CC BY
53Константин СТАРОВЕРОВ
info@rainbow.msk.ru
В мае 1998 года несколько компаний, обслуживающих рынки компьютерного и телекоммуникационного оборудования (Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia), официально представили специальную рабочую группу (SIG — Special Interest Group), перед которой была поставлена задача внедрения новой технологии беспроводной связи. Название технологии было дано в честь датского короля викингов Гарольда Синезуб (Harald Bluetooth), жившего в 910-940-х годах и объединившего Данию и Норвегию. Таким образом создатели намекают, что технология Bluetooth призвана объединять, в частности, компьютерный мир и мир портативной электроники.
В состав рабочей группы вскоре вошли 3COM/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 и на расстоянии до 10 метров. При этом поддерживается возможность передачи голоса.
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 целями. С помощью полного спектра решений — от высококачественных, оптимизированных интегральных схем до завершенных опорных разработок — решение задачи беспроводной связи становится простым и быстрым, позволяющим пользователю обойтись без глубокого изучения протоколов радиосвязи, а менеджерам проектов — без сертификации радиочастотного тракта.
Стандарт Bluetooth подразумевает использование FHSS — скачкообразной перестройки частоты (1600 скачков в 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. Каждое устройство имеет уникальный 48-битный 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 организован 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 этого стандарта. Основными причинами такого внимания к продукции National Semiconductor являются простота и высокая скорость освоения предлагаемых
модулей, а также их высокая серийноспособ-ность. 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 входит 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.
В состав первой группы входят микромодуль LMX5452 и радиотрансивер LMX5252. Они, в первую очередь, ориентированы на приложения с высокими техническими характеристиками, малым размером, низкой стоимостью и 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. Результатом 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
Главный
LMX9820A
Рис. 1. Принцип построения Simply Blue
(рис. 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 и экономичностью и производятся по КМОП-технологии. Они обладают лучшим среди аналогов значением отношения «производительность/мА» на единицу стоимости.
Далее остановимся на более подробном рассмотрении основ построения и функционирования одного более перспективного модуля LMX9820A [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 рис. 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 FR4. В состав модуля входят все необходимые программные и аппаратные компоненты для получения завершенного решения,
Таблица 1. Состав предложения Bluetooth-устройств компании National Semiconductor
Сертифицированные решения под версию стандарта Bluetooth 1.2
Семейство Simply Blue, сертифицированное под версию стандарта 1.1
Отличительные особенности:
Стандартные Bluetooth-устройства, сертифицированные под версию стандарта 1.1
Микромодуль LMX5452:
• содержит контроллер управления радиосвязью и радиотрансивер на 2,4 ГГц;
• соединяет управляющий (главный) процессор через интерфейс НС1 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—3,6 В;
• ввод-вывод 1,6—3,6 В;
• синхронизация 10—20 МГц;
• потребление не более 43 мА;
• поддержка 2 голосовых каналов;
• корпус БЭА-60 (6x9 мм);
• интерфейсы: УАПП (до 921,6 кбит/с, иБВ 2.0 (12 Мбит/с), 12С и 8Р!/М1сгош1ге, аудио-интерфейс АА|
с внешним 8/13-разрядным ИКМ-кодеком, одновыводной радиоинтерфейс ^х/Тх).
Радиочастотный трансивер LMX5252
на частоту 2,4 ГГц:
• соединяет процессор радиосвязи через интерфейс БlueRF с антенной;
• поддержка большинства особенностей интегрированного радиотрансивера 1.МХ5452;
• рабочее напряжение 2,5—3,0 В;
• ввод-вывод 1,9—3,3 В;
• корпус ИР-36 (6х6х0,8 мм).
Модуль последовательного порта
Simply Blue LMX9820А (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 2,85-3,6 В;
• потребление не более 68 мА;
• 116-выводной корпус BGA с шагом выводов 1,0 мм;
• малое посадочное место (10x14x2 мм);
• УАПП (до 921,6 кбит/с);
• аудио-интерфейс AAI.
Модуль последовательного порта
Simply Blue LMX9830 (Bluetooth 2.0):
• наследует многие особенности LMX9820A, но с учетом требований 2.0;
• корпус BGA60, шаг 0,8 мм;
• малое посадочное место (6х9х 1,2 мм).
Области применения:
СБИС трансивера диапазона 2,4 ГГц LMX5250,
выполненная по технологии КМОП 0,25 мкм:
• оптимизированная архитектура, которая требует только несколько внешних компонентов;
• расширенное управление энергопотреблением и работа при напряжении 2 В;
• 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 LMX5100,
выполненная 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 LMX5250 получается компактное и экономичное Bluetooth-решение;
• 48-выводные корпуса для обеих СБИС.
»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.
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, 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 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 функций Bluetooth.
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/с).
• 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 LMX9820A, за исключением 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, выполняемыми 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 (см. табл. 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 том числе запрос, обна-
МШУ — малошумящий усилитель; УМ — усилитель мощности;
УАПП — устройство асинхронной приемо-передачи;
ОЗУ — оперативное запоминающее устройство
Переключатель''-
«прием/
передача»
ЦИФРОВОЙ
РАДИО-
ТРАНСИВЕР
СИНТЕЗАТОР
ПРОЦЕССОР УПРАВЛЕНИЯ ЛИНИЕЙ СВЯЗИ (LMP)
ВСТРОЕННАЯ ПРОГРАММА (СОДЕРЖИТ ПРОФИЛИ И КОМАНДНЫЙ ИНТЕРФЕЙС)
КОНТРОЛЛЕР
УПРАВЛЕНИЯ ЯДРО м »
РАДИО- COMPACTRISC
СВЯЗЬЮ
ФЛЭШ- ПАМЯТЬ ОЗУ JTAG
НАСТРОЙКА h УАПП
СТАБИЛИЗАТОРЫ
НАПРЯЖЕНИЯ
CRYSTAL/OSCILLATOR
I I
Питание аналоговой -схемы
- IOVCC
► TX_SWITCH_P -ENV0 -ENV1
► LSTAT_Q
► LSTATJ
► HOST_WJ
- RESET_B#
- RESET_5100#
- ISEL1
- ISEL2
►VDD_ANA_OUT
► VDDDIGOUT
- VDD DIG PWR D#
VCC DIG_GND(1:2)
Рис. 2. Структурная схема модуля LMX9820A
Таблица 2. Режимы работы модуля LMX9820A
Автоматический
• 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 к другому устройству модуль отправляет ответ главному о том, где был подключен порт RFComm,
и переходит к прозрачному режиму.
» 1.МХ9820А не проверяет секцию подключений по умолчанию во флэш-памяти; при подключении к другому устройству переход к прозрачному режиму не выполняется, а продолжается интерпретирование данных, передаваемых по УАПП, как команд.
Прозрачный
» LMX9820A 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.
Принудительный ведущий
» 1.МХ9820А действует как точка доступа для многоточечного соединения; принимает линию, если от подключенного устройства получено переключение роли «ведущий-подчиненный»;
» после успешного осуществления связи 1_МХ9820А будет ведущим и может организовать дополнительные входящие линии.
Командный
Таблица 3
Начальный
разделитель
Идентификатор типа пакета
Код операции Длина данных
Контрольная
сумма
Конечный
разделитель
--контрольная сумма--
10 пФ_|_ о,01 мкФ-ї-
I I
В1Антенна
?
6,8 пФ
Z1 12 МГц
і—О
Ct1 Сй]2
1,5-21,5 пф"^
Подключите -----------------
к PCM-кодеку или С11
оставьте неподкл.
С12
10пФ_Т_ о,01 мкФ —I—
I I
RF inout Uart_rx
32kHz_CLKI Uart_tx Uart_cts
Clk+ LMX9820A Uart_rts
Reset_5100
Clk Reset_b
AAI_srd AAI_std AAI sfs EnvQ Env1
AAI sclk
RF GND Dig_gnd[1:2] D12, G11 ISEL1 ISEL2
С9
D9
D11
оГ
Подключите к системной шине УАПП (если аппаратное управление потоком не требуется, то соед. СТБ с (ЙЮ, а 1*Т8 оставьте неподкл.)
VCC
не более IOVCC-кОм
Reset_b# Reset 5100 '
лог.О
Выбор рабочей среды
Рабочая среда Envi EnvO
Внутрисистемное программирование 1 0
Нормальная работа (по умолчанию) 1 1
Выбор скорости УАПП
J13 I8EL1 I3EL2 Скорость, бод Установки УАПП
Н13 1 1 921,6k Из ЭНП
0 1 115,2к Из ЭНП
1 0 9,6к 1 стоп, 1 старт, без паритета
0 0 Из ЭНП Из ЭНП
ЭНП — энергонезависимая память
Рис. 3. Схема включения модуля LMX9820A
1 байт
1 байт
1 байт
2 байта
1 байт
N байт
1 байт
ружение службы и связь по последовательному порту. Встроенная программа поддерживает работу с максимум тремя подчиненными.
Память
ЬМХ9820Л 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 LMX9820A 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 (рис. 3).
• Env0 и Env1 — выводы задания рабочей среды (рис. 3).
• ISEL1, ISEL2 — входы инициализации интерфейса УАПП (рис. 3).
• Lstat_0, Lstat_1, TX_Switch_P, Host_wu— выходы состояния модуля и линии связи [3]. При передаче команд управления через
УАПП используется формат данных, представленный в таблице 3:
В заключение предлагаем ознакомиться с типовой схемой включения модуля LMX9820A (рис. 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 LMX9820A были корректно выполнены общие слои и фильтрация питания. Рекомендуется установить фильтрующие конденсаторы 10 пФ и 0,01 мкФ как можно ближе квыводам питания (H2 и H12). Цепи синхронизации также должны быть максимально близкими к модулю. Параметры нагрузочных конденсаторов Ct1, Ct2 зависят от параметров выбранного кварцевого резонатора (методика определения приведена в документации [3]). ■
Литература
1. http://www.national.com/appinfo/wireless/ 0,1822,891,00.html
2. http://www.national.com/appinfo/wireless/ simply_blue.html
3. http://www.national.com/ds.cgi/LM/LMX9820A.pdf
