摘 要：設(shè)計(jì)一款以TI公司CC2541為核心器件，能夠快速連接并且可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換的超低功耗藍(lán)牙模組。對(duì)該超低功耗藍(lán)牙模組電路組成及原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并從電流以及數(shù)據(jù)完整性的角度對(duì)該模塊的功耗性能與穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：CC2541;低功耗;藍(lán)牙模塊

中圖分類(lèi)號(hào)：TP925 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：This paper designs an ultra-low power Bluetooth module based on TI company cc2541，which can connect quickly and exchange data in two directions.The circuit composition and principle of the ultra-low power Bluetooth module are introduced in detail，and the power performance and stability of the module are analyzed from the perspective of current and data integrity.

Key words：CC2541;low power consumption;Bluetooth module

藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)是使用最廣泛的全球短距離無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)之一[1]，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）在制定藍(lán)牙4.0規(guī)范時(shí)為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性在射頻、基帶協(xié)議、鏈路管理協(xié)議（LMP）中采取了差錯(cuò)檢驗(yàn)和校正、進(jìn)行數(shù)據(jù)編解碼、差錯(cuò)控制、數(shù)據(jù)加噪等可靠性措施[2]，極大提高了藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備的待機(jī)功耗量大一直是其缺陷之一，主要原因是傳統(tǒng)藍(lán)牙采用16～32個(gè)通道進(jìn)行廣播，低功耗藍(lán)牙采用3和廣播通道，并且每次廣播開(kāi)啟時(shí)間由傳統(tǒng)藍(lán)牙的22.5ms減少到0.6～1.2ms，大幅度降低了廣播導(dǎo)致的待機(jī)功耗[3]。除此之外低功耗藍(lán)牙設(shè)計(jì)了深度睡眠狀態(tài)替換傳統(tǒng)藍(lán)牙的空閑狀態(tài)，進(jìn)一步降低了功耗。在連接速度方面低功耗藍(lán)牙也又傳統(tǒng)藍(lán)牙的6s降低到3ms，幾乎是瞬間的連接[4]。隨著科技的發(fā)展，智能穿戴、智能儀表逐步普及，超低功耗的短距離無(wú)線傳輸成為了必不可少的一部分。本文針對(duì)目前的市場(chǎng)需求，從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)方面，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款超低功耗藍(lán)牙模塊。解決了藍(lán)牙功耗問(wèn)題以及傳輸數(shù)據(jù)量較大時(shí)容易丟包的問(wèn)題。

1 低功耗藍(lán)牙模塊硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 硬件原理

主控模塊采用TI（Texas Instruments）公司的CC2541芯片及其外圍電路實(shí)現(xiàn)，CC2541使用的8051 CPU內(nèi)核是一個(gè)單周期的8051兼容內(nèi)核。中斷控制器提供了18個(gè)中斷源，分為6個(gè)中斷組，每組與四個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)相關(guān)。數(shù)字內(nèi)核與外設(shè)由一個(gè)1.8V的低差穩(wěn)壓器供電，另外CC2541還包括一個(gè)電源管理功能，可以實(shí)現(xiàn)不同供電模式的長(zhǎng)電池壽命的低功耗應(yīng)用運(yùn)行，有5中不同的復(fù)位源來(lái)復(fù)位設(shè)備。外圍電路包含了阻抗匹配電路、天線、時(shí)鐘電路、濾波器、以及各個(gè)I/O口和通信接口。采用郵票孔的封裝方式，可以很方便的在其他設(shè)備上應(yīng)用。藍(lán)牙模塊系統(tǒng)框圖如圖1所示。

藍(lán)牙模塊分別采用3.3V供電，每一路供電都有相應(yīng)的電容作為濾波保護(hù)，采用32.768KHz和32MHz的晶振作為晶振源，并且設(shè)計(jì)了LED作為指示，當(dāng)藍(lán)牙連接時(shí)LED常亮，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，LED閃爍，斷開(kāi)連接時(shí)LED熄滅，根據(jù)LED的狀態(tài)可以很清楚的知道藍(lán)牙的工作狀態(tài)。電氣原理圖如圖2所示。

1.2 天線設(shè)計(jì)

天線是無(wú)線通信系統(tǒng)中的重要元器件，廣泛應(yīng)用于無(wú)線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航等工程。天線性能的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。發(fā)射天線的任務(wù)是將高頻電流或者導(dǎo)行電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g中傳播的無(wú)線電磁波，而接收天線則是將空間中傳播的無(wú)線電波轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電流或者導(dǎo)行電磁波。天線主要起著在高頻電流或者導(dǎo)行電磁波和空間無(wú)線電波之間的換能作用。天線的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是將換能效果得到最優(yōu)。該低功耗藍(lán)牙模塊采用蛇形天線的設(shè)計(jì)，天線形狀如圖3所示。

通過(guò)對(duì)天線進(jìn)行回波損耗方針，仿真圖如圖4所示，可以看出該天線參數(shù)比較好，可以達(dá)到2.45GHz頻段和帶寬要求。

2 低功耗藍(lán)牙模塊軟件開(kāi)發(fā)

2.1 低功耗藍(lán)牙模塊軟件設(shè)計(jì)流程

低功耗藍(lán)牙模塊除了可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透?jìng)鞴δ芤酝膺€需要能夠處理相應(yīng)的AT指令。用戶(hù)可以通過(guò)發(fā)送AT指令來(lái)對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行一些參數(shù)的設(shè)置、狀態(tài)的查詢(xún)等，例如：修改藍(lán)牙名稱(chēng)、修改傳輸波特率、查詢(xún)RSSI值。當(dāng)藍(lán)牙模塊未與手機(jī)或者其他藍(lán)牙連接時(shí)，低功耗藍(lán)牙模塊會(huì)直接判斷是否為AT指令。如果是則進(jìn)行相應(yīng)的操作。如果不是則將數(shù)據(jù)取出，不做處理。當(dāng)藍(lán)牙模塊已經(jīng)被連接時(shí)，收到數(shù)據(jù)后同樣會(huì)先判斷是否為AT指令。如果是則進(jìn)行相應(yīng)的操作。如果不是則將數(shù)據(jù)取出，發(fā)送給接收端。軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5

2.2 防止數(shù)據(jù)丟包設(shè)計(jì)

由于藍(lán)牙協(xié)議的限制，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)包不能超過(guò)20字節(jié)。在傳輸數(shù)據(jù)量較大時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)接收不完全的現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要被發(fā)送時(shí)，首先讀取數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，如果長(zhǎng)度小于20字節(jié)，則直接發(fā)送。如果大于20字節(jié)，則將數(shù)據(jù)分成兩個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)包分次進(jìn)行發(fā)送。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試該方法可以有效解決數(shù)據(jù)丟包問(wèn)題。

2.3 低功耗設(shè)計(jì)

想要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊的低功耗，首先要在設(shè)置里打開(kāi)“Power Saving”，之后需要將所有的周期事件刪除，因?yàn)楫?dāng)協(xié)議棧里有周期事件運(yùn)行時(shí)，藍(lán)牙芯片是不會(huì)進(jìn)入低功耗模式的。做完上述工作后，我們還需要對(duì)每一個(gè)引腳進(jìn)行配置。確保模塊能夠具有最低的功耗。當(dāng)模塊沒(méi)有被連接并且沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，芯片將進(jìn)入低功耗模式。經(jīng)過(guò)我們的實(shí)際測(cè)試，模塊在進(jìn)入低功耗模式后功耗在10uA左右，完全滿(mǎn)足我們的要求。

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)以TI的CC5241為核心處理器，具有超低功耗，實(shí)現(xiàn)了近距離無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸，解決了發(fā)送較大數(shù)據(jù)容易丟包的問(wèn)題。本模塊可以應(yīng)用在多種場(chǎng)合，為其他廠商提供了更多的選擇方案，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張超峰，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用與開(kāi)發(fā)、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、氣體檢測(cè)分析。