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摘要:先容了藍(lán)牙技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特色,并聯(lián)合TransiliCA公司生產(chǎn)的OnechIP藍(lán)牙產(chǎn)品TR0700單芯片,剖析了硬件實(shí)現(xiàn)模式。
要害詞:藍(lán)牙技術(shù) 硬件實(shí)現(xiàn) 鏈路管理與控制 跳頻
藍(lán)牙技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)。它的重要目標(biāo)是在全世界樹立一個(gè)短間隔的無線通信尺度。它應(yīng)用2.4GHz~2.5GHz的ISM(Industrion Scientifc Medical)頻段來傳送話音和數(shù)據(jù)。應(yīng)用成熟、適用、先進(jìn)的無線技術(shù)來取代電纜,它提供了低本錢、低功耗的無線接口,使所有固定和移動(dòng)設(shè)備通過微微網(wǎng)PAN(Personal Area Network)連接起來,諸如:盤算機(jī)體系、家庭影院系統(tǒng)、無繩電話體系、通信設(shè)備等,相互通訊,實(shí)現(xiàn)資源共享。藍(lán)牙技術(shù)支撐多種電子設(shè)備之間的短間隔無線通信,這種通信不須要任何線纜,亦不須要用戶直接手工干預(yù);每當(dāng)一個(gè)嵌進(jìn)了藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備發(fā)覺另一同樣嵌入藍(lán)牙技術(shù)的裝備,它們就能主動(dòng)同步,相互通訊,實(shí)現(xiàn)資源共享。
1 藍(lán)牙的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
藍(lán)牙協(xié)議棧的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是由底層硬件模塊,中間層和高端運(yùn)用層三大部分組成。
1.1 藍(lán)牙的底層模塊
底層模塊是藍(lán)牙技巧的核心模塊,所有嵌入藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備都必需包含底層模塊。它主要由鏈路治理層LMP(Link Manager Protocol)、基帶層BB(Base Band)和射頻RF(Rodio Fraquency)組成。其功能是:無線連接層(RF)通過2.4GHz無需申請(qǐng)的ISM頻段,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的過濾和傳輸;它重要定義了工作在此頻段的藍(lán)牙接受機(jī)應(yīng)滿足的需求;其帶層(BB)供給了兩種不同的物理鏈路(同步面向連接路SCO Synchronous Connection Oriented和異步無銜接鏈路ACL Asynchronous Connection Less),負(fù)責(zé)跳頻和藍(lán)牙數(shù)據(jù)及信息幀的傳輸,且對(duì)所有類型的數(shù)據(jù)包提供了不同層次的前向糾錯(cuò)碼FEC(Frequency Error Correction)或循環(huán)沉余度錯(cuò)誤校驗(yàn)CTC(Cyclic Redundancy Check);LMP層負(fù)責(zé)兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備鏈路的樹立和拆除及鏈路的安全和把持,如鑒權(quán)和加密、控制和協(xié)商基帶包的大小等,它為上層軟件模塊提供了不同的拜訪進(jìn)口;藍(lán)牙主機(jī)節(jié)制器接口HCI(Host Cntroller Interface)由基帶控制器、連接收理器、掌握和事件存放器等組成。它是藍(lán)牙協(xié)議中軟硬件之間的接口,提供了一個(gè)調(diào)用下層BB、LM、狀況和控制存放器等硬件的同一命令,上、下兩個(gè)模塊接口之間的新聞和數(shù)據(jù)的傳遞必需通過HCI的說明才干進(jìn)行。HCI層以上的協(xié)定軟件實(shí)體運(yùn)行在主機(jī)上,而HCI以下的功效由藍(lán)牙裝備來完成,二者之間通過傳輸層進(jìn)行交互。
1.2 中間協(xié)議層
中間協(xié)議層由邏輯鏈路控制與適配協(xié)議L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol)、服務(wù)發(fā)明協(xié)議SDP(Service Discovery Protocol)、串口仿真協(xié)議或稱線纜調(diào)換協(xié)議(RFCOM)和二進(jìn)制電話控制協(xié)議TCS(Telephony Control protocol Spectocol)組成。L2CAP是藍(lán)牙協(xié)議棧的核心組成部分,也是其它協(xié)議實(shí)現(xiàn)的基本。它位于基帶之上,向上層提供面向連接和無連接的數(shù)據(jù)服務(wù)。它主要完成數(shù)據(jù)的拆裝、服務(wù)質(zhì)量控制、協(xié)議的復(fù)用、分組的分割和重組(Segmentation And Reassembly)及組提取等功能。L2CAP容許高達(dá)64KB的數(shù)據(jù)分組。SDP是一個(gè)基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的協(xié)議。它工作在L2CAP層之上,為上層利用程序提供一種機(jī)制來發(fā)明可用的服務(wù)及其屬性,而服務(wù)屬性包含服務(wù)的類型及該服務(wù)所需的機(jī)制或協(xié)議信息。RFCOMM是一個(gè)仿真有線鏈路的無線數(shù)據(jù)仿真協(xié)議,符合ETSI尺度的TS 07.10串口仿真協(xié)議。它在藍(lán)牙基帶上仿真RS-232的控制和數(shù)據(jù)信號(hào),為本來應(yīng)用串行連接的上層業(yè)務(wù)提供傳送才能。TCS是一個(gè)基于ITU-T Q.931建議的采取面向比特的協(xié)議,它定義了用于藍(lán)牙設(shè)備之間樹立語音和數(shù)據(jù)呼叫的控制信令(Call Control Signalling),并負(fù)責(zé)處置藍(lán)廾設(shè)備組的移動(dòng)管理進(jìn)程。
1.3 高端利用層
高端應(yīng)用層位于藍(lán)牙協(xié)議棧的最上部分。一個(gè)完全的藍(lán)牙協(xié)議棧按其功能又可劃分為四層:核心協(xié)議層(BB、LMP、LCAP、SDP)、線纜調(diào)換協(xié)議層(RFCOMM)、電話掌握協(xié)議層(TCS-BIN)、選用協(xié)定層(PPP、TCP、TP、UDP、OBEX、IrMC、WAP、WAE)。而高端利用層是由選用協(xié)議層組成。選用協(xié)議層中的PPP(Point-to-Point Protocol)是點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議,由封裝、鏈路節(jié)制協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)把持協(xié)議組成,定義了串行點(diǎn)到點(diǎn)鏈路應(yīng)該如何傳輸因特網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù),它要用于LAN接進(jìn)、撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)及傳真等應(yīng)用規(guī)范;TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議)、UDP(User Datagram Protocol對(duì)象交流協(xié)議)是三種已有的協(xié)議,它定義了因特網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)相干的通信及其他類型盤算機(jī)設(shè)備和外圍設(shè)備之間的通信。藍(lán)牙采取或共享這些已有的協(xié)議往實(shí)現(xiàn)與銜接因特網(wǎng)的設(shè)備通訊,這樣,既可進(jìn)步效力,又可在必定水平上保證藍(lán)牙技術(shù)和其它通信技巧的互操作性;OBEX(Object Exchange Protocol)是對(duì)象交流協(xié)議,它支撐設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換,采取客戶/服務(wù)器模式提供與HTTP(超文本傳輸協(xié)議)雷同的基礎(chǔ)功效。該協(xié)議作為一個(gè)開放性尺度還定義了可用于交流的電子商務(wù)卡、個(gè)人日程表、新聞和便條等格局;WAP(Wireless Application Protocol)是無線應(yīng)用協(xié)議,它的目標(biāo)是要在數(shù)字蜂窩電話和其它小型無線裝備上實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)業(yè)務(wù)。它支持移動(dòng)電話閱讀網(wǎng)頁、收取電子郵件和其它基于因特網(wǎng)的協(xié)議。WAE(Wireless Application Environment)是無線應(yīng)用環(huán)境,它供給用于WAP電話和個(gè)人數(shù)字助理PDA所需的各種運(yùn)用軟件。
2 藍(lán)牙硬件的實(shí)現(xiàn)
藍(lán)牙的技術(shù)規(guī)范除了包括協(xié)議部分外還包括藍(lán)牙的應(yīng)用部分(即應(yīng)用模型)。在實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的時(shí)候,一般是將藍(lán)牙分成兩部分來斟酌,其一是軟件實(shí)現(xiàn)部分,它位于HCI的上面,包括藍(lán)牙協(xié)議棧上層的L2CAP、RFCOMM、SDP和TCS以及藍(lán)牙的一些應(yīng)用;其二是硬件實(shí)現(xiàn)部分,它位于HCI的下面,亦即上面提到的底層硬件模塊,它已在圖1中標(biāo)示出。下面討論藍(lán)牙硬件模塊的結(jié)構(gòu)與性能。
藍(lán)牙硬件模塊由藍(lán)牙協(xié)定棧的無線收發(fā)器(RF)、其帶節(jié)制器(BB)和鏈路治理層(LMP)組成。目前大多數(shù)生產(chǎn)廠家都是應(yīng)用片上體系技巧SOC(System-On-Chip)將這三層功能模塊集嵌在同一塊芯片上。圖2為單芯片藍(lán)牙硬件模塊構(gòu)造圖。它由微處置器(CPU)、無線收發(fā)器(RF)、基帶掌握器(BB)、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)、閃存(Flash程序存儲(chǔ)器)、通用異步收發(fā)器(UAST)、通用串行接口(USB)、語音編/解碼器(CODEC)及藍(lán)牙測(cè)試模塊組成。下面分辨敘述各部分的組成及功能。
(1)藍(lán)牙基帶控制器
藍(lán)牙基帶控制器是藍(lán)牙硬件模塊的要害模塊。它主要由鏈路控制序列產(chǎn)生器、可編程程序列產(chǎn)生器、內(nèi)部語音處理器、共享RAM裁器及定時(shí)鏈管理、加密/解密處理等功能單元組成。其主要功能:在微處理器模塊控制下,實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙基帶部分的所實(shí)時(shí)處理功能,包括負(fù)責(zé)對(duì)吸收bit流進(jìn)行符號(hào)定時(shí)提取的恢復(fù);分組頭及凈荷的循環(huán)沉余度校驗(yàn)(CRC);分組頭及凈荷的前向糾錯(cuò)碼(FEC)處理和發(fā)送處理;加密和解密處理等。且能提供從基帶控制器到其它芯片的接口(諸如數(shù)據(jù)路徑RAM客戶接口、微處理器接口、脈碼調(diào)制接口(PCM)等。
(2)無線收發(fā)器模塊
無線收發(fā)器是藍(lán)牙設(shè)備的核心,任何藍(lán)牙設(shè)備都要有無線收發(fā)器。它與用于廣播的普通無線收發(fā)器的不同之處在于體積小、功率小(目前生產(chǎn)的藍(lán)牙無線收發(fā)器的最大輸出功率只有100mW、2.5mW、1mW三種)。它由鎖相環(huán)、發(fā)送模塊和接受模塊等組成。發(fā)送部分包含一個(gè)倍頻器,且直接使用壓控振蕩器調(diào)制(VCO);吸收部分包括混頻器、中頻器放大器、鑒頻器以及低噪音放大器等。無線收發(fā)器的主要功能是調(diào)制/解調(diào)、幀定時(shí)恢復(fù)和跳頻功能同時(shí)完成發(fā)送和吸收操作。發(fā)送操作包括載波的發(fā)生、載波調(diào)制、功率控制及主動(dòng)增益控制AGC;接收操作包括頻率調(diào)諧至準(zhǔn)確的載波頻率及信號(hào)強(qiáng)度控制等。
(3)微處理器(CPU)
CPU負(fù)責(zé)藍(lán)牙比特流調(diào)制和解調(diào)所的所有比特級(jí)處置,且還負(fù)責(zé)把持收發(fā)器和專用的語言編碼和解碼器。
(4)Flash存儲(chǔ)器和SRAM
Flash存儲(chǔ)器用于寄存基帶和鏈路治理層中的所有軟件部分。SRAM作為CPU的運(yùn)行空間,在作時(shí)把Flash中的軟件調(diào)用SRAM中。
(5)語音編/解碼器CODEC(Coder Decoder)
語音編/解碼器CODEC由ADC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)、模數(shù)轉(zhuǎn)換口(ADC)、數(shù)字接口、編碼模塊等組成。重要功效:供給語音編碼和解碼功能,提供CVSD(Continuous Variable Slope Delta Modulation)即持續(xù)可變斜率增量調(diào)制及對(duì)數(shù)PCM(Pulse Coded Modulation)即脈碼調(diào)制兩種編碼方法。
(6)藍(lán)牙測(cè)試模塊
它是由DUT(Device Under Test)即被測(cè)試模塊與測(cè)試設(shè)備及計(jì)量設(shè)備組成。一般測(cè)試 設(shè)備被測(cè)試設(shè)備構(gòu)成一個(gè)微微網(wǎng),測(cè)試設(shè)備是主節(jié)點(diǎn),DUT是從節(jié)點(diǎn)。測(cè)試設(shè)備對(duì)全部測(cè)試進(jìn)程進(jìn)行控制,其主要功能提供無線層和基帶層的認(rèn)證和一致性規(guī)范,同時(shí)還管理產(chǎn)品的生產(chǎn)和售后測(cè)試。
(7)UART(Universal Asynchronous Keceiver Transunitter)通用異步收發(fā)器和USB(Universal Serial Bus)通用串行接口。
功能:提供到HCI(Host Confroller Interface)即主機(jī)控制器接口傳輸層的物理連接,是高層與物理模塊進(jìn)行通信的通道。
3 TR0700單芯片先容
RT0700單芯片是Transilica公司的藍(lán)牙產(chǎn)品,其構(gòu)造如圖3所示。它把無線收發(fā)器與基帶都集成到一塊CMOS芯片上,替換傳統(tǒng)的串行語音和通用串行接口電纜,為語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線銜接。
3.1 構(gòu)造及工作原理
RT0700單芯片由收發(fā)器、基帶、語音編/解碼器(CODEC)、帶有4個(gè)可配置的8bit接口的8051微處理器、兩個(gè)串行口雙高性能的通用異步收發(fā)器(UART)、4KB的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)、64KB的Flash程序存儲(chǔ)器等組成。
收發(fā)器由低噪放大器(LNA)、電平控制器(PA)、混頻器、鑒頻器、控制存放器、發(fā)送濾波器、振蕩器等組成。其工作原理是:來自接受天線上的信號(hào)經(jīng)低噪放大器(LNA)放大后,送至多級(jí)濾波器,多級(jí)濾波用具有預(yù)選擇功能,它把LAN的輸出信號(hào)限制在2.4GHz的ISM頻段內(nèi),往除負(fù)頻率成分,輸出合適進(jìn)行下變頻處理的信號(hào)。I、Q混頻器把藍(lán)牙頻段的信號(hào)移頻至低中頻(IF)傳輸?shù)恼{(diào)制信號(hào)。復(fù)合濾波器負(fù)責(zé)從下變頻信號(hào)中濾除無用信號(hào)和噪聲。鑒頻器使用過采樣技術(shù)從IF信號(hào)中取出藍(lán)牙低調(diào)制指數(shù)信號(hào);發(fā)送器由發(fā)送濾波器、頻率合成器、功率放大器、振蕩器、天線等組成。其工作原理是:發(fā)送濾波器是一個(gè)高斯數(shù)字濾波器,它對(duì)發(fā)送環(huán)Tx輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字過濾;振蕩器的功能是驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部的晶體振蕩器或者接收一個(gè)外部的時(shí)鐘信號(hào),向頻率合成器提供一個(gè)低噪聲的參考頻率。功率放大器的主要功能是對(duì)頻率合成器的輸出功率放大到1mW左右,且對(duì)頻率合成器起緩沖作用,減少負(fù)載變更對(duì)合成器的影響;發(fā)送天線:當(dāng)應(yīng)用差分輸入的LNA時(shí),它可以是一個(gè)低噪聲的平衡雙極天線;8051微處理器是一個(gè)8位的微處理器,它的主要功能是管理和實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙協(xié)議棧。它具有一加強(qiáng)的指令集、二級(jí)數(shù)據(jù)指針、擴(kuò)大的SRAM和雙UART。在TR0700中對(duì)一些反復(fù)性的操作諸如分組的組裝和拆解、加密、地址編碼/解碼、糾錯(cuò)和同步等都由硬件來實(shí)現(xiàn),這樣能下降處理器的開銷,有效地進(jìn)步響應(yīng)性能。TR0700除了8051微處理器本身所帶有的一些特別功能寄存器(SFR)外,還定義了一些新的特別功能寄存器(SFR),它還引入了一些特別的中止,如一個(gè)帶有特殊維護(hù)的外部中止INT3等。RT0700的基帶操作有三種模式可供選擇:數(shù)據(jù)/地址、端口、測(cè)試。
3.2 基礎(chǔ)功能及應(yīng)用
TR0700單芯片的基礎(chǔ)功能是:具有10m的傳輸間隔及1Mbps的數(shù)據(jù)速率;支持79跳系統(tǒng)及支撐點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)連接,既可以是主節(jié)點(diǎn)又可以是從節(jié)點(diǎn);支持GAP、TCS、手機(jī)、intercom剖面和串行口等;支持Hold、Sniff和Park功率節(jié)儉模式;對(duì)LC、LM、L2CAP、SDP、RECOMM等藍(lán)牙協(xié)議棧能完整實(shí)現(xiàn);對(duì)于SCO鏈路支持HV1、HV2、HV3數(shù)據(jù)分組;對(duì)于ACL分組支持DM1、DM3、DM5、HD1、HD3、HD5和AUX1數(shù)據(jù)分組;具有用于測(cè)試和Flash內(nèi)存升級(jí)的JTAG接口。TR0700單芯片的主要運(yùn)用有:用于電信方面的峰房和無繩電話、調(diào)制解調(diào)器、手持設(shè)備、互聯(lián)設(shè)備、小型監(jiān)督器;用于盤算機(jī)方面有鍵盤、鼠標(biāo)、控制桿、掃描儀、監(jiān)督器、打印機(jī)、桌面、筆記本計(jì)算機(jī)等。用于花費(fèi)類的PDA、耳機(jī)、監(jiān)督系統(tǒng)、游戲控制器和數(shù)字相機(jī)等。
藍(lán)牙技術(shù)作為一個(gè)開放的無線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),能通過無線連接方法將必定范疇內(nèi)的固定或移動(dòng)設(shè)備連接起來,使人們能夠更方面更快速地進(jìn)行語音和數(shù)據(jù)的交換,這無疑將會(huì)成為未來無線通信范疇的一個(gè)主要的研討方向。本文所描寫的藍(lán)牙技術(shù)硬件實(shí)現(xiàn)模式剖析,只是藍(lán)牙核心技術(shù)中的一小部分,隨著藍(lán)牙技術(shù)的不斷完美與產(chǎn)品的勝利開發(fā),可以確定,藍(lán)牙技術(shù)將會(huì)逐漸進(jìn)入我們的工作和生涯,成為不可缺乏的一部分。
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P代表鋼件和合金鋼,m代表不銹鋼,k代表鑄鐵,n代表非鐵金屬,s代表高溫合金。
h代表高硬度材料
F代表每齒進(jìn)給,v代表線速度
