Технология беспроводной связи BLUETOOTH в фокусе решений National Semiconductor
Необходимость иметь связь преследует нас повсюду: дома, на работе, в процессе игры. Пионерские разработки по беспроводной связи Bluetooth компании National Semiconductor очень успешно пересекаются с нашими целеустремлениями. С помощью полного спектра решений, от высококачественных, оптимизированных интегральных схем до завершенных опорных разработок, решение задачи беспроводной связи становится простым и быстрым, не принуждая пользователя к глубокому изучению протоколов радиосвязи, а менеджеров проектов к необходимости сертификации радиочастотного тракта. Собственно обзору Bluetooth-решений National Semiconductor и посвящена данная статья…
Старт данной технологии дал ряд компаний, обслуживающих рынки компьютерного и телекоммуникационного оборудования ( Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia). В мае 1998 года они официально представили специальную рабочую группу (SIG - Special Interest Group), перед которой была поставлена задача внедрения новой технологии беспроводной связи. Название технологии Bluetooth заслуга отнюдь далеко не дантистов, а слава датского короля викингов Гарольда Блютуса (Harald Bluetooth), жившего в 910-940-х годах, за объединение Дании и Норвегии. Таким образом, полагалось, что технология Bluetooth призвана объединять, в частности, компьютерный мир и мир портативной электроники.
В состав рабочей группы вскоре вошли 3 COM / Palm , Axis Communication , Motorola , Compaq , Dell , Qualcomm , Lucent Technologies , UK Limited , Xircom , а в настоящее время более 1400 компаний занимаются развитием открытой технологии Bluetooth.
В отличие от конкурирующей технологии инфракрасной связи IrDA (Infrared Direct Access), которая обеспечивает связь по принципу "точка-точка" в зоне прямой видимости, технология Bluetooth дополнительно поддерживает возможность многоточечной связи и, при этом, не требует прямой видимости.
Устройства, поддерживающие стандарт Bluetooth, работают в нелицензируемом частотном диапазоне 2,45 ГГц ISM (Industrial, Scientific, Medical - промышленный, научный и медицинский диапазон) и способны передавать данные на скорости до 1 Мбит/с, на расстоянии до 10 метров, поддерживается возможность передачи голоса.
Стандарт Bluetooth подразумевает использование технологии FHSS - скачкообразную перестройку частоты (1600 скачков/секунду) с расширением спектра. При работе передатчик переходит с одной рабочей частоты на другую, используя для этого псевдослучайный алгоритм. Для полнодуплексной передачи используется дуплексный режим с временным разделением (TDD). Поддерживается изохронная и асинхронная передача данных, а также легко достигается связь с TCP/IP. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.
Особенностью устройств на основе стандарта Bluetooth также является способность соединяться друг с другом, формируя так называемые пикосети ( piconet ), в каждую из которых может входить до 256 устройств: одно из них является ведущим (Master), еще семь - подчиненными (Slave), а остальные находятся в дежурном режиме. Пикосети могут перекрываться, при этом, к ресурсам ведомых устройств может быть осуществлен доступ. Перекрывающиеся пикосети могут образовать распределенную сеть, через которую могут передаваться данные.
В настоящее время для разработчиков технология Bluetooth доступна в виде конструктивно завершенных модулей или микросхем, которые выпускаются рядом известных фирм, например, Ericsson, Fujitsu , Atmel и др. Однако, в фокус данной статьи попала компания National Semiconductor , которая выпускает модули Bluetooth, соответствующие различным версиям одноименного стандарта. Основными причинами такого внимания к продукции National Semiconductor являются простота и высокая скорость освоения предлагаемых модулей, а также их высокая серийноспособность. Производитель гарантирует удовлетворить любые запросы по серийности, при этом, учитывает постоянное расширение рынка устройств на основе технологии Bluetooth [1].
Обзор предложения National Semiconductor
В состав предложения National Semiconductor входят небольшое количество элементов, которые можно разделить на три группы: модули Bluetooth, сертифицированные под требования стандарта версии 1.2; семейство Simply Blue и стандартный набор микросхем, отвечающих требованиям стандарта Bluetooth версии 1.1. Подробная сравнительная характеристика данных групп дана в таблице 1.
Рисунок 1 – Принцип построенияSimply Blue
В состав первой группы входят микромодуль LMX 5452 и радиотрансивер LMX 5252. Они в первую очередь ориентированы на приложения с высокими техническими характеристиками, малым размером, низкой стоимостью и, при этом, с малым энергопотреблением. При их разработке National стремился сделать их «лучшими в своем классе» по простоте проектирования, системной интеграции и высокой серийности производства.
Одной из целей, которую постоянно преследует компания National Semiconductor, является обеспечение простоты применения технологии Bluetooth в целевой системе. Как результат достижения данной цели стало появление нового семейства модулей Simply Blue [2]. Каждый модуль данного семейства содержит полностью интегрированный протокольный стек Bluetooth, специализированные прикладные профили, а также интерпретатор команд высокого уровня (см. рисунок 1). Реализация набора команд высокого уровня позволяет конечному пользователю избавиться от необходимости экспертизы Bluetooth. Кроме того, за счет интегрирования всего стека и всех профилей Bluetooth достигается незначительность загрузки главного процессора, что высвобождает процессорное время на решение прикладных задач, а также исключается необходимость переноса технологии Bluetooth в авторизированную операционную систему главного процессора.
Для упрощения и ускорения этапов проектирования на основе модулей Simply Blue , выпускается разносторонний набор для проектирования, включающий демонстрационные платы и детализированную техническую документацию.
В состав стандартных Bluetooth -устройств входят две интегральные схемы радиочастотного трансивера и Bluetooth -процессора, выполненного по RISC -архитектуре. ИС характеризуются гибкостью, экономичностью и производством по КМОП - технологии. Они обладают лучшим среди конкурирующих аналогов значением отношения производительность/мА на у.е. стоимости.
Таблица 1 - Состав предложения Bluetooth -устройств компании National Semiconductor
Сертифицированные решения под версию стандарта Bluetooth 1.2
|
СемействоSimply Blue, сертифицированное под версию стандарта 1.1
|
Стандартные Bluetooth -устройства, сертифицированные под версию стандарта 1.1
|
Отличительные особенности:
|
Микромодуль LMX5452:
- содержит контроллер управления радиосвязью и радиотрансивер на 2,4 ГГц;
- соединяет управляющий (главный) процессор через интерфейс HCI с антенной;
- технология КМОП 0,18 мкм;
- встроенная программа управления интерфейсом с главным процессором;
- дополнительный генератор 32,768 кГц для экономичных режимов;
- чувствительность приемной антенны – 80 дБ;
- класс мощности 2;
- рабочее напряжение 2.5…3.6В;
- ввод-вывод 1.6…3.6В;
- синхронизация 10…20МГц;
- потребление не более 43 мА;
- поддержка 2 голосовых каналов;
- корпус BGA-60 (6 мм x 9 мм ) ;
- интерфейсы: УАПП (до 921.6 кбит/с, USB 2.0 ( 12 Мбит/с), I 2 C и SPI / Microwire, аудио-интерфейс AAI с внешним 8/13- разр. ИКМ-кодеком,
одновыводной радиоинтерфейс ( Rx / Tx ).
Радиочастотный трансивер LMX5252 на частоту 2,4 ГГц:
- соединяет процессор радиосвязи через интерфейс BlueRF с антенной;
- поддержка большинства особенностей интегрированного радиотрансивера LMX5452;
- рабочее напряжение 2.5…3.0В;
- ввод - вывод 1.9…3.3 В ;
- корпус LLP -36 (6мм x 6мм x 0.8мм).
|
Модуль последовательного порта Simply Blue LMX 9820А ( Bluetooth 1.1):
- предварительно сертифицированный модуль последовательного порта Bluetooth;
- простота использования набора команд высокого уровня ускоряет процесс интегрирования в приложение;
- встроенные стек и профили Bluetooth для минимальной загрузки главного процессора;
- встроенные флэш-память и ОЗУ;
- ядро CompactRISC;
- поддержка пикосети с многоточечной связью;
- чувствительность приемника -81 дБм;
- класс выходной мощности 2;
- напряжение питания 2,85…3,6В;
- потребление не более 68 мА;
- 116-выв. корпус BGA с шагом выводов 1.0 мм;
- малое посадочное место (10 x 14 x 2 мм);
- УАПП (до 921,6 кбит/сек);
- аудио-интерфейс AAI .
Модуль последовательного порта Simply Blue LMX 9830 ( Bluetooth 2.0):
- наследует многие особенности LMX 9820А, но с учетом требований 2.0;
- корпус BGA 60 , шаг 0.8 мм;
- малое посадочное место (6 x 9 x 1.2 мм ) .
|
СБИС трансивера диапазона 2,4ГГц LMX 5250, выполненного по технологии КМОП 0,25 мкм :
- оптимизированная архитектура, которая требует только несколько внешних компонентов;
- расширенное управление энергопотреблением и работа при напряжении 2В;
- встроенная схема калибровки радиотракта для минимальных затрат времени на тестирование при производстве;
- хорошая чувствительность для увеличения дальности связи;
- последовательный интерфейс для передачи данных и команд управления;
- поддержка уровней мощности класса 2 и 3;
СБИС Bluetooth -процессора LMX 5100, выполненного по RISC -архитектуре:
- специализированное «ядро» Bluetooth , которое существенно снижает требования к производительности Bluetooth -узла;
- встроенные флэш-память и статическое ОЗУ позволяют реализовать полный спектр возможностей Bluetooth -узла без использования внешней памяти;
- поддержка нескольких интерфейсов с главным процессором ( USB , УАПП, CAN , SPI и Microwire );
- поддержка PCM (импульсно-кодовая модуляция) для подключения аудио-кодека;
- совместно с LMX 5250 получается компактное и экономичное Bluetooth -решение;
- 48-выв. корпуса для обеих СБИС.
|
Области применения:
|
- Сотовые телефоны
- Персональные цифровые помощники
- Персональные компьютеры
|
- Персональные цифровые помощники
- Торговые терминалы
- Системы сбора данных
- Аудиомаршрутизаторы
|
- Информационные приборы
- Сотовые телефоны
- Персональные компьютеры
- Периферийные устройства
- Персональные цифровые помощники
- Цифровые камеры
|
Далее остановимся на более подробном рассмотрении основ построения и функционирования одного более перспективного модуля LMX 9820А[3] семейства Simply Blue , ввиду высокой простоты работы с ним (через команды высокого уровня), высокой гибкости (множество режимов работы, профилей, способов построения сети), отсутствия необходимости сертификации и др.
На рисунке 2 представлена структурная схема модуля последовательного порта Bluetooth LMX9820A, выполненного на основе архитектуры 16-разрядного процессора CompactRISC ™ и технологии Digital Smart Radio . Он интегрирует радиочастотный трансивер, контроллер управления радиосвязью и память на подложке FR 4. В состав модуля входят все необходимые программные и аппаратные компоненты для получения завершенного решения, которое начинается с антенны, интегрирует верхние и нижние слои стека Bluetooth , поддерживает слои поддержки приложения ( GAP , SDAP и SPP ) и завершается интерфейсом связи с управляющим (главным) процессором ( HCI ). LMX9820A характеризуется малым посадочным местом (10.1 x 14.1 x 2.0 мм), что существенно упрощает проектирование компактных систем. Кроме того , LMX9820A является предварительно сертифицированным решением . Благодаря этому достигается быстрота вывода конечной системы на рынок, при этом, гарантируется высокая степень совместимости и взаимодействия.
Функции управления радиосвязью и линией связи выполнены на основе 16-разрядного процессора CompactRISC и процессора управления линией связи ( LMP ). Данные процессоры работают со встроенными флэш-памятью и ОЗУ под управлением встроенного программного кода, который отвечает за выполнение всех Bluetooth-функций.
LMP удовлетворяет требованиям Bluetooth версии 1.1 и выполняет следующие функции:
• Поддержка типов сегментных пакетов 1, 3 и 5;
• 79-канальная схема генерации прыгающей частоты;
• Быстрая скачкообразная перестройка частоты (1600 скачков/сек);
• Управление энергопотреблением ;
• Корреляция кодов доступа и восстановление сегментной синхронизации.
Интегрированный стек верхнего слоя предварительно квалифицирован и содержит следующие протокольные слои: L2CAP, RFComm,SDP.
Встроенная программа обеспечивает полную автономность LMX 9820 A , исключая необходимость применения внешнего модуля с протокольным слоем Bluetooth . LMX9820A поддерживает следующие профили : Generic Access Profile (GAP), Service Discovery Application Profile (SDAP) и Serial Port Profile (SPP). Встроенные профили могут использоваться как интерфейсы с дополнительными профилями, выполняемые в главном процессоре. LMX9820A содержит конфигурируемую сервисную базу данных для ответа на запросы с поддерживаемыми профилями.
Модуль может работать как в подчиненных, так и в ведущем режимах работы (см. таблицу 2). В подчиненном режиме модуль работает автоматически, исключая необходимость внешнего блока управления. В прозрачном режиме работы данные, передаваемые через УАПП, не требуют представления в специальном формате и не воспринимаются интерпретатором команд. В режиме ведущего предлагается простой, но гибкий интерфейс для стандартных Bluetooth -операций, в т.ч. запрос, обнаружение службы и связь по последовательному порту. Встроенная программа поддерживает работу с максимум тремя подчиненными.
Рисунок 2 – Структурная схема модуля LMX9820A
Таблица 2 - Режимы работы модуля LMX 9820 A
Автоматический
|
Командный
|
Прозрачный
|
Принудительный ведущий
|
- модуль подключаемый и обнаруживаемый;
- автоматически отвечает на сервисные запросы;
- интерпретатор команд «слушает» команды и при необходимости конфигурирует линию связи;
- поддерживается весь перечень команд ;
- при подключении с другим устройством модуль отправляет ответ главному о том, где был подключен порт RFComm, и переходит к прозрачному режиму .
|
- LMX 9820 A не проверяет секцию подключений по умолчанию во флэш-памяти;
- при подключении с другим устройством переход к прозрачному режиму не выполняется, а продолжается интерпретирование данных, передаваемых по УАПП, как команд.
|
- LMX 9820 A выполняет передачу данных из интерфейса УАПП непосредственно через линию связи Bluetooth .
- после активизации модуль игнорирует данные УАПП, как команды конфигурации и управления;
- используется только для организации двухточечной связи;
- для выхода из режима необходимо отправить модулю сигнал UART _ BREAK .
|
- LMX 9820 A действует как точка доступа для многоточечного соединения;
- он принимает линию, если от подключенного устройства принято переключение роли «ведущий/подчиненный»;
- после успешного осуществления связи LMX 9820 A будет ведущим и может организовать дополнительные входящие линии.
|
Память
LMX 9820 A содержит 256 кбайт программируемой флэш-памяти, которая может использоваться, как для хранения программы, так и для хранения данных (констант). Флэш-память также содержит адрес ( BDADDR ) контроллера информационного доступа (MAC), совместимого с IEEE 802. За счет поддержки внутрисистемного программирования ISP пользователь может изменить содержимое флэш-памяти, как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации. Для хранения переменных и организации буферов данных в LMX 9820 A также встроено ОЗУ.
Порт управления и транспорта
LMX9820A содержит один универсальный асинхронный приемопередатчик (УАПП). Он поддерживает 8-разрядный формат данных с опциональным паритетом и одним или двумя стоп-битами. Скорость связи генерируется внутренне и программируется в процессе запуска. Альтернативно настройки скорости связи могут быть считаны из внутренней памяти. УАПП может работать на следующих скоростях: 2.4, 4.8, 7.2, 9.6, 19.2, 38.4, 57.6, 115.2, 230.4, 460.8 и 921.6 кбит/с. С помощью сигналов RTS , CTS поддерживается аппаратное управление передаваемым потоком.
Вспомогательные порты:
- Reset _5100 и Reset _ b # - входы сброса контроллера радиосвязи и радиотрансивера с активным низким уровнем, соответственно. Как правило, они соединяются вместе и подключаются к главному процессору для управления инициализацией (см. рисунок 3).
- Env 0 и Env 1 – выводы задания рабочей среды (см. рисунок 3).
- ISEL 1, ISEL 2 – входы инициализации интерфейса УАПП (см. рисунок 3).
- Lstat _0, Lstat _1, TX _ Switch _ P , Host _ wu - выходы состояния модуля и линии связи (см. [3, стр.15]).
При передаче команд управления через УАПП используется следующий формат данных:
Начальный разделитель
|
Идентификатор типа пакета
|
Код операции
|
Длина данных
|
Контрольная сумма
|
Пакет данных
|
Конечный разделитель
|
1 байт
|
1 байт
|
1 байт
|
2 байт
|
1 байт
|
N байт
|
1 байт
|
|
------------контрольная сумма------------
|
|
|
|
Подробности по идентификаторам и кодам операций можно узнать в [3, стр. 27-31].
В заключение предлагается ознакомиться с типовой схемой включения модуля LMX 9820 A (см. рисунок 3). В ней для согласования с антенной установлен блокировочный конденсатор 6,8 пФ, хотя в зависимости от сопротивления выбранной антенны он может и не понадобиться. Очень важно, чтобы на плате с LMX 9820 A были корректно выполнены общие слои и фильтрация питания. Рекомендуется установить фильтрующие конденсаторы 10 пФ и 0,01 мкФ, как можно более близко к выводам питания ( H 2 и H 12). Цепи синхронизации также должны быть максимально близкими к модулю. Параметры нагрузочных конденсаторов Ct 1, Ct 2 зависят от параметров выбранного кварцевого резонатора (методика определения приведена в документации [3, стр.18]).
Рисунок 3 – Схема включения модуля LMX9820A
Перечень ссылок:
- Веб-страница по технологии Bluetooth на сайте компании National Semiconductor
- Веб - страница по семейству Simply Blue National Semiconductor
- Документация на модуль LMX 9820 A
версия для печати
|