無線通信模塊

無線通信模塊的寫法

無線通信模塊介紹

無線通信模塊廣泛地運用在車輛監控、遙控、遙測、小型無線網絡、無線抄表、門禁系統、小區傳呼、工業數據采集系統、無線標簽、身份識別、非接觸RF智能卡、小型無線數據終端、安全防火系統、無線遙控系統、生物信號采集、水文氣象監控、機器人控制、無線232數據通信、無線485/422數據通信、數字音頻、數字圖像傳輸等領域中。

優點

相比較而言，用無線數傳模塊建立專用無線數據傳輸方式比其它方式具有如下優點，下面介紹一下用無線數傳模塊建立專用無線數據傳輸方式相比于有線通訊的優點。

1．成本廉價

有線通信方式的建立必須架設電纜，或挖掘電纜溝，因此需要大量的人力和物力；而用無線數傳電臺建立專用無線數據傳輸方式則無需架設電纜或挖掘電纜溝，只需要在每個終端連接無線數傳電臺和架設適當高度的天線就可以了。相比之下用無線數傳模塊建立專用無線數據傳輸方式，節省了人力物力，投資是相當節省的。當然在一些近距離的數據通訊系統中，無線的通訊方式并不比有線的方式成本低，但是有時候實際的現場環境難以布線，客戶根據現場環境的需要還是會選用無線的方式來實現通訊。

2．建設工程周期短

當要把相距數公里到數十公里距離的遠程站點相互連接通訊的時候，采用有線的方式，必須架設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個月的時間，而用數傳模塊建立專用無線數據傳輸的方式，只需要架設適當高度的天線，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．適應性好

有線通訊的局限性太大，在遇到一些特殊的應用環境，比如遇到山地、湖泊、林區等特殊的地理環境或是移動物體等布線比較困難的應用環境的時候，將對有線網絡的布線工程有著極強的制約力，而用無線數傳模塊建立專用無線數據傳輸方式將不受這些限制，所以說用無線數傳模塊建立專用無線數據傳輸方式將比有線通訊有更好的更廣泛的適應性，幾乎不受地理環境限制。

4．擴展性好

在用戶組建好一個通訊網絡之后，常常因為系統的需要增加新的設備。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傳電臺建立專用無線數據傳輸方式，只需將新增設備與無線數傳電臺相連接就可以實現系統的擴充了，相比之下有更好的擴展性。

數據傳輸

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

開發注意事項

模塊必須用信號調制才能正常工作，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。

模塊還有一種重要的用途就是配合單片機來實現數據通訊，這時有一定的技巧：

1、合理的通訊速率

數據模塊的傳輸數據速率為9.6KBs，一般控制在2.5k左右，過高的數據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

單片機和模塊工作時，通常自己定義傳輸協議，不論用何種調制方式，所要傳遞的信息碼格式都很重要，它將直接影響到數據的可靠收發。

碼組格式推薦方案

前導碼＋同步碼＋數據幀，前導碼長度應大于是10ms，以避開背景噪聲，因為接收模塊接收到的數據位極易被干擾（即零電平干擾）而引起接收到的數據錯誤。所以采用CPU編譯碼可在數據識別位前加一些亂碼以抑制零電平干擾。同步碼主要用于區別于前導碼及數據。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，同時對接收數據做好準備。

數據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、單片機對接收模塊的干擾

單片機模擬2262時一般都很正常，然而單片機模擬2272解碼時通常會發現遙控距離縮短很多，這是因為單片機的時鐘頻率的倍頻都會對接收模塊產生干擾，51系列的單片機電磁干擾比較大，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。比如單片機和遙控接收電路分別用兩個5伏電源供電，將接收板單獨用一個78L05供電，單片機的時鐘區遠離接收模塊，降低單片機的工作頻率，中間加入屏蔽等。

接收模塊和51系列單片機接口時做一個隔離電路，能較好地遏制單片機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，調試時可用一個發光二極管串接一個3K的電阻來監測模塊的輸出狀態。

無線數據模塊和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，一般能達到600米以上，如果和單片機或者微機配合使用時，會受到單片機或者微機的時鐘干擾，造成傳輸距離明顯下降，一般實用距離在200米以內。

基于藍牙芯片的設計與開發

摘要：本文綜合運用BlueCore2-External藍牙芯片、FB2520帶通濾波器和平衡不平衡變換器、LTCC陶瓷天線等設計了一款藍牙無線通信模塊。該通信模塊能夠代替電纜,有效地應用于環境復雜多變的工業現場,實現現場設備、接入點、手操器等設備的無線通信。實際測試結果表明本文介紹的無線通信模塊運行穩定,工作可靠。

1引言

藍牙技術是一個開放性的、短距離無線通信技術標準，它工作在全球通用的2.4GHzISM頻段，采用跳頻擴頻技術，可以用于近距離通過無線連接的方式實現固定設備以及移動設備之間的網絡互連，在各種數字設備之間實現靈活、安全、低成本、小功耗的數據和語音通信，實現全方位的數據傳輸。

工業現場環境惡劣，有些地方工作人員甚至難以接近，特別是一些工業環境禁止使用電纜（如超凈或真空封閉的房間）或者很難使用電纜來傳送數據（如高速旋轉的設備、高空設備、不適于布線的強腐蝕惡劣環境），這時采用藍牙等無線通信技術代替電纜來實現現場設備與監控網絡間的數據傳輸就能有效解決上述問題。為此本文針對工業現場設備、接入點、手操器等設計藍牙無線通信模塊，該模塊具有體積小、完全嵌入藍牙協議、性能可靠和組網靈活等特點。驗證了藍牙技術應用于工業控制系統的可行性。

3藍牙模塊的硬件設計

藍牙模塊的硬件結構框圖如圖1所示，包括BlueCore2-External（BC212015）藍牙芯片、SST39VF800FLASH芯片、FB2520帶通濾波器+平衡不平衡變換器、LTCC陶瓷天線等。電源由配套主設備引入，經過電源模塊電平轉換，為藍牙主芯片、存儲器、帶通濾波器和平衡不平衡轉換器等提供所需的+3.3V和+1.8V電源。下面將對各個模塊分別介紹。

3.1BlueCore2芯片介紹

藍牙模塊采用了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、科學、醫學)頻段集成基帶和射頻的單芯片藍牙芯片。

BlueCore2-External芯片的內部結構如圖1所示。芯片內部主要集成有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據；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接口的傳輸數率為1.5Mbps，能夠達到藍牙標準中規定的723.2kbps的數據傳輸數率。

3.2儲存電路

由于藍牙芯片并不自帶協議棧，需要外拓一塊Flash用來儲存協議棧和應用軟件。本設計中選用了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閃存技術的成功典范，它采用了分立門電路的元件設計方式和氧化通道噴射技術，使得其存儲可靠性大大提高，工藝和性能都遠優于其它競爭對手。此外SST還專門為便攜式設備進行了SST39VF800的性能優化，使得它在運行中的能耗更小，程序執行速度更快，更加適合便攜式設備使用。根據藍牙協議棧的大小采用8Mbit的SST39VF800，讀取時間為70ns，工作電壓為2.7~3.6V，為了適應工業現場苛刻的要求選用了支持-20℃~+85℃工業級溫度范圍的型號。

3.3帶通濾波器+平衡不平衡轉換器(Balun)

通常射頻發射機輸出的是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，嚴重時甚至使周圍的設備不能正常工作。所以，有必要在天線和發射機輸出端之間接入平衡-不平衡轉換器。帶通濾波器一般是無源器件它的作用是濾除接收機不需要的頻帶內的信號，為低噪聲放大器（LNA）提供選擇性信號起到減小干擾的作用。本設計中采用了臺灣ACX公司的集成帶通濾波器+平衡不平衡轉換器的器件FB2520，帶通濾波器和平衡-不平衡轉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，插入損耗低等優點，能夠很好的完成平衡到不平衡端的轉換和帶通濾波的功能。

3.4電源模塊藍牙模塊需要

3.3V和1.8V兩種電壓，其中1.8V是為藍牙芯片和帶通濾波器+平衡不平衡轉換器供電，3.3V是為FLASH芯片和藍牙芯片的外圍I/O腳提供電壓。由于從主設備引入的電壓為3.3V，所以在藍牙模塊上需要DC-DC芯片實現電壓轉換。本設計中采用了廣泛應用于移動電話的XC6204B182MR高速LDO轉換芯片進行3.3V到1.8V電壓轉換，該芯片輸出電流為150mA，輸出電壓范圍為1.8V-6V，完全滿足藍牙模塊的電源需要。

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定性和卓越的可焊性在小靈通、GPS手持設備、藍牙、WLAN等廣泛應用。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，頻率穩定性為+-5ppm。

4藍牙模塊的軟件設計

藍牙模塊的軟件設計分為兩個部分：協議層加載、模塊初始參數設置。藍牙協議為建立于藍牙技術之上的多種應用提供了完整的解決辦法，但對于不同應用一般只用到藍牙協議中的某幾個，而且對于每部分協議也不必用它所提供的全部功能。

4.1協議層加載

如圖2所示由于本模塊主要應用于工業無線通信，所以在模塊的外部Flash中只加載了基帶（包括LC），LM和HCI（主機控制接口）協議層。其中HCI為藍牙硬件中基帶控制器和鏈路管理器提供了命令接口，從而實現對硬件狀態寄存器和控制寄存器的訪問，特別是該接口提供了對藍牙基帶的統一訪問模式。加載這些協議層模塊實現了完整的藍牙鏈路控制和嵌入式HCI協議，屏蔽了射頻和基帶兩個硬件協議層，以后的應用開發可以直接從HCI層開始。通過封裝HCI協議層，可以生成標準的HCI接口函數，為上層的應用開發提供一個完整的平臺。

在外部主機具有UART或者USB接口，藍牙模塊與主機信號電平兼容的情況下，不需要再添加其他輔助電路，本藍牙模塊就可以和主機直接相連。

如圖3所示是主機和藍牙硬件連接示意圖。主機控制器接口（HCI）提供了一種訪問藍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、硬件狀態寄存器、控制寄存器以及事件寄存器實現對藍牙硬件的HCI命令。在主機系統的HCI驅動程序和藍牙的硬件HCI固件之間存在的幾個中間層次，又稱為主機控制器傳輸層，提供傳輸數據的能力。該層的目標是透明化，主機控制器驅動程序不關心它是在UART上還是USB上，UART和USB對主機控制器驅動程序發送到主機控制器的數據不能進行處理，這樣主機控制器接口和主機控制器可以進行升級，升級不會對傳輸層有任何影響。

4.2模塊初始參數設置

藍牙模塊加載了各種協議層后并不能工作，還需要根據不同的硬件設計對模塊初始參數進行設置?；赽luecore2藍牙芯片的初始參數設置又稱為PSK設置，可以通過BLUELAB集成開發環境或者PSKey設置軟件來實現，如圖所以為pskey設置界面。

5藍牙模塊應用實例

如圖4所示，以藍牙手操器和藍牙閥門定位器作說明示例。藍牙模塊與閥門定位器中的控制板進行串口（UART）全雙工通信，閥門定位器的閥位值、閥位上限等各種參數通過串口送到藍牙模塊，通過藍牙無線通信的方式發送給藍牙手操器，手操器可以用相關指令動態地修改閥門定位器的對應參數，這改變了傳統的參數設置或修改方法。在閥門定位器中的藍牙模塊設置為被動鏈接模式，設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備的緩沖區內，當藍牙手操器搜索到閥門定位器后向閥門定位器發送鏈接指令，建立鏈接后，藍牙手操器將獲得一個鏈接句柄。此后進入如圖5所示的監控界面，可以執行讀閥位值、閥位上限、以及寫上限三項功能。每項功能在執行時，都由手操器發送一條控制指令，該指令由串口發給藍牙模塊，其中包括藍牙鏈接句柄、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，其后根據功能代碼分別執行對應的任務。圖5中為通過藍牙手操器讀取的閥門定位器的閥位值。此外，藍牙手操器還可對藍牙電磁流量計，藍牙溫度變送器等設備進行操作。

5結論

經過現場測試表明，本文設計的藍牙模塊性能穩定、使用方便、實用性強，有一定的抗干擾能力，還可根據需要進行軟件升級，能有效地嵌入現場設備中代替電纜進行無線通信，實現了對傳統有線工業控制總線延伸，為工業監控網提供了一種新的聯網方法。

本文作者創新點：該藍牙無線通信模塊運用BlueCore2-External藍牙芯片、FB2520帶通濾波器和平衡不平衡變換器、LTCC陶瓷天線等設計完成，并在藍牙手操器和閥門定位器中進行實際運用，結果表明該藍牙模塊性能穩定，實用性強。