CC BY
67LMX9830 — новое решение беспроводной связи Bluetooth
National Semiconductor
Геннадий ШТРАПЕНИН, к. ф.-м. н.
gshtrapenin@electron.usurt.ru Михаил МИШАН
mishan@promelec.ru
Выбор технологии беспроводной связи представляет собой комплексную задачу, включающую наряду с аппаратным решением разработку программного обеспечения, а также учитывающую время на освоение технологии и ряд других факторов — массо-габаритные характеристики устройства, использование дополнительных компонентов и т. п. Очевидно, что суммарная стоимость изделия при этом существенно превышает цену применяемых в нем интегральных микросхем (ИМС). В настоящее время используется несколько стандартов беспроводной связи, из которых наиболее популярны Wi-Fi, ZigBee и Bluetooth. Для связи на расстоянии до 100 м и скорости обмена данными порядка 1 Мбит/с лучше всего подходит технология Bluetooth, достоинством которой является ее массовое применение в виде интегрированных решений в портативных компьютерах, ноутбуках, мобильных телефонах и другой носимой аппаратуре, а также доступность недорогих миниатюрных модулей Bluetooth с USB-интерфейсом. Последняя разработка компании National Semiconductor — ИМС LMX9830, сочетающая как аппаратную, так и программную реализацию протокола Bluetooth, позволяет сравнительно легко и с минимальными затратами интегрировать технологию беспроводной связи в различные изделия.
Круг задач, решаемый на основе интерфейса Bluetooth, достаточно широк. Чаще всего Bluetooth применяется для замены кабельного соединения в бытовой электронике и при передаче данных с аппаратуры, доступ к которой ограничен. Это могут быть, например, устройства, расположенные на высотных сооружениях, в закрытых помещениях, агрессивных газовых средах, на подвижных объектах, а также медицинская техника и т. п. Замена кабельного соединения на Bluetooth решает вопросы обеспечения гальванической развязки, санкционирован-ности доступа и исключения неправильного подключения. Использование беспроводного соединения делает аппаратуру более удобной для пользователя и, соответственно, повышает ее конкурентоспособность.
Рассмотрим коротко особенности технологии Bluetooth. Используется нелицензиру-емый диапазон частот 2400,8-2483,5 ГГц (Industrial, Scientific, Medical — ISM), в котором выделены 79 частотных каналов шириной 1 МГц каждый, при этом передатчик «перескакивает» с несущей на несущую синхронно с приемником в псевдослучайной последовательности, определяемой адресом ведущего устройства, с частотой до 1600 раз в секунду. Стандартом предусмотрены воз-
можность «шифрования» сообщений, а также исключение каналов, на которых прием и передача затруднены помехами, что вместе со скачкообразным изменением несущей частоты обеспечивает конфиденциальность информации и помехозащищенность. Bluetooth поддерживает соединения типа «точка-точка» и «точка-многоточие» («звезда»). Оптимальный способ передачи данных определенного типа достигается при использовании специализированных протоколов — профилей (Profile). Всего предусмотрено 13 профилей. Они имеют иерархическую структуру. Основные профили — Generic Access Profile (GAP), Service Discovery Profile (SDAP) и Serial Port Profile (SPP) — отвечают за поддержание связи между устройствами, определяют доступные сервисы и позволяют устройствам Bluetooth эмулировать последовательный интерфейс. Профили следующего уровня строятся на базе основных и предназначаются для решения конкретного круга задач, например, для передачи файлов используется File Transfer Profile (FTP), для передачи звуковой информации — HeadSet Profile (HSP), для связи компьютеров с Интернетом через мобильный телефон — Dial-up Networking Profile (DUN) и др. Как правило, применяются не все, а только
несколько определенных профилей, соответствующих спецификации данного устройства. Основные параметры технологии Bluetooth приведены в таблице 1. Подробную информацию о стандарте, описание протоколов и профилей можно найти на сайте w ww.bluetooth.o rg.
Таблица 1. Основные параметры стандарта Bluetooth
Диапазон частот, ГГц 2,4
Вид модуляции GFSK
Количество частотных прыжков в секунду 1600
Количество каналов 79
Ширина канала, МГц 1,0
Максимальная скорость передачи, Мбит/с 1,0
Количество устройств в сети Не ограничено
Возможные типы соединений «Точка-точка» и «звезда»
Компания National Semiconductor давно известна своими Bluetooth-решениями. В частности, полная аппаратная реализация устройства передачи данных по протоколу Bluetooth 1.2 может быть получена путем совместного использования радиочастотного трансивера LMX5252 и коммуникационного процессора серии CP3BTxx. Следующими и уже однокристальными решениями являются ИМС LMX5452 и LMX5453, объединяющие
в одном корпусе трансивер и контроллер физического уровня передачи Baseband Controller. В последней ИМС реализован более современный протокол Bluetooth 2.0.
Отметим, однако, что для нормальной работы устройств, выполненных на данных микросхемах, требуется создание специального, достаточно трудоемкого в написании программного обеспечения, реализующего алгоритмы работы профилей и протоколов. Таким образом, применение подобных решений оказывается целесообразным только при крупносерийном производстве.
Для быстрой разработки приложений с Bluetooth в сравнительно небольшом количестве изделий компания National Semiconductor выпустила гибридную ИМС LMX9820 [1, 2], которая помимо полной аппаратной реализации включает и программную поддержку. В отличие от предыдущих решений фирмы, ИМС LMX9820 имеет последовательный асинхронный интерфейс (UART) для обмена данными и командами. Для устройства Bluetooth с ИМС LMX9820 требуется всего два внешних элемента — кварцевый резонатор и антенна. Настройка интерфейса производится с помощью небольшого набора несложных команд, а передача данных возможна в «сквозном» режиме — без команд управления. ИМС LMX9820 сертифицирована международной ассоциацией Bluetooth SIG и поставляется с «прошитым» уникальным 48-битным сетевым адресом. По существу, LMX9820 является простым переходником UART-Bluetooth, благодаря чему разработчикам аппаратуры не требуется вдаваться в подробности построения стандарта, и интеграция интерфейса Bluetooth в различные устройства существенно упрощается.
В 2006 году National Semiconductor начала выпуск недорогой КМОП ИМС LMX9830, аналогичной по параметрам LMX9820. И хотя для построения устройств с Bluetooth на основе LMX9830 требуется ряд внешних элементов, суммарная стоимость изделия все равно оказывается существенно ниже, чем у LMX9820. LMX9830 не содержит EEPROM и поэтому не может сохранять параметры конфигурации и сетевой адрес при отключенном напряжении питания, однако в этой ИМС предусмотрен последовательный интерфейс по протоколу SPI или I2C для подключения внешней ИМС EEPROM. Оптимизация параметров устройств с LMX9830 достигается возможностью реализации как сложных алгоритмов, поддерживающих множество профилей, так и сравнительно простых, в которых LMX9830 работает как прямой канал передачи без управляющего микроконтроллера.
ИМС LMX9830 так же, как и LMX9820, выполнена в корпусе BGA, но имеет меньше выводов и больший шаг между ними, что упрощает разводку печатной платы. Существуют примеры, когда все проводники удавалось развести на двухслойной плате, хотя
Таблица 2. Основные параметры ИМС LMX9830
Поддерживаемый стандарт Bluetooth 2.0
Класс устройства 2
Макс. чувствительность приемника, дБм -80
Выходная мощность, дБм 0
Технология изготовления КМОП — 0,18 мкм
Макс. скорость передачи, кбит/с 704
Тип интерфейса UART (до 921,6 кбит/с)
Поддерживаемые протоколы L2CAP, RFCOMM, SDP
Поддерживаемые профили GAP, SDAP, SPP
Профили, поддерживаемые на хост-контроллере DUN, FAX, FTP, OPP, SYNC, HSP, HFP, BIP, BPP
Габариты ИС, мм 6,1 x9,1x 1,2
производитель рекомендует использовать четырехслойную. Основные характеристики ИМС ЬМХ9830 представлены в таблице 2.
Упрощенная структурная схема ИМС ЬМХ9830 приведена на рис. 1. В состав ИМС входит РЧ тракт (трансивер), Ва8еВа^ контроллер для обработки протоколов нижнего
уровня L2CAP, RFCOMM и SDP, контроллер соединений (Link Controller), аудиокодек и управляющий процессор CompactRISC. ПЗУ содержит записанный при производстве ИМС код программы, реализующий протоколы и профили верхнего уровня, а также интерпретатор команд управления. ОЗУ объемом 16 кБ предназначено для хранения параметров настроек и загрузки обновлений программного обеспечения. При разработке ИМС LMX9830 использовались патентованные технологии National Semiconductor Digital Smart Radio и CompactRISC.
Упрощенная функциональная схема подключения LMX9830, приведенная на рис. 2, содержит микроконтроллер, внешнее ПЗУ на ИМС EEPROM AT24C64, кварцевые резонаторы с согласующими конденсаторами, резистивно-емкостный фильтр системы ФАПЧ радиочастотного генератора и антенну. Светодиоды, подключенные к выходам регистра
Генератор/ Кварцевый -резонатор
Антенна -
Генератор опорных частот с ФАПЧ
РЧ-
тракт
Контроллер соединении Интерпре- татор
і
BaseBand контроллер CompactRISC контроллер
UART
12С
SPI
Стабили-
затор
ПЗУ
ОЗУ
Аудио- Аудио-
кодек порт
-TXD
-RXD
-RTS#
-CTS#
-SCLK
-SFS
-STD
-SRD
Рис. 1. Упрощенная структурная схема ИМС LMX9830
Таблица 3. Структура команд управления ИМС LMX9830
Стартовый байт Тип пакета Код операции Число байт данных Контрольная сумма Данные Финишный байт
1 байт (0x02) | 1 байт | 1 байт | 2 байта | 1 байт | до 333 байт | 1 байт (0x03)
общего назначения PG6 и PG7, индицируют состояние соединения (Link Status) и приема/передачи данных (Traffic) соответственно. Полная схема подключения имеется в фирменной документации [3]. Следует отметить, что внешняя память EEPROM для работы LMX9830 не является обязательной, если инициализация параметров при каждом включении питания производится внешним контроллером. При использовании EEPROM обмен данными между ним и LMX9830 происходит автоматически без вмешательства микроконтроллера. Внешние элементы, применяемые в схеме c LMX9830, являются типовыми и не требуют подбора параметров и настройки за исключением температурной нестабильности кварцевого резонатора 12 МГц, которая не должна превышать 15 ppm (допускается использование внешнего генератора со стабильностью не хуже 20 ppm).
В документации, предоставляемой производителем, можно найти перечень рекомендуемых типов антенн. В простейшем случае можно использовать штыревую антенну (Х/4). Однако такая антенна не всегда удобна, поскольку имеет значительные габариты, не позволяющие разместить ее внутри корпуса небольшого устройства. Малыми размерами обладают керамические чип-антенны, например, в демонстрационном комплекте LMX9830DONGLE используется керамическая антенна для поверхностного монтажа ANCW12G45SAA117TT1 производства компании Murata размером 9x3x2 мм. Допускается использовать и другие антенны данного диапазона частот с волновым сопротивлением 50 Ом и полосой пропускания 100 МГц. Возможно применение антенн, изготовленных печатным способом (PIFA-антенны) в виде печатных проводников определенной конфигурации. Такие антенны имеют несколько большие размеры, чем керамические, но значительно дешевле последних. Отметим, что использование печатных антенн требует повышенного внимания при разводке печатной платы, а также подбора согласующих элементов.
Кварцевый резонатор 32 768 Гц, подключаемый к выводам Х2, также не является обязательным. Его использование связано с режимами пониженного потребления, у ИМС LMX9830 предусмотрено несколько таких режимов. Максимальное значение потребляемого тока, при котором идет передача информации с максимальной скоростью, составляет 65 мА. Однако следует учитывать, что передача данных идет не постоянно и не всегда с максимальной скоростью. В дежурном режиме Sniff Mode токопотребление составляет 5,6 мА, а в режиме, когда активна только функция сканирования приемника, потребляемый ток снижается до 0,43 мА. В «спящем» режиме Shutdown ИМС LMX9830 потребляет ток всего 100 мкА.
Перейдем далее к рассмотрению интерфейса между LMX9830 и управляющим микро-
контроллером. В минимальной конфигурации и «сквозном» режиме Transparent Mode для обмена данными используются всего два вывода ИМС — RXD и TXD (рис. 2) — стандартного асинхронного последовательного интерфейса UART. Скорость передачи данных от 2,4 до 961 кбит/с устанавливается внешними перемычками (подачей логических уровней на выводы ОР4 и ОР5). Отметим, что в режиме Transparent Mode данные от LMX9830 транслируются присоединенному устройству напрямую, а управление режимами работы микросхемы невозможно. Для полной реализации всех функций LMX9830 необходимо перейти в «командный» режим, для чего нужно задействовать выводы RTS и CTS.
Для управления и настройки LMX9830 используется набор простых команд, каждая из которых содержит служебную информацию и блок данных. Обработка команд осуществляется внутренним интерпретатором микросхемы. Полное описание команд имеется в фирменном руководстве «LMX9830 — Software Users Guide». Структура команды представлена в таблице 3.
В начале каждого пакета посылается стартовый байт. Его значение всегда принято 0x02 в шестнадцатеричном коде. Следующий байт определяет тип пакета (запрос, подтверждение, индикатор или ответ). Код операции указывает спецификатор команды, за ним следует служебная информация — количество байт данных и контроль-
ная сумма. Далее посылаются сами данные и признак конца пакета 0x03 в шестнадцатеричном коде.
Для упрощения процедуры отладки и тестирования команд удобно использовать бесплатную, работающую под Windows программу Simply Blue Commander, которая находится на сайте фирмы и служит эффективным инструментом для демонстрации и моделирования процесса подключения и передачи данных ИМС LMX9830. Simply Blue Commander устанавливается на персональном компьютере, выполняющем функции Host-контроллера, и позволяет взаимодействовать с LMX9830 через последовательный COM-порт. Полный протокол обмена данными можно сохранить в лог-файле, а затем использовать в программном коде микроконтроллера разрабатываемого устройства. Окно программы Simply Blue Commander приведено на рис. 3.
В левом поле окна представлен полный набор команд в текстовом виде. В правом поле отображается история посылаемых команд и ответы на них. При выборе команды в нижнем поле окна появляется ее код, который можно вручную скорректировать или ввести заново.
Чтобы лучше представить возможности LM9830, рассмотрим основные группы команд управления:
• Device Discovery — набор команд для сканирования Bluetooth устройств, доступных
в эфире, а также запроса имени устройств;
Рис. 3. Окно программы Simply Blue Commander
• SDAP Client — набор команд, позволяющих с помощью встроенного в LMX9830 профиля SDAP запросить поддерживаемые профили у другого Bluetooth устройства;
• SPP Link Establishment — наиболее часто используемый набор команд, позволяющих провести соединение, рассоединение и передачу данных профилю последовательного порта;
• Audio Link Establishment — набор команд, позволяющих LMX9830 обмениваться данными по аудиопрофилям. ИМС LMX9830 имеет выводы для подключения внешнего PCM кодека, поэтому передача непосредственно самих данных не требует использования ресурсов хост-контроллера. Пакеты с данными для аудиопрофилей передаются в синхронном режиме и никогда не повторяются;
• Default Connection — набор команд, позволяющих задать сетевые адреса устройств, с которым LMX9830 будет пытаться автоматически установить соединение при включении питания;
• Low Power Mode — набор команд, переводящих LMX9830 в различные режимы пониженного энергопотребления;
• SPP Port Configuration — набор команд, осуществляющих настройку обмена данными по SPP профилю;
• Local Bluetooth Setting — набор команд, позволяющих считать и произвести настройку сетевого адреса, имени и пин-кода LMX9830, а также спаренности устройств;
• Local SDB Configuration — набор команд, позволяющих указать наличие в LMX9830 различных встроенных или внешних профилей.
Дополнительно предусмотрено еще несколько наборов команд, позволяющих конфигурировать скорость соединения LMX9830 по интерфейсу UART, проводить тестирование и сброс ИМС, чтение данных из внешней EEPROM и инициализацию LMX9830 при ее отсутствии.
Особого внимания заслуживает встроенная в LMX9830 подсистема передачи и приема аудиосигналов, которая реализуется при подключении внешнего PCM-кодека. Соединение возможно только по схеме «точка-точка», одновременная передача звуковых сигналов в обе стороны обеспечивается полнодуплексным каналом на основе разделения времени — Time Division Duplexing (TDD). Передача звукового потока происходит в синхронном режиме с максимальной скоростью 64 кбит/с, и ввиду того, что для звуковой информации критично время доставки, ошибочные данные никогда не повторяются, то есть все аудиопрофили LMX9830 работают без исправления ошибок. Передача звукового потока не занимает ресурсов хост-контроллера и выполняется автоматически, за исключением команд управления соединением. Наряду с типовым применением в телефонных гарнитурах и аналогичных устройствах
подсистема передачи аудиосигналов при скорости 64 кбит/с может обеспечить также трансляцию сжатого видеопотока с невысоким качеством.
Для подключения PCM-кодека в LMX9830 предусмотрен специальный интерфейс AAI (Advanced Audio Interface), который является расширением интерфейса SSI (Synchronous Serial Interface). Конфигурирование интерфейса под определенный тип формата данных производится настройками LMX9830. Допускается использование ИМС 13/14/15/16битных линейных и 8-битных логарифмических PCM-кодеков, например, MC145483 (Motorola), MSM7717 (OKI), W681310 и W681360 (Winbond) и других.
Начать освоение LMX9830 лучше всего с фирменного демонстрационного комплекта LMX9830D0NGLE, в состав которого входит плата с микросхемой LMX9830 и разъемом для подключения к последовательному порту RS-232, плата аудиокодека, имеющая аналоговые вход и выход, переходник USB-Bluetooth, блок питания, кабель для подключения к компьютеру и компакт-диск с документацией и программным обеспечением, в том числе и Simply Blue Commander.
Следует отметить, что при использовании LMX9830 могут возникнуть проблемы, связанные со сложностью пайки ИМС в корпусе BGA и разводке печатной платы, а также сертификации разработанного устройства.
В этом случае можно воспользоваться модулем BlueNiceCом IV, который выпускает компания Amber. Он представляет собой интегрированное решение, имеющее сертификат ассоциации Bluetooth SIG, и наряду с ИМС LMX9830 содержит установленную чип-антенну, кварцевый резонатор, внешнюю память EEPROM и необходимые пассивные элементы, причем для снижения помех все элементы модуля, кроме антенны, защищены металлическим экраном. В 2007 году компания National Semiconductor планирует выпустить сертифицированный гибридный модуль LMX9838, аналогичный по комплектации и параметрам BlueNiceCом IV, и хотя ожидаемая цена LMX9838, очевидно, будет выше, чем LMX9830, применение LMX9838 в опытных разработках и мелкосерийных изделиях, скорее всего, окажется более выгодным.
Более подробную информацию об ИМС LMX9830, примеры разводки печатных плат, описание демонстрационного комплекта и т. п. можно найти на сайте производителя — w ww.national.c om. ■
Литература
1. Староверов К. Технология беспроводной связи Bluetooth в фокусе решений National Semiconductor // Компоненты и технологии. 2005. № 7.
2. Кратько А., Александров Р. Обзор компонентов Bluetooth // Компоненты и технологии. 2005. № 9.
3. LMX9830 Bluetooth™ Serial Port Module. National Semiconductor. March 2006.
