如何利用國(guó)半LMX9820芯片進(jìn)行藍(lán)牙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們?nèi)粝朐O(shè)計(jì)一套完善的藍(lán)牙(Bluetooth)系統(tǒng)，就必須充分掌握其中的技術(shù)知識(shí)，例如協(xié)議堆棧、射頻設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成等方面的專門知識(shí)。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體Simply Blue模塊系列首款產(chǎn)品LMX9820芯片的面世令藍(lán)牙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作變得更為容易。以采用微控制器并設(shè)有通用異步收發(fā)器(UART)的定標(biāo)器、恒溫器及儀表為例來(lái)說(shuō)，這類電子設(shè)備目前都可無(wú)需在軟件方面作出任何修改便能輕易添加點(diǎn)對(duì)點(diǎn)藍(lán)牙通信的功能。

藍(lán)牙(Bluetooth)是一種什么技術(shù)？

　　藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，原意是用來(lái)取代不同長(zhǎng)度的電纜，例如Class 3支持1米/3.3英尺無(wú)線距離，Class 2支持10米/33英尺的無(wú)線距離。由于第一類電纜用于較長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳送，因此藍(lán)牙無(wú)線通信若要覆蓋如此大的范圍，其耗電便會(huì)遠(yuǎn)比短距離傳送為多，因此便攜式電子產(chǎn)品通常都不會(huì)采用藍(lán)牙無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)距離的信號(hào)傳送。

　　藍(lán)牙技術(shù)以2.4GHz的頻帶操作，可為625μs的短信息包提供一個(gè)穩(wěn)定的傳輸環(huán)境，而且可以利用跳頻避免信號(hào)受到干擾。此外，由于藍(lán)牙技術(shù)設(shè)有高斯最小移位鍵控(GMSK)調(diào)制功能，因此有助降低系統(tǒng)成本。

何謂藍(lán)牙堆棧？

　　執(zhí)行通信協(xié)議規(guī)定所必要的軟件一般稱為堆棧或藍(lán)牙協(xié)議堆棧。堆棧這個(gè)詞含有堆合一起的意思，因此按照開放系統(tǒng)互連(OSI)網(wǎng)絡(luò)模式組裝一起的模塊式或?qū)蛹?jí)式軟件便稱為堆棧。堆棧有時(shí)稱為驅(qū)動(dòng)程序，可用于符合WiFi及通用串行總線(USB)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。藍(lán)牙技術(shù)一如通用串總線，特別為不同種類的設(shè)備分別設(shè)有特定的接口。例如，符合通用串行總線標(biāo)準(zhǔn)的鍵盤和滑鼠、打印機(jī)以及音響系統(tǒng)都有特定的驅(qū)動(dòng)程序，而藍(lán)牙也設(shè)有特定的概要文件如人機(jī)界面設(shè)備(HID)、基本打印概要文件(BPP)以及先進(jìn)音頻分配概要文件(AADP)。

數(shù)據(jù)鏈路必須獲得以下幾個(gè)最基本的概要文件為其提供支持：

　　一般應(yīng)用概要文件(GAP)；

　　介紹服務(wù)應(yīng)用概要文件(SDAP)；

　　串行端口概要文件(SPP)。

圖1：典型的接口電路圖。

Simply Blue可以精簡(jiǎn)藍(lán)牙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　即使藍(lán)牙系統(tǒng)內(nèi)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(guān)指令全部完成交換后，數(shù)據(jù)鏈路才可視為正式建立。換言之，原有系統(tǒng)的軟件必須作出修改，以致整個(gè)工程項(xiàng)目的施工時(shí)間會(huì)被耽誤，對(duì)于內(nèi)置只讀存儲(chǔ)器的設(shè)備來(lái)說(shuō)，這方面的時(shí)間延誤尤其顯著。

　　幸好另外還有一個(gè)更為容易的方法可為藍(lán)牙系統(tǒng)編寫應(yīng)用程序。以LMX9820為例來(lái)說(shuō)，由于這款芯片已預(yù)載了NRE以及免繳版稅的全面嵌入式藍(lán)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(shè)計(jì)工作，無(wú)需為投資什么軟件而分心。LMX9820設(shè)有透明模式，可以通過(guò)預(yù)置的通電功能啟動(dòng)系統(tǒng)，傳送原始數(shù)據(jù)。換言之，任何設(shè)有通用異步收發(fā)器(UART)的電子產(chǎn)品都可與任何藍(lán)牙裝置如個(gè)人數(shù)字助理(PDA)或筆記本計(jì)算機(jī)連通。現(xiàn)產(chǎn)品如設(shè)有紅外線數(shù)字信號(hào)連接(IrDA)端口的打印機(jī)及診斷設(shè)備都可利用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳送。

天線的信號(hào)接收能力：示例1

　　圖1的電路圖顯示我們其實(shí)很容易便能為電子產(chǎn)品添加藍(lán)牙通信功能。圖中的電路只需采用極少的獨(dú)立式電源供應(yīng)器及去耦電容器，但即使如此，我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)也須抱持審慎的態(tài)度，因?yàn)槎嘣胍舻碾娫垂?yīng)器可以影響射頻系統(tǒng)的收發(fā)能力。圖中的12MHz石英振蕩器或時(shí)鐘負(fù)責(zé)為系統(tǒng)功能計(jì)時(shí)。較新的LMX9820A芯片可以提供32kHz的時(shí)鐘頻率以供選擇，以便系統(tǒng)可以自動(dòng)選用節(jié)能模式操作。

　　LMX9820芯片的通用異步收發(fā)器能以高達(dá)921.6kbps的速度操作，并可另外配置ISEL1及ISEL2管腳，以便將速度調(diào)低至9600bps及115.2kbps等較低的速度，也可利用通用異步收發(fā)器設(shè)定其它速度，例如38.4kbps(初始速度則設(shè)定為921.6kbps)。對(duì)于操作速度低于115.2kbps的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最理想的做法是設(shè)立硬件交接機(jī)制，但這并非必要。數(shù)據(jù)鏈路若直接與微控制器連接一起，可令數(shù)據(jù)傳送速度提高至921.6kbps，理論上空氣接口的速度可高達(dá)708kbps(按規(guī)格應(yīng)高達(dá)721kbps)。產(chǎn)品編號(hào)為BT-TXA-KT1-0-01的Simply Blue評(píng)價(jià)套件因?yàn)槭艿窖b設(shè)在接口電路板上及大部分個(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)的RS-232電平轉(zhuǎn)換器集成電路所限制，以致速度無(wú)法超過(guò)230.4kbps。

如何讓電子產(chǎn)品充分利用Simply Blue技術(shù)

　　透明模式

　　LMX9820芯片已預(yù)先設(shè)定在啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)采用從屬配置，然后轉(zhuǎn)用只會(huì)傳送原始有效載荷數(shù)據(jù)的透明模式。由于LMX9820芯片采用這樣的設(shè)計(jì)，因此可以自動(dòng)與個(gè)人數(shù)字助理或便攜式計(jì)算等設(shè)備連通，以免干擾原有設(shè)備的主處理器的運(yùn)作。

　　命令模式

　　藍(lán)牙系統(tǒng)只要發(fā)出ASCII‘中斷’(break)命令，便可進(jìn)入命令模式，以便內(nèi)置藍(lán)牙通信系統(tǒng)的電子產(chǎn)品可以添加更先進(jìn)的功能，滿足個(gè)別產(chǎn)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?yàn)楫a(chǎn)品需要通過(guò)應(yīng)用編程接口(API)將相關(guān)的命令傳送到LMX9820芯片，但這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以提供透明模式所無(wú)法提供的功能特色。為了方便使用及確保數(shù)據(jù)安全，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可為個(gè)別客戶預(yù)先設(shè)定局部命名、管腳代碼及鏈路鍵等參數(shù)。若采用命令模式，LMX9820芯片能夠利用一點(diǎn)至多點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)操作，以便同時(shí)連通高達(dá)三具不同的電子裝置。

　　石英振蕩器

　　藍(lán)牙系統(tǒng)必須采用20ppm的石英振蕩器或時(shí)鐘(若石英振蕩器或時(shí)鐘已老化，15ppm也足夠)，因?yàn)檫@兩種計(jì)時(shí)工具的優(yōu)劣會(huì)直接影響射頻系統(tǒng)的性能。工程師必須依照石英振蕩器廠商就有關(guān)電容負(fù)載所定的有關(guān)規(guī)定，以及將LMX9820芯片的管腳電容一并計(jì)算在內(nèi)。若采用較新型號(hào)的LMX9820ASM芯片，舊型號(hào)產(chǎn)品如LMX9820SB芯片原本采用的電容器可能因?yàn)檩斎腚娙萆杂胁煌灾卤仨毟鼡Q，以確保電容器可以配合石英振蕩器運(yùn)作。

　　天線

　　天線效率及模式可以大大影響電子產(chǎn)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(chǎn)品具有高度的定向性，以致這些產(chǎn)品必須互相瞄準(zhǔn)對(duì)方，因此廣闊的接收范圍對(duì)這類便攜式電子產(chǎn)品并不適用，也正因如此，大部分便攜式產(chǎn)品都采用單向的設(shè)計(jì)，以確保性能穩(wěn)定可靠。為了確保天線能充分發(fā)揮其性能，我們必須加設(shè)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(chǎn)。有關(guān)接地層及布局規(guī)格的資料，可以查閱相關(guān)廠商的數(shù)據(jù)表及應(yīng)用技術(shù)參考資料。此外，如欲進(jìn)一步咨詢有關(guān)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體藍(lán)牙系列產(chǎn)品的資料，可瀏覽www.national.com/bluetooth網(wǎng)頁(yè)。