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蓝牙芯片及其应用 4 v; R+ w: | S- Q
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摘要：介绍了MITEL公司和PHILSAR公司共同推出的蓝牙芯片组MT1020和PH2401的特性、结构及其在蓝牙无绳电话中的应用。, W0 {/ j2 @) J v9 L
关键词：蓝牙芯片组 MT1020基带控制器 PH2401无线收发器 蓝牙系统结构 功能块 蓝牙无绳电话7 @+ b+ J, h( Y% w
1 关于蓝牙
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“蓝牙”是一项令人振奋的技术,它利用微波取代传统中错综复杂的电缆,使家庭或办公场所的移动电话、便携式计算机、打印机、复印机、键盘、耳机及其它手持设备实现互联互通,将人们从无数的连接电缆中解放出来,自由方便地构成自己的个人网络。有了蓝牙,你甚至不用掏出你的移动电话,就可以用PDA（个人数字助理）通过口袋中的移动电话查阅新闻、订票以及进行其它电子商务活动,无拘无束、自由自在。这个由爱立信公司于1995年提出的概念已广泛地为业界所接受,从SIG（蓝牙特殊利益集团）的成员就可以看出业界对它的重视程度。SIG的九个成员包括爱立信、诺基亚、摩托罗位、3COM、IBM、INTEL等,都是各自行业的“开发者”。目前,这一技术已经有2000多家支持厂商。蓝牙技术的应用非常广泛,来自IDC的数据预测,到2005年全球围绕移动设备、桌面设备和其它设备将有40亿蓝牙产品被广泛应用,具有极大的市场潜力。# u+ f. X x( G' q7 `
) O/ f4 K$ ^8 ]5 D, _+ c9 V 作为取代数据电缆的短距离无线通信技术,6 y+ X% z! M' _
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蓝牙支持点对点及对多点的通信,它以无线方式将家庭或办公室中的各种数据和语音设备联成一个微微网（Piconet）,几个微微网还可以进一步实现互联,形成一个分布式网络（Scatternet）,从而在这些联接设备之间实现快捷而方便的通信联系。蓝牙的工作频段为全球开放的2.4GHz ISM（工业、科学、医学）频段,由于就保证施行者可以毫无障碍地使用蓝牙设备。由于ISM频段是对所有无线电都开放的频段,汽车、微波炉等将有可能成为其不可预测的干扰源,因此对蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保连接的稳定和数据保密。在目前公布的蓝牙规范“Bluetooth V1.0”中,数据传输速率较大为721kbit/s,通信距离为10m,若加大发射功率,通信距离可达100m。
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9 M" }/ z2 D0 @2 蓝牙系统结构& B! \% \9 y2 [' S
* h8 k: a i3 |, J# [$ x. | MT1020基带控制器和PH2401无线收发器分别由MITEL公司和PHILSAR公司提供,两者配合可构成完整的低功耗的蓝牙模块,提供高至HCI（主机控制接口）层的功能。它们在蓝牙系统中的位置如图1所示。
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MT1020基带控制器负责蓝牙基带部分的功能,完成基带以及链路的管理,包括对SCO（同步）和ACL（异步）连接方式的支持、差错控制、物理层的认证与加密、链路管理等; PH2401实现数据的无线接收和发送;虚线以上部分由用户根据不同的应用需求来实现。特别值得一提的是,在该蓝牙模块解决方案中,即将推出的改进型基带控制器MT1020B可提供20K的用户ROM,使用户可以利用其内嵌的低功耗、高性能的32位ARM7TDMI内核,从而简化用户设计,实现最低楞耗、较高集成度的蓝牙产品。
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3 b: \7 E' n* W: x+ ^! T& l. D3 蓝牙芯片组简介
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3.1 MT1020的内部结构及各功能块介绍
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MT1020由嵌入式微处理器和蓝牙基带外设组成,如图2所示。在该芯片中,系统仙部时钟可以低至5MHz、内核供电电压为2V、硬件解码、支持DMA传输,所有这些使得该芯片具有超低功耗。3 z! H+ L6 ^2 U) I( o$ l& g7 o! |
7 W& W/ A% r' W% f- ~- G) W 3.1.1 基带外设# E: h& I7 A; {. y1 r$ P
6 x+ P: Q' b) p0 x) L 基带外设以最小的开销完成重要的蓝牙操作,它挂在“向上集成模块总线（Uintegration Module Bus）”上,由以下几个功能块组成。" n* Z: s2 |# @, \( B- |: v4 g
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- G% Y9 r j G1 \# n 3.1.1.1 总线接口8 @; Y7 S4 Z/ d) D2 b
2 A+ C8 Z- ?% x. N' o 总线接口完成微处理器与基带外设之间的通信,基带外设内各个模块之间使用专门的BT总线传送数据。
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3.1.1.2 链路控制器9 m2 C6 R s0 k" m9 }+ H
5 t& _; |+ q+ {, c1 d' v" L 链路控制器与PH2401无线收发器接口,需要发送的数据在链路控制器中被装配,加上同步字、帧头以及CRC校验字,并且被白化,是否进行加密可由用户选择;收到的数据由在此被解码、检错。! }0 t8 ?( i/ ?8 s) x/ q
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3.1.1.3 队列管理器
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队列管理器完成缓冲RAM与链路控制器以及USB或串行主机与音频接口之间的智能DMA传输。它能识别不同格式的蓝牙数据包,并能进行相互转换。
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3.1.1.4 缓冲RAM: z3 f+ E6 d1 m& h. R7 }' Z9 O9 b: ^
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专门用于存储蓝牙数据包和变量,容量为12K Byte。
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9 r) N5 V# o5 F o# | 3.1.1.5 音频编解码器: N5 |7 }6 I; C% Y# M" h
6 n3 `# v, ^' g7 }/ |% G* W0 l: b 音频编解码器是一个全双工的编解码器,包括麦克风放大器和耳机驱动器,其听数字转换器能够进行线性PCM、A律PCM、μ律PCM及CVSD（连续可变斜率增量调制）之间的相互转换。! S# ?' t1 v4 Q$ n" _
5 S1 _8 X8 e/ g% u6 K: a9 e, ]. d 3.1.2 嵌入式微控制器内核9 d* G: u: y W. W% _
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嵌入式微处理器由32位RISC架构的ARM7TMDI中内处理单元、专用的模块交互总线（Inter-Module Bus）和其它一些功能块组成。
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% _7 \& e6 Z" ~; c* B" {# B h 3.1.2.1 ARM7TDMI处理器
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ARM7TDMI是一款性能优异的嵌入式CPU,具有极快的运算速度和很低功耗,利用其内部的Thumb指令压解器可支持16位指令,并支持扩展调试、快速乘法等功能,它通过模块交互总线其它功能块交换数据。) z. ]" ?4 r5 o8 M" M
9 x* |/ I7 i( I9 d 3.1.2.2 外设控制器
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" m# Z/ t; D3 Q) L* L 外设控制器是MT1020A中内部总线与外部总线进行通信的主要通道,它支持动态总线宽度,并能产生访问外设所需要的控制信号。
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3.1.2.3 串行I/O
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$ K0 l+ a2 ^5 q: a+ R 串行I/O用来连接各种串行接口器件,例如与串行EEPROM、串行时钟等器件接口。, @ Y8 {, G, p d7 b: S
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3.1.2.4 中断控制器/ C4 }) G) L" h1 u9 }9 n' k! A
8 [& S8 {& r) L/ q) A: J" V' b ARM7TDMI处理器接受两种中断请求：普通中断请求和快速中断请求。根据用户所需要的优先级,所有中断都可设置成两种类型中的一种。中断控制器能处理八个外部中断和两个内部中断。外部中断可被编程设置成电平触发或沿触发。为减少中断响应的延迟时间,对每种类型的中断,中断控制器能进行硬件优先级判断,从而加快对中断的实时响应。
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3.1.2.5 定时器/计数器
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5 D0 |. f& Q2 { MT1020A提供两个双独立32位定时器/计数器,它们与系统时钟同步,可以在程序中轮询,也可设置成溢出中断,并能自动重装。
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# \+ U% Q! @& o s+ R9 r! c 3.1.2.6 DMA控制器9 { d1 C+ F0 W; n1 e, m* s2 b& R% p
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在该控制器中有两个DMA引擎,它们可以配置成一对,从而支持ARM7TDMI中任意位置两个内存块的DMA传输。当然,它们也可独立使用。
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1 e G- \ T% Z, E! ~ 3.1.2.7 通用异步收发器% O9 |+ u5 \7 F8 ]6 b* L
/ c( v' w! [1 O0 B n6 @( R 通用异步收发器接口形式为RS-232,支持硬件握手和XON/XOFF软件协议,收发通道上各有一个缓冲器,可以在程序中轮询,也可使用中断形式。器件内部的波特率发生器用来产生需要的数据速率。. q5 w+ T! g8 D6 Z! R
. M8 ~2 p7 E, u8 k( D! U3 n: f) V 3.1.2.8 系统存储器0 \9 M5 R' x$ d3 x% [+ d ^
: U! G' l# g/ H1 N% d5 Y 系统存储器挂在UIM总线上。MT1020有20KB的内部静态RAM,用于程序变量的存储。用户需要外挂一个外部ROM/FLASH来存储蓝牙链路控制和管理协议代码。在MT1020的下一个版本中,将提供片上ROM,并具备存储用户代码的能力,从而简化用户设计,降低功耗。3 @$ X7 s" A' G
+ ~- `2 F% H& N. c8 M2 P! l/ ~7 q H9 P3.2 PH2041蓝牙无线收发器功能9 C1 p; V+ a G5 X8 b" I, Z
6 ~5 A1 @9 i8 l) U$ q+ {) e PH2401单片无线收发器用砷化镓工艺制造,具有高集成度、超低功耗、体积小等优点,专门优化用于2.4GHz无线个人系统,完全兼容蓝牙规范“Bluetoooth V1.0”。
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它工作于2.4GHz的ISM频段,以每秒1600次的速度在79个频道（2.402GHz-2.408GHz）上快速跳频,较大位传输速率可达1Mbit/s。: B: Q. w0 w5 ]" V7 ~, z2 l# z
- }& b4 {/ ^) X$ F8 m PH2401采用调制指数为0.3的高斯频移键控制（GFSK）调制方式,信道带宽为1MHz,频偏在140kHz-175kHz之间,满足蓝牙2级和3级操作, 送功率可在-10dBm-+2dBm之间编程设定,发射范围为10-100m。接收器由RF-IF下变频器、自动增益控制(AGC)、滤波器、双通道模/数转换器及调制器组成。0 M$ r) T V- H2 D( o2 J( G
% y& s* {& k3 l+ ` ` 基带控制器通过串行总线与PH2401接口。通过对其内部寄存器的读写实现跳频、调谐等其它控制。
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4 蓝牙无绳电话
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0 W4 y5 w, T% f/ r9 k 由MT1020和PH2401构成的蓝牙模块提供高至HCI的功能,因此可以很方便地利用它构成蓝牙系统。我们采用该芯片组设计了蓝牙无绳电话。
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根据蓝牙规范对无绳电话的协议要求,无绳电话实现协议栈如图3所示。
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# O8 D: z; R/ E) K7 I& N 通过服务发现协议（SDP）,子机寻找通信范围内所有蓝牙设计信息和服务类型,从而与无绳电话主机建立连接。语音呼 叫的控制信令则在二元电话控制协议（TCS Binary）中定义。逻辑链路控制应用协议（L2CAP）向上层提供面向连接和无连接的逻辑链路。传输上层协议数据。语音流不经过逻辑链路控制应用协议（L2CAP）,直接与基带控制器连接,使用连续可变斜率增量调制（CVSD）技术,以获得高质量传输的音频编码。6 j, f8 ^+ p9 Q/ T9 v
1 R0 Z6 y5 \% N; f$ `% w+ P+ ? 蓝牙无绳电话子机的基本电话框图如图4所示。8 ?/ G' \3 k, M3 O+ Y4 J% R2 S5 W- w; p
0 ?4 {2 X; j! O, W k# ~& E mcu不仅完成对键盘、显示器的控制,而且实现TCS Binary、DSP和L2CAP协议,受话送话器直接与MT1020基带控制器连接,系统简洁、可靠,具有很好的性能价格比。
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发表于 2019-7-10 09:00
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