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　　數(shù)據(jù)傳輸可以簡單地分為有線（包括架設(shè)光纜、電纜或租用電信專線）和無線（分為建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（433MHZ頻段和2.4G頻段）或借用CDPD、 GSM、CDMA 等公用網(wǎng)信息平臺）兩大類方式。

　　相比較而言,用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式比其它方式具有如下優(yōu)點(diǎn),下面介紹一下用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式相比于有線通訊的優(yōu)點(diǎn)。
　　1、成本廉價
　　有線通信方式的建立必須架設(shè)電纜,或挖掘電纜溝,因此需要大量的人力和物力；而用無線數(shù)傳電臺建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式則無需架設(shè)電纜或挖掘電纜溝,只需要在每個終端連接無線數(shù)傳電臺和架設(shè)適當(dāng)高度的天線就可以了。相比之下用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式,節(jié)省了人力物力,投資是相當(dāng)節(jié)省的。 　　當(dāng)然在一些近距離的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)中,無線的通訊方式并不比有線的方式成本低,但是有時候?qū)嶋H的現(xiàn)場環(huán)境難以布線,客戶根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的需要還是會選用無線的方式來實(shí)現(xiàn)通訊。
　　2、建設(shè)工程周期短
　　當(dāng)要把相距數(shù)公里到數(shù)十公里距離的遠(yuǎn)程站點(diǎn)相互連接通訊的時候,采用有線的方式,必須架設(shè)長距離的電纜或者挖掘漫長的電纜溝,這個工程周期可能就需要數(shù)個月的時間,而用數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?只需要架設(shè)適當(dāng)高度的天線,工程周期只需要幾天或者幾周就可以,相比之下,無線的方式可以迅速組建起通信鏈路,工程周期大大縮短。
　　3、適應(yīng)性好
　　有線通訊的局限性太大,在遇到一些特殊的應(yīng)用環(huán)境,比如遇到山地、湖泊、林區(qū)等特殊的地理環(huán)境或是移動物體等布線比較困難的應(yīng)用環(huán)境的時候,將對有線網(wǎng)絡(luò)的布線工程有著極強(qiáng)的制約力,而用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將不受這些限制,所以說用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將比有線通訊有更好的更廣泛的適應(yīng)性,幾乎不受地理環(huán)境限制。
　　4、擴(kuò)展性好
　　在用戶組建好一個通訊網(wǎng)絡(luò)之后,常常因為系統(tǒng)的需要增加新的設(shè)備。如果采用有線的方式,需要重新的布線,施工比較麻煩,而且還有可能破壞原來的通訊線路,但是如果采用無線數(shù)傳電臺建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式,只需將新增設(shè)備與無線數(shù)傳電臺相連接就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)充了,相比之下有更好的擴(kuò)展性。

　　模塊必須用信號調(diào)制才能正常工作,常見的固定碼編碼器件如PT2262/2272,只要直接連接即可,非常簡單,因為是專用編碼芯片,所以效果很好傳輸距離很遠(yuǎn)。
　　模塊還有一種重要的用途就是配合單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊,這時有一定的技巧：
　　1、合理的通訊速率
　　數(shù)據(jù)模塊的最大傳輸數(shù)據(jù)速率為9.6KBs,一般控制在2.5k左右,過高的數(shù)據(jù)速率會降低接收靈敏度及增大誤碼率甚至根本無法工作。
　　2、合理的信息碼格式
　　單片機(jī)和模塊工作時,通常自己定義傳輸協(xié)議,不論用何種調(diào)制方式,所要傳遞的信息碼格式都很重要,它將直接影響到數(shù)據(jù)的可靠收發(fā)。
　　碼組格式推薦方案
　　前導(dǎo)碼＋同步碼＋ 數(shù)據(jù)幀,前導(dǎo)碼長度應(yīng)大于是10ms,以避開背景噪聲,因為接收模塊接收到的數(shù)據(jù)第一位極易被干擾（即零電平干擾）而引起接收到的數(shù)據(jù)錯誤。所以采用CPU編譯碼可在數(shù)據(jù)識別位前加一些亂碼以抑制零電平干擾。同步碼主要用于區(qū)別于前導(dǎo)碼及數(shù)據(jù)。有一定的特征,好讓軟件能夠通過一定的算法鑒別出同步碼,同時對接收數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。
　　數(shù)據(jù)幀不宜采用非歸零碼,更不能長0和長1。采用曼徹斯特編碼或POCSAG碼等。
　　3、單片機(jī)對接收模塊的干擾
　　單片機(jī)模擬2262時一般都很正常,然而單片機(jī)模擬2272解碼時通常會發(fā)現(xiàn)遙控距離縮短很多,這是因為單片機(jī)的時鐘頻率的倍頻都會對接收模塊產(chǎn)生干擾,51系列的單片機(jī)電磁干擾比較大,2051稍微小一些,PIC系列的比較小,我們需要采用一些抗干擾措施來減小干擾。比如單片機(jī)和遙控接收電路分別用兩個5伏電源供電,將接收板單獨(dú)用一個78L05供電,單片機(jī)的時鐘區(qū)遠(yuǎn)離接收模塊,降低單片機(jī)的工作頻率,中間加入屏蔽等。
　　接收模塊和51系列單片機(jī)接口時最好做一個隔離電路,能較好地遏制單片機(jī)對接收模塊的電磁干擾。
　　接收模塊工作時一般輸出的是高電平脈沖,不是直流電平,所以不能用萬用表測試,調(diào)試時可用一個發(fā)光二極管串接一個3K的電阻來監(jiān)測模塊的輸出狀態(tài)。
　　無線數(shù)據(jù)模塊和PT2262/PT2272等專用編解碼芯片使用時,連接很簡單只要直接連接即可,傳輸距離比較理想,一般能達(dá)到600米以上,如果和單片機(jī)或者微機(jī)配合使用時,會受到單片機(jī)或者微機(jī)的時鐘干擾,造成傳輸距離明顯下降,一般實(shí)用距離在200米以內(nèi)。

　　摘要：本文綜合運(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)計了一款藍(lán)牙無線通信模塊。該通信模塊能夠代替電纜,有效地應(yīng)用于環(huán)境復(fù)雜多變的工業(yè)現(xiàn)場,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備、接入點(diǎn)、手操器等設(shè)備的無線通信。實(shí)際測試結(jié)果表明本文介紹的無線通信模塊運(yùn)行穩(wěn)定,工作可靠。

　　1 引言

　　藍(lán)牙技術(shù)是一個開放性的、短距離無線通信技術(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無線連接的方式實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備以及移動設(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)和語音通信, 實(shí)現(xiàn)全方位的數(shù)據(jù)傳輸。

　　工業(yè)現(xiàn)場環(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）,這時采用藍(lán)牙等無線通信技術(shù)代替電纜來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(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題。為此本文針對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備、接入點(diǎn)、 手操器等設(shè)計藍(lán)牙無線通信模塊,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

　　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)過電源模塊電平轉(zhuǎn)換,為藍(lán)牙主芯片、存儲器、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。下面將對各個模塊分別介紹。

　　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 接口用來傳輸語音；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 用來儲存協(xié)議棧和應(yīng)用軟件。本設(shè) 計中選用了Silicon 存儲科技公司(SST) 的SST39VF 系列中的一款, 閃存型號為 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 立門電路的元件設(shè)計方式和氧化通道噴射技術(shù),使得其存儲可靠性大大提高,工藝和性能都 遠(yuǎn)優(yōu)于其它競爭對手。此外SST 還專門為便攜式設(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,讀取時間為70ns,工作電壓為2.7~3.6V,為了適應(yīng)工業(yè) 現(xiàn)場苛刻的要求選用了支持-20℃~+85℃工業(yè)級溫度范圍的型號。

　　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,其輸出特性是平衡（對稱） 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,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,這樣就 會引起不必要的耦合,造成許多干擾,嚴(yán)重時甚至使周圍的設(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,為低噪聲放大器（LNA）提供選擇性信號起到減 小干擾的作用。本設(shè)計中采用了臺灣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)計中采用了廣泛 應(yīng)用于移動電話的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,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

　　藍(lán)牙模塊的軟件設(shè)計分為兩個部分：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,但對于不同應(yīng)用一般只用到藍(lán)牙協(xié)議中 的某幾個,而且對于每部分協(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)對硬件狀態(tài)寄存器和控制寄存器的訪問,特別是該 接口提供了對藍(lán)牙基帶的統(tǒng)一訪問模式。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硬件協(xié)議層,以后的應(yīng)用開發(fā)可以直接從HCI 層 開始。通過封裝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)用開發(fā)提供一個 完整的平臺。

　　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。

　　主機(jī)控制器接口（HCI）提供了一種訪問藍(lán) 牙硬件能力的通用接口,HCI 層通過訪問基帶命令、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)對藍(lán)牙硬件的HCI 命令。在主機(jī)系統(tǒng)的HCI 驅(qū)動程序和藍(lán)牙 的硬件HCI 固件之間存在的幾個中間層次,又稱為主機(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)動程序不關(guān)心它是在UART 上還是USB 上,UART 和USB 對主機(jī)控制器驅(qū)動程序發(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,升級不會對傳輸層有任何影響。

　　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)計對模塊初始參數(shù) 進(jìn)行設(shè)置�；�于bluecore2 藍(lán)牙芯片的初始參數(shù)設(shè)置又稱為PSK 設(shè)置,可以通過BLUELAB 集成開發(fā)環(huán)境或者PS Key 設(shè)置軟件來實(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

　　以藍(lán)牙手操器和藍(lán)牙閥門定位器作說明示例。藍(lán)牙模塊與閥門定位器中的 控制板進(jìn)行串口（UART）全雙工通信,閥門定位器的閥位值、閥位上限等各種參數(shù)通過串 口送到藍(lán)牙模塊,通過藍(lán)牙無線通信的方式發(fā)送給藍(lán)牙手操器,手操器可以用相關(guān)指令動態(tài) 地修改閥門定位器的對應(yīng)參數(shù),這改變了傳統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置或修改方法。在閥門定位器中的藍(lán) 牙模塊設(shè)置為被動鏈接模式,設(shè)備啟動后閥門定位器會周期性的采集閥位值并存儲在該設(shè)備 的緩沖區(qū)內(nèi),當(dāng)藍(lán)牙手操器搜索到閥門定位器后向閥門定位器發(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、以及寫上限三項功能。每項功能在執(zhí)行時,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 分別針對以上的三項 功能）以及CRC 校驗域。閥門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)行對應(yīng)的任務(wù)。。

　　5 結(jié)論
　　經(jīng)過現(xiàn)場測試表明,本文設(shè)計的藍(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,能有效地嵌入現(xiàn)場設(shè)備中代替電纜進(jìn)行無線通信, 實(shí)現(xiàn)了對傳統(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)計完成,并在藍(lán)牙手操器和閥門定位器中進(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)。