbps)。對于操作速度低于 115.2 kbps 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 921.6 kbps,理論上空氣接口的速度可高達 708 kbps (按規格應高達 721 kbps)。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 230.4 kbps。

如何讓電子產品充分利用Simply Blue技術

透明模式

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機等設備連通,以免干擾原有設備的主處理器的運作。

命令模

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。

石英振蕩器

藍牙系統必須采用 20 ppm 的石英振蕩器或時鐘 (若石英振蕩器或時鐘已老化,15 ppm 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

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。
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