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基于DSP的Bluetooth嵌入式系統應用
摘要：以TI的TMS302VC54x數字信號處理器（DSP）為嵌入式控制器、ERICSSON的藍牙模塊為例，在藍牙電纜替代協議應用模塊的基礎上，提出一種將電纜替代協議進行擴展的嵌入式藍牙應用模式及其硬、軟件的實現。關鍵詞：Bluetooth 嵌入式系統 DSP 協議
藍牙（Bluetooth）協議標準是由藍牙特別興趣小組（Bluetooth SIG）發布的，1999年發布了Bluetooth 1.0版，2001年2月發布了Bluetooth1.1版。目前SIG成員已經發展到3000家左右。藍牙協議規定的無線通信標準，基于免申請的2.4GHz的ISM頻段，采用GFSK跳頻技術和時分雙工（TDD）技術，通信距離為10米左右，Blue tooth 1.0版標準規定的數據傳輸速率為1Mbps。主要適用于各種短距離的無線設備互連應用場合。可以提供點到點或點到多點的無線連接。
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1 基于電纜替代的藍牙協議簡析
1.1 藍牙協議體系
藍牙協議規范所措述的協議棧模式如圖1所示。
藍牙體系結構中的協議可分為四層：
核心協議：基帶控制協議（Baseband）、鏈路管理協議（LMP）、邏輯鏈路控制應用協議（L2CAP）、服務發現協議（SDP）；
電纜替代協議：RFCOMM；
電話傳送控制協議：TCS二進制、AT命令集；
可選協議：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。
在協議中，規定了為基帶控制器、LMP、硬件狀態及控制寄存器提供命令接口的主機控制器接口（HCI）。在不同的應用模式下，HCI所處的位置不同。它可以位于L2CAP的下面，也可以在L2CAP之上。
1.2 電纜替代協議應用模式
基于ETSI標準的TS07.10信令的RFCOMM協議，提供了一個基于L2CAP協議之上的串口仿真應用模式。藍牙協議1.0版中，RFCOMM提供的上層服務模式主要有三種：對9針RS-232接口仿真模式、空Modem仿真模式和多串口仿真模式。典型的RFCOMM應用模式框圖如圖2所示。
1.3 藍牙嵌入式應用模式
僅僅以RFCOMM協議為基礎，作為串口的電纜替代應用，無形中限制了藍牙設備的應用范圍，降低了藍牙設備的應用價值。目前計算機與外部設備的接口種類繁多，比較常見的有RS-232、RS-485、Parallel Port、CAN總線、SPI總線、I2C總線等。如果要使藍牙設備在各種場合發揮作用，必須使藍牙設備具備適合這些應用場合的多種接口功能。使用DSP數字信號處理器作為嵌入式控制器，不僅實現藍牙物理設備的初始化、藍牙高層協議，而且利用其接口靈活的特點，可以方便地對藍牙電纜替代協議進行有效擴展。具體應用模式如圖3所示。
2 系統硬件結構
本系統的構成在硬件上分為兩個部分，藍牙基帶和射頻部分采用愛立信（ERICSSON）公司提供的藍牙模塊ROK101007；嵌入式控制器采用美國TI公司的TMS320VC54X系列的DSP數字信號處理器。
2.1 ERICSSON藍牙模塊
ROK101007是根據藍牙規范1.0版（Bluetooth 1.0B Version）而設計的短距離藍牙通信模塊，它包括三個主上部分：基帶控制芯片、Flash存儲器和Radio芯片。它工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM頻段，支持聲音和數據的傳輸，其主上功能參數有：
Bluetooth 1.0B預認證；
2級RF射頻功率輸出；
提供FCC和ETSI糾錯處理；
最大460 KB/s UART數據傳輸速率；
提供UART、USB、PCM、I2C等多種HCI接口；
提供內部晶振；
內部預制HCI框架；
點到點、點到多點操作；
嵌入式屏蔽保護。
ROK101007特別適合計算機及外圍設備、手持設備、端口設備使用。其內含的藍牙協議構架及內部系統框圖如圖4、圖5所示。
2.2 DSP處理器
TMS320C54X是16-bit定點DSP，適合無線通信等實時嵌入式應用的需要。C54x使用了改進的哈佛結構。CPU具有專用硬件算術運算邏輯，大量的片內存儲器、增強的片內外設以及高度專業化的指令集，使其具有高度的操作靈活性和運行速度。主要特點如下：
運算速度快：指令周期為25/20/15/12.5/10ns，運算能力為40/50/66/80/100MIPS；
優化的CPU結構：內含1個40位的算術運算邏輯單元，2個40位的累加器，2個40位的加法器，1個17×17的硬件乘法器和1個40位的桶形移位器。有4條內部總線和2個地址產生器等。先進的CPU優化結構可以使DSP高效地實現無線通信系統中的各種功能。
低功耗方式：54x系列DSP可以在3.3V或2.7V電壓下工作，而有些DSP內核采用1.8V電壓工作以減小功耗。
智能外設：除了標準的串行口和分時復用（TDM）串口外，54x還提供了多路緩沖串口（McBSP）和外部處理器通信的HPI并行接口。
2.3 系統構成
本系統中，采用單5V電源供電，嵌入式系統控制器與藍牙模塊之間的HCI接口采用UART方式。硬件構成框圖如圖6所示。整個系統分為四個部分：發射機、嵌入式控制器、電源管理、接口邏輯。
（1）發射機由藍牙模塊ROK101007和阻抗為50Ω的天線構成。初始化階段，模塊接收控制器通過UART發送的HCI命令，實現藍牙設備的復位、啟動、地址查詢、跳頻算法、自動尋呼等初始化操作，與附近的藍牙設備建立可靠的物理鏈路，并對物理鏈路進行相應的加密。在數據傳送階段，接收控制器（HCI驅動模塊）送來的HCI數據包，經過模塊中HCI固件（HCI Firmwire）轉化為基帶數據包并送給基帶協議層（Baseband）處理，基帶對上層送來的數據進行解碼，將其變為可以發送的位數據流，按照設定的跳頻算法，采用高斯頻移鍵控（GFSK）編碼方式通過天線送出去。接收數據時，以相反的過程將接收到的數據進行編碼，組合成HCI數據包格式并通過UART口送給控制器。具體的收發執行過程可以參考ROK101007數據及應用手冊以及藍牙協議相關部分。
（2）嵌入式控制器由TI的定點數字信號處理器TMS320C54x、Flash Memory、SRAM組成，完成對藍牙模塊的初始化、數據傳送、協議實現等功能。
（3）接口控制邏輯包括應用接口和控制接口。控制接口為控制器的HPI接口，主要實現系統的在線特殊控制和Flash在線編程數據傳送口。HPI控制接口通過DSP的HPI主機接口實現。應用接口包括RS-232/RS-485串行接口邏輯、并行接口邏輯（如IEEE488總線）、SI同步串口邏輯，在不同的嵌入式應用中，分別通過不同的接口形式實現本嵌入式系統與主設備控制器的接口。應用接口通過DSP的片內外設（enhanced peripherals）或者通用I/O端口模擬實現。
（4）電源管理。系統通過單5V電源供電，可以簡單地從主設備接口中獲取電源，無須另加電源器件。電源管理模塊采用TI專用電路，提供兩路電壓輸出，+3.3V工作電壓和+1.8V控制器內核工作電壓。
3 系統軟件設計
系統采用TI提供的DSP5000系列專用集成
開發工具CCS1.2開發。系統軟件構成包括應用端口通信及協議模塊、L2CAP協議模塊、HCI接口驅動模塊、HPI通信模塊和Flash編程模塊。主要任務可分為：系統初始化、Flash編程、建立物理鏈路、數據傳送和接收等。整個軟件流程如圖7。
由于藍牙模塊本身具有線路加密功能，因此在本系統設計中沒有考慮軟件加密功能。在實際的設計和應用過程中，可以視其實際應用環境和系統處理速度而添加軟件加密模塊。由于跳頻通信本身具有高抗干擾性的特點，本嵌入式藍牙應用系統不僅可以應用于各種終端設備和手持設備間的中低速無線數據交換，而且可廣泛地應用于各種工業設備、軍事裝備的檢測和控制領域。
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