基于SiW1502和SiW1602藍牙模塊方案

2019-11-03 09:19:15

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濟南市72655部隊司朝良

　　摘要：藍牙技術是一種點對點或點對多點的短距離無線連接技術方案，而藍牙模塊是藍牙技術的硬件基礎。文中介紹了Silicon Wave公司的射頻及調制解調器SiW1502和鏈路控制器SiW1602的主要特點、內部結構以及由它們構成藍牙模塊的設計方案。

　　關鍵詞：藍牙；鏈路控制器；調制解調器；SiW1502；SiW1602

　　1藍牙技術概述

　　藍牙(Bluetooth)技術是一種短距離無線電技術，是語音和數據無線傳輸的開放化全球性規范，其目的是取代數據電纜，實現多種電子設備之間的低功耗、低成本、短距離的無線連接。運用藍牙技術，可以將家庭或辦公室中的各種數據和語音設備組成一個微微網(Piconet)，還可以進一步將幾個微微網連接成一個更大的散射網(Scatternet)。在這種網絡環境中，可以用手機控制辦公室里的復印機、傳真機等設備，也可以在行進的車中用隨身攜帶的筆記本電腦進行電子郵件收發和網上沖浪等活動。藍牙技術的運用和發展對于提高人類生活質量和改善辦公條件起到了巨大的推動作用。

　　藍牙的概念由瑞典EriCSSon公司于1995年提出，并采用了公元十世紀統一北歐諸國的丹麥國王Harald二世的綽號＂Bluetooth＂作為這一技術的名稱，有意在全球建立一種開放性的統一標準。這一概念一經提出，便被業界普遍接受，由3COM、Ericsson、IBM、Intel、Motorola和Nokia等國際知名公司迅速成立了一個特殊利益集團(SIG)，負責討論和制定相應的技術規范。目前，藍牙技術規范已由V1.0版本(1999年5月)、V1.0B版本(1999年12月)，發展到V1.1版本(2000年12月)。

　　藍牙技術工作在全球開放的2.4GHz ISM頻段，采用跳頻技術(1600跳/s)來提高抗干擾和抗衰減性能，其射頻部分采用高斯頻移鍵控(GFSK)調制方式。它可提供23或79個信道，每個信道寬度為1MHz。V1.1版本支持三個用于語音傳輸的同步信道，或者同時支持一個同步語音信道和一個異步數據信道。每個同步信道的數據傳輸速率為64kb/s。異步信道的數據傳輸速率在上下行對稱時最大為433.9kb/s；而在其不對稱時，下行最大為723.2kb/s，上行為57.6kb/s。根據射頻部分發射功率的大小，藍牙設備通常分為三級，常用的是一級，其發射功率為0dBm左右，傳輸距離可達10米。

　　2 SiW1502簡介

　　SiW1502是美國Silicon Wave公司推出的一款藍牙射頻芯片，其內部包含一個2.4GHz射頻收發器和一個GFSK調制解調器。SiW1502為單片模數混合集成電路，射頻部分為模擬電路，調制解調器部分采用CMOS工藝。它可以和SiW1602(或其他型號)鏈路控制器一起構成藍牙無線通信模塊。

　　2.1 SiW1502的主要特點

　　SiW1502的主要特點如下：

　　●完全符合藍牙V1.1標準；

　　●采用直接轉換式射頻結構，片內集成了VCO和頻率合成器，因而使得外圍元件大大減少。VCO的工作頻率范圍為2400MHz～2480MHz；

　　●在射頻部分和調制解調器之間由A/D和D/A轉換器來傳輸數據；

　　●GFSK調制解調器采用數字調制，并具有通道濾波、自動頻率控制和符號定時恢復等功能；

　　●可通過一個引腳很少的數字接口與藍牙鏈路控制器直接接口；

　　●直接的最大射頻輸出功率為0dBm。另外，為滿足第二、第三級發射功率輸出的需要，可外接功率放大器，并可由片內的控制引腳(EXT PACNTL)對外部放大器進行功率控制。該控制引腳輸出的電流大小有八級，并可編程設置；

　　●它的標稱射頻輸入信號電平范圍為－85dBm～－12dBm；

　　●工作電源為＋3V。需要時，還可以由外部電池給內部低功耗調整器提供電壓，以供系統休眠電路使用；

　　●功耗低，體積小，成本較低。

　　2.2 SiW1502的結構原理

　　SiW1502內部由射頻電路、GFSK調制解調器、邏輯控制、時鐘產生與分配電路、寄存器以及SPI接口等幾部分組成。

　　SiW1502在接收時，首先由射頻電路完成低噪聲放大、直接正交下變頻和低通濾波，再經A/D轉換后送到GFSK調制解調器，同時由GFSK調制解調器進行數據檢測和定時恢復，然后將還原后的數據送到片外的基帶控制器或鏈路控制器。發送時的工作過程與接收相似，只是信號流向相反而已。

　　時鐘電路可產生32kHz和32MHz兩種頻率的時鐘信號，其中32MHz時鐘主要供片內射頻電路、大部分數字電路和外部處理器使用。而32kHz時鐘主要供外部電路使用，而且該時鐘在休眠模式下仍能產生。

　　SPI接口為同步可編程串行接口，其最高時鐘可達4MHz，主要用來訪問片內的寄存器。

　　2.3 SiW1502的引腳功能

　　SiW1502采用48腳MLFP封裝，圖1是其引腳分布圖，各引腳的功能說明如下：

　　3，4腳(RF_IN/OUT_,RF_IN/OUT-+):射頻信號平衡輸入/輸出；

　　5腳(EXT_PA_CNTL):控制外部功率放大器增益的電流輸出；

　　6.7腳(32kHz_XTAL+,32kHz_XTAL-):連續32kHz(或32.768kHz)晶體；

　　8腳（V2.3_OUT）:內部低功耗調整器產生的2.3V電壓輸出；

　　9腳(32kHz_CLK):32kHz時鐘輸出；

　　2，10，12，15，18，41，42，46腳(VCC)：模擬電源(＋3V)輸入；

　　11腳(VCC_BAT)低功耗電壓調整器的輸入，通常由電池提供；

　　13，14腳(GND)：地；

　　16腳(CHRG_PUMP):PLL電荷泵輸出，接外部環路濾波器；

　　17腳(TUNEIN)：VCO的調諧輸入；

　　24腳(DIGITAL REG CAP)：數字調整器濾波端，通常接一只0.1μF電容；

　　25，37腳(VDD)：數字電源(＋3V)輸入；平有效；

電路的轉換。高電平時為收，低電平時為發；

　　32腳(MODEM_RX/TX_DATA):MODEM據口，可編程控制方向；

　　33腳(MODEM_RX_CLK):MODEM出接收時鐘輸出(選用)；

　　34腳(MODEM_TX_DATA):發往MODEM的數據；

　　35腳（MODEM_CD_TEXN）:接收載波檢測輸出/發送使能輸入；

　　36腳(BB CLK)：輸出到基帶控制器的時鐘；

　　38腳(ENABLE RM)：32MHz振蕩器使能端；

　　

　　39腳(HOP STRB)：由鏈路控制器輸入的發送或接收周期的開始信號；

　　40腳(BB CLK MODE)：控制BB＿CLK的輸出頻率。高電平時為16MHz；低電平時為8MHz；

　　43，44，45腳（VREFP＿CAP，VREFM＿CAP，VC＿CAP)：內部A/D轉換器參考電壓的濾波端。通常都接0.1μF的電容；

　　47，48腳（32MHz_XTAL_,32MHz_XTAL+）:連接32MHz晶體。

　　3 SiW1602簡介

　　SiW1602鏈路控制器主要提供藍牙連接管理與控制功能。它與SiW1502一起可構成一種完整的、高性價比的藍牙模塊解決方案。

　　3.1 SiW1602的主要特點

　　SiW1602鏈路控制器的主要特點如下：

　　●可與射頻及調制解調器芯片SiW1502直接接口；

　　●具有符合藍牙V1.1標準的USB接口；

　　●鏈路控制功能可用硬件實現，且符合藍牙V1.1標準；

　　●支持所有的藍牙數據分組類型，優先考慮時間因素的分組處理；

　　●帶有微微網(Piconet)功能，并具有主從機轉換功能；

　　●具有標準定義的密碼認證與加密功能；

　　●支持發送功率控制和接收機rssI(接收信號強度指示)功能；

　　●可以以1Mb/s的速率進行異步非連接(ACL)或同步面向連接(SCO)；

　　●片內帶有兩個384位的發送/接收FIFO，可確保在中斷等待時間內分組數據不會丟失；

　　●內含可編程的中斷控制器；

　　●具有低功耗模式。

　　3.2 SiW1602的結構原理

　　SiW1602內部主要包括鏈路控制器和MODEM接口、SPI、USB以及總線接口等幾個接口單元，另外還包括一個用于內部邏輯調試的JTAG測試接口。鏈路控制器主要完成實時處理和包括基帶協議、連接管理協議等在內的低層次協議處理，以使主機能夠通過藍牙連接與外界進行通信。所有的實時功能(包括跳頻、定時提取、合成器編程以及時鐘同步等)都由硬件來完成。同時，鏈路控制器還負責完成前向糾錯(FEC)、擾碼與解擾、加密與解密、循環冗余校驗(CRC)、字頭糾錯(HEC)以及接收與發送數據緩沖等功能。

　　SiW1602中的USB接口符合藍牙的主控制器接口(HCI)層協議標準，該接口有一個六端點的內部存儲器可映射到MPU，它的每一個端點對應一個128×8位的FIFO。

　　芯片的總線接口通過8位數據總線和10位地址總線與主控制器相連，所有的輸出都采用CMOS電平驅動。

　　SiW1602有兩種時鐘輸入。32MHz是芯片的主工作時鐘。32kHz時鐘則用于電源休眠狀態下的少部分邏輯電路。

　　3.3 SiW1602的引腳功能

　　SiW1602采用108針細間距BGA封裝形式，其引腳分布見圖2所示，各引腳功能如下：

　　4 SiW1502和SiW1602構成的藍牙模塊

　　采用射頻及調制解調器芯片SiW1502和鏈路控制器芯片SiW1602可構成一套完整的藍牙模塊解決方案，圖3是其模塊構成的連接框圖。該方案在射頻端不采用外部功率放大器，其直接輸出功率在0dBm左右，符合藍牙的一級標準。由于SiW1602內含基帶協議和鏈路控制協議的硬件電路，所以模塊不需要再外掛Flash協議棧，從而減少了系統的復雜性。因此，該模塊不失為一款低功耗、高性價比的藍牙模塊解決方案，可直接內嵌于蜂窩移動電話、筆記本電腦、打印機以及PDA等產品中。