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智能傳感器的藍(lán)牙協(xié)議棧與SoC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要：通過對(duì)藍(lán)牙協(xié)議棧和智能傳感器功能要求的分析，討論用于智能傳感器設(shè)計(jì)的嵌入式藍(lán)牙協(xié)議棧SoC的基本結(jié)構(gòu)，以及功能組成要求。根據(jù)討論結(jié)果，設(shè)計(jì)相應(yīng)的SoC電路結(jié)構(gòu)。引 言
??藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與數(shù)字通信的開放性規(guī)范。它以低成本、近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動(dòng)設(shè)備建立了一種完整的通信方式和技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)的實(shí)質(zhì)是建立通用無線接口及其控制軟件的標(biāo)準(zhǔn)，使移動(dòng)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間能實(shí)現(xiàn)無縫連接，由此，為不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備提供了近距離(10m~100m)范圍內(nèi)的互操作通道。
在工業(yè)控制系統(tǒng)和許多應(yīng)用領(lǐng)域，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前控制器和傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化。在一般的傳感器或測(cè)試儀表中，大量使用CPU 控制下的數(shù)字化技術(shù)，因此，許多控制系統(tǒng)或傳感器系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化傳輸。如果在數(shù)字化的控制系統(tǒng)和傳感器中嵌入藍(lán)牙技術(shù)，則可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制命令的無線傳輸，這對(duì)于許多應(yīng)用領(lǐng)域都是十分重要的。
本文通過對(duì)藍(lán)牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的討論，提出一個(gè)嵌入式SoC 器件結(jié)構(gòu)。這個(gè)嵌入式SoC器件是一種具有藍(lán)牙通信功能的SoC 器件；SoC 中的CPU 對(duì)用戶開放，用戶可以使用這種結(jié)構(gòu)的SoC 器件實(shí)現(xiàn)智能傳感器或控制器單元。
1 藍(lán)牙協(xié)議棧
藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范1.0 版本作了如下規(guī)定。
① 藍(lán)牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(Industrial ，Scientific and Medical)免付費(fèi)、免申請(qǐng)的無線電頻段。
② 采用快速確認(rèn)和跳頻技術(shù)，以確保鏈路的穩(wěn)定。
③ 采用二進(jìn)制調(diào)頻(FM)技術(shù)的跳頻收發(fā)器，抑制干擾和防止衰落。
④ 采用前向糾錯(cuò)(FEC)技術(shù)，抑制長(zhǎng)距離鏈路的隨機(jī)噪聲。
⑤ 數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s 。
⑥ 采用時(shí)分雙工傳輸，其基帶協(xié)議是電路交換和分組交換的結(jié)合。
⑦ 一個(gè)跳頻頻率發(fā)送一個(gè)同步分組，每個(gè)分組占用一個(gè)時(shí)隙，也可擴(kuò)展到5個(gè)時(shí)隙。
⑧ 支持一個(gè)異步數(shù)據(jù)通道，或3個(gè)并發(fā)的同步語音通道，
或一個(gè)同時(shí)傳送異步數(shù)據(jù)和同步語音的通道。每一個(gè)語音通道支持64Kbps 的同步話音。異步通道支持最大速率為721Kbps 、反向應(yīng)答速率為57.6Kbps 的非對(duì)稱連接，或者是432.6bps 的對(duì)稱連接。
目前，工作在2.4GHz 頻段上的無線局域網(wǎng)技術(shù)中，除了藍(lán)牙技術(shù)外，還有IEEE802.11、HomeRF 和紅外技術(shù)。總的來說，IEEE802.11 比較適合于辦公室無線網(wǎng)絡(luò)，HomeRF 適用于家庭中的移動(dòng)數(shù)據(jù)、語音設(shè)備等與主機(jī)之間的通信，而藍(lán)牙技術(shù)則可以應(yīng)用于任何允許無線方式替代線纜的場(chǎng)合。
在實(shí)際應(yīng)用中，藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用一般采用嵌入式技術(shù)。在應(yīng)用系統(tǒng)中嵌入藍(lán)牙協(xié)議棧，可為系統(tǒng)提供一個(gè)透明的無線網(wǎng)絡(luò)通信層。
藍(lán)牙技術(shù)協(xié)議棧的設(shè)計(jì)只有符合藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的要求，才能實(shí)現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品的無縫對(duì)接。藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范(specification)包括協(xié)議(protocol)和應(yīng)用規(guī)范(profile)兩個(gè)部分。完整的藍(lán)牙協(xié)議棧如圖1 所示。
協(xié)議規(guī)范中定義了各功能元素的工作方式，提供了藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)中功能元素間的橫向體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用規(guī)范則介紹了實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用模型，描述了各層協(xié)議間的協(xié)同機(jī)制，從而提供了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的縱向體系結(jié)構(gòu)。
藍(lán)牙協(xié)議包括核心協(xié)議層、替代電纜協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和選用協(xié)議層。
① 核心協(xié)議。核心協(xié)議包括基帶協(xié)議、鏈路管理協(xié)議(LMP)、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)。
② 替代電纜協(xié)議。替代電纜協(xié)議包括串行電路仿真協(xié)議(RFCOMM)，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
③ 電話替代協(xié)議。本協(xié)議包括二元電話控制規(guī)范(TCS Binary)與AT-命令(AT-command)。用于提供音頻通信的處理規(guī)范和相應(yīng)的控制命令。
④ 選用協(xié)議。選用協(xié)議與用戶的應(yīng)用有關(guān)，包括點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議(PPP)、用戶數(shù)據(jù)報(bào)/傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(UDP 和TCP/IP)、目標(biāo)交換協(xié)議(OBEX)、無線應(yīng)用協(xié)議(WAP)、無線應(yīng)用環(huán)境(WAE)、vCard 、vCal 、紅外移動(dòng)通信(IrMC)。選用協(xié)議層的具體內(nèi)容由應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要選擇。
除了以上協(xié)議層外，藍(lán)牙協(xié)議棧中還應(yīng)包括二個(gè)接口：一個(gè)是主機(jī)控制接口(HCI)，用來為基帶控制器、鏈路控制器以及訪問硬件狀態(tài)和控制寄存器等提供了命令接口；另一個(gè)是與基帶處理部分直接相連的音頻接口，用以傳遞音頻數(shù)據(jù)。
在藍(lán)牙協(xié)議棧中，HCI 以上部分通常用軟件實(shí)現(xiàn)，包括邏輯鏈路控制和適配協(xié)議L2CAP、串行仿真RFCOMM 、鏈路管理協(xié)議(LMP )、電話替代協(xié)議和選用協(xié)議；而HCI以下部分則用硬件實(shí)現(xiàn)，包括基帶協(xié)議和鏈路管理協(xié)議(LMP)，這部分也叫作藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中的底層硬件模塊。
2 藍(lán)牙核心協(xié)議棧硬件電路結(jié)構(gòu)
底層模塊是藍(lán)牙技術(shù)的核心模塊，主要由射頻(RF)單元電路、基帶層(base band)電路和鏈路管理層(LMP，Link Manger Protocol)電路組成。
(1)射頻(RF)單元
RF單
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