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智能傳感器的藍牙協(xié)議棧與SoC結構設計
摘要：通過(guò)對藍牙協(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計的嵌入式藍牙協(xié)議棧SoC的基本結構，以及功能組成要求。根據討論結果，設計相應的SoC電路結構。引 言
??藍牙技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)數據與數字通信的開(kāi)放性規范。它以低成本、近距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎，為固定與移動(dòng)設備建立了一種完整的通信方式和技術(shù)。藍牙技術(shù)的實(shí)質(zhì)是建立通用無(wú)線(xiàn)接口及其控制軟件的標準，使移動(dòng)通信與計算機網(wǎng)絡(luò )之間能實(shí)現無(wú)縫連接，由此，為不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的便攜式設備提供了近距離(10m~100m)范圍內的互操作通道。
在工業(yè)控制系統和許多應用領(lǐng)域，隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，目前控制器和傳感器已經(jīng)實(shí)現了智能化。在一般的傳感器或測試儀表中，大量使用CPU 控制下的數字化技術(shù)，因此，許多控制系統或傳感器系統已經(jīng)實(shí)現了數字化傳輸。如果在數字化的控制系統和傳感器中嵌入藍牙技術(shù)，則可以實(shí)現系統數據和控制命令的無(wú)線(xiàn)傳輸，這對于許多應用領(lǐng)域都是十分重要的。
本文通過(guò)對藍牙協(xié)議棧結構的討論，提出一個(gè)嵌入式SoC 器件結構。這個(gè)嵌入式SoC器件是一種具有藍牙通信功能的SoC 器件；SoC 中的CPU 對用戶(hù)開(kāi)放，用戶(hù)可以使用這種結構的SoC 器件實(shí)現智能傳感器或控制器單元。
1 藍牙協(xié)議棧
藍牙技術(shù)規范1.0 版本作了如下規定。
① 藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(Industrial ，Scientific and Medical)免付費、免申請的無(wú)線(xiàn)電頻段。
② 采用快速確認和跳頻技術(shù)，以確保鏈路的穩定。
③ 采用二進(jìn)制調頻(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(FEC)技術(shù)，抑制長(cháng)距離鏈路的隨機噪聲。
⑤ 數據傳輸速率為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，也可擴展到5個(gè)時(shí)隙。
⑧ 支持一個(gè)異步數據通道，或3個(gè)并發(fā)的同步語(yǔ)音通道，
或一個(gè)同時(shí)傳送異步數據和同步語(yǔ)音的通道。每一個(gè)語(yǔ)音通道支持64Kbps 的同步話(huà)音。異步通道支持最大速率為721Kbps 、反向應答速率為57.6Kbps 的非對稱(chēng)連接，或者是432.6bps 的對稱(chēng)連接。
目前，工作在2.4GHz 頻段上的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)中，除了藍牙技術(shù)外，還有IEEE802.11、HomeRF 和紅外技術(shù)�？偟膩�(lái)說(shuō)，IEEE802.11 比較適合于辦公室無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，HomeRF 適用于家庭中的移動(dòng)數據、語(yǔ)音設備等與主機之間的通信，而藍牙技術(shù)則可以應用于任何允許無(wú)線(xiàn)方式替代線(xiàn)纜的場(chǎng)合。
在實(shí)際應用中，藍牙技術(shù)的應用一般采用嵌入式技術(shù)。在應用系統中嵌入藍牙協(xié)議棧，可為系統提供一個(gè)透明的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信層。
藍牙技術(shù)協(xié)議棧的設計只有符合藍牙技術(shù)規范的要求，才能實(shí)現不同廠(chǎng)家產(chǎn)品的無(wú)縫對接。藍牙技術(shù)規范(specification)包括協(xié)議(protocol)和應用規范(profile)兩個(gè)部分。完整的藍牙協(xié)議棧如圖1 所示。
協(xié)議規范中定義了各功能元素的工作方式，提供了藍牙技術(shù)實(shí)現中功能元素間的橫向體系結構。應用規范則介紹了實(shí)現特定應用模型，描述了各層協(xié)議間的協(xié)同機制，從而提供了技術(shù)實(shí)現的縱向體系結構。
藍牙協(xié)議包括核心協(xié)議層、替代電纜協(xié)議層、電話(huà)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)現數據的轉換。
③ 電話(huà)替代協(xié)議。本協(xié)議包括二元電話(huà)控制規范(TCS Binary)與AT-命令(AT-command)。用于提供音頻通信的處理規范和相應的控制命令。
④ 選用協(xié)議。選用協(xié)議與用戶(hù)的應用有關(guān)，包括點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議(PPP)、用戶(hù)數據報/傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(UDP 和TCP/IP)、目標交換協(xié)議(OBEX)、無(wú)線(xiàn)應用協(xié)議(WAP)、無(wú)線(xiàn)應用環(huán)境(WAE)、vCard 、vCal 、紅外移動(dòng)通信(IrMC)。選用協(xié)議層的具體內容由應用系統根據需要選擇。
除了以上協(xié)議層外，藍牙協(xié)議棧中還應包括二個(gè)接口：一個(gè)是主機控制接口(HCI)，用來(lái)為基帶控制器、鏈路控制器以及訪(fǎng)問(wèn)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，用以傳遞音頻數據。
在藍牙協(xié)議棧中，HCI 以上部分通常用軟件實(shí)現，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(huà)替代協(xié)議和選用協(xié)議；而HCI以下部分則用硬件實(shí)現，包括基帶協(xié)議和鏈路管理協(xié)議(LMP)，這部分也叫作藍牙協(xié)議體系結構中的底層硬件模塊。
2 藍牙核心協(xié)議棧硬件電路結構
底層模塊是藍牙技術(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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