智能传感器的蓝牙协议栈与SoC结构设计.docx
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1、智能传感器的蓝牙协议栈与SoC结构设计摘要:通过对蓝牙协议栈和智能传感器功能要求的分析,讨论用于智能传感器设计的嵌入式蓝牙协议栈SoC的基本结构,以及功能组成要求。根据讨论结果,设计相应的SoC电路结构。关键词:蓝牙 基带 智能传感器 SoC引 言蓝牙技术是一种无线数据与数字通信的开放性规范。它以低成本、近距离无线连接为基础,为固定与移动设备建立了一种完整的通信方式和技术。蓝牙技术的实质是建立通用无线接口及其控制软件的标准,使移动通信与计算机网络之间能实现无缝连接,由此,为不同厂家生产的便携式设备提供了近距离(10m100m)范围内的互操作通道。在工业控制系统和许多应用领域,随着电子技术的发展
2、,目前控制器和传感器已经实现了智能化。在一般的传感器或测试仪表中,大量使用CPU 控制下的数字化技术,因此,许多控制系统或传感器系统已经实现了数字化传输。如果在数字化的控制系统和传感器中嵌入蓝牙技术,则可以实现系统数据和控制命令的无线传输,这对于许多应用领域都是十分重要的。本文通过对蓝牙协议栈结构的讨论,提出一个嵌入式SoC 器件结构。这个嵌入式SoC器件是一种具有蓝牙通信功能的SoC 器件;SoC 中的CPU 对用户开放,用户可以使用这种结构的SoC 器件实现智能传感器或控制器单元。1 蓝牙协议栈蓝牙技术规范 版本作了如下规定。 蓝牙工作在全球通用的 ISM(Industrial ,Scie
3、ntific and Medical)免素的工作方式,提供了蓝牙技术实现中功能元素间的横向体系结构。应用规范则介绍了实现特定应用模型,描述了各层协议间的协同机制,从而提供了技术实现的纵向体系结构。蓝牙协议包括核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和选用协议层。 核心协议。核心协议包括基带协议、链路管理协议(LMP)、逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)、服务发现协议(SDP)。 替代电缆协议。替代电缆协议包括串行电路仿真协议(RFCOMM),用于实现数据的转换。 电话替代协议。本协议包括二元电话控制规范(TCS Binary)与AT-命令(AT-command)。用于提供音频通信的处理规范
4、和相应的控制命令。 选用协议。选用协议与用户的应用有关,包括点到点协议(PPP)、用户数据报/传输控制协议/互联网协议(UDP 和TCP/IP)、目标交换协议(OBEX)、无线应用协议(WAP)、无线应用环境(WAE)、vCard 、vCal 、红外移动通信(IrMC)。选用协议层的具体内容由应用系统根据需要选择。除了以上协议层外,蓝牙协议栈中还应包括二个接口:一个是主机控制接口(HCI),用来为基带控制器、链路控制器以及访问硬件状态和控制寄存器等提供了命令接口;另一个是与基带处理部分直接相连的音频接口,用以传递音频数据。在蓝牙协议栈中,HCI 以上部分通常用软件实现,包括逻辑链路控制和适配协
5、议L2CAP、串行仿真RFCOMM 、链路管理协议(LMP )、电话替代协议和选用协议;而HCI以下部分则用硬件实现,包括基带协议和链路管理协议(LMP),这部分也叫作蓝牙协议体系结构中的底层硬件模块。2 蓝牙核心协议栈硬件电路结构底层模块是蓝牙技术的核心模块,主要由射频(RF)单元电路、基带层(base band)电路和链路管理层(LMP,Link Manger Protocol)电路组成。 (1)射频(RF)单元 RF单元电路为蓝牙技术提供了通信中的物理层,也叫作蓝牙收发器。通过 的微波,实现数据流的过滤和传输。蓝牙协议提供了有关蓝牙收发器的各项技术指标。 (2)基带层电路 基带层提供了基
6、带数字信号处理硬件,其功能是提供链路控制,因此也叫作基带及链路控制层电路。通过基带层电路,可以建立蓝牙通信网络中的物理链路,从而形成微微网(piconet)。基带层中有两种物理链路,一种是面向连接的同步链路(SCO),另一种是异步无连接链路(ACL)。此外,基带层还可为语音和数据分组提供不同水平的前向(FEC)或循环冗余度校验(CRC)处理,并可对数据进行加密。同时,基带层电路还为不同类型的数据(包括传输信息数据、链路管理和控制信息)提供特定的信道。 (3)链路管理层(LMP)电路 链路管理层电路也叫作链路管理器电路,功能是提供链路管理通信协议。链路管理协议用来对链路进行设置和控制,并负责建立
7、和撤销各蓝牙设备间的连接、功率控制以及认证和加密,同时还控制蓝牙设备的工作状态(保持hold 、休眠park 、呼吸sniff 和活动active )。链路管理层的主要功能由软件完成,链路管理器电路提供运行于蓝牙设备的处理器中的软件。链路管理器之间的通信协议称为链路管理协议(LMP)。蓝牙技术整体框架以HCI(Host Controller Interface)为界,区分为硬件模块以及上层软件协议两部分。蓝牙技术标准中,选择了USB、UART 或是RS232 作为硬件模块与主机间的接口。当蓝牙模块以USB、UART或RS232中的任何一个接口与主机连接时,HCI 接口上层的通信协议由主机负责处
8、理,而HCI 接口下层的通信协议则由模块内的基带层芯片与RF 芯片负责。根据蓝牙标准,蓝牙系统的基本组成包括天线、收发器、基带控制器。由此可知,在天线、RF收法器和基带控制器的支持下,蓝牙系统的组成可以十分灵活,即可实现多种不同的实现方案。嵌入式蓝牙系统是将RF和基带部分集成在一块芯片上,单芯片蓝牙硬件模块结构如图2所示。在嵌入式蓝牙器件中,硬件结构可分为链路管理器、链路控制器与RF模块3部分,负责处理LMP层、基带层与RF层的协议。链路管理器内包含处理器(CPU)、内存等组件。链路管理器与基带层芯片合称为链路控制器。RF模块内含RF射频发射组件,与主机相连接的接口位于链路控制器上。在嵌入式方
9、案中,蓝牙协议的上层软件协议也全部固化在芯片中,芯片通过USB或UART接口与应用系统相连接。由于片内嵌入了CPU,所以,嵌入式蓝牙系统实际上是一个智能终端,适合于任何具有CPU器件的系统。例如,智能传感器中,只要增加一个单芯片蓝牙器件,就可以组成一个以蓝牙为通信方式的传感器。由图2可知,它由微处理器(CPU)、无线收发器(RF)、基带控制器(BB)、闪存(Flash程序存储器)、通用异步收发器UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)、通用串行接口USB(Universal Serial Bus)及蓝牙测试模块组成。其中蓝牙基带控制器是
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