智能传感器的蓝牙协议栈与SoC结构解析

SoC 中，通信是系统的一个功能，SoC 还需要实现系统的其它功能。由于CPU 串行结构的特点，当系统需要同时启用通信功能和其它重要功能时（ 例如实施系统的数据采集操作等） ，就需要使用适当的方法进行协调。实际上这也就是嵌入式蓝牙SoC 器件的系统实时性问题。

　　器件的功率损耗。功率损耗是SoC 设计中的一个重要问题。除了采用相应的技术实现最低功率损耗问题外，还必须通过系统结构设计降低系统的功率损耗。对于对功率损耗有特殊要求的系统，低功耗设计更是必不可少的内容。

　　由上述三个要求可知，在嵌入式蓝牙SoC 中，如果数据处理量比较大，则需要考虑数据处理的速度问题。用户系统CPU 属于串行工作方式，因此，在大数据量的通信过程中，如何完成系统的其它功能，是SoC 结构设计的一个重要方面。例如，使用蓝牙技术传输图像时，其中的通信系统必须保持连续工作状态，同时，还需要SoC 中设计大量的Flash 存储器。由于传输图像必须进行压缩和解压缩，所以，在保持通信连续和图像的压缩/ 解压缩这两种不同的操作中，就必须进行充分协调，采用硬件并行处理的技术。这种情况下，CPU 就仅仅是一个操作控制器件，用来启动或终止某个操作。由此可知，应当针对不同类型的应用场合设计相应的SoC结构。

　　对于智能传感器，其基本功能如下。

　　信号转换。这一部分电路的作用是把相应的物理量转换为电压信号，然后对其进行放大和滤波处理。处理的结果作为数据采集电路的输入信号。

　　数据采集。数据采集电路的功能是把信号转换电路输出的模拟信号转换为数字信号（ 数据序列） ，然后把数字信号输出给CPU ，以便进行相应的处理。

　　数据处理。智能传感器中的数据处理功能一般并不统一。一般情况下，需要数字滤波即可。有些智能传感器还需要对信号进行其它处理，例如信号幅度的判别、信号特征的提取、显示处理等。总之，根据不同的应用领域，数据处理的要求不尽相同。

　　数据传输。在控制系统中，智能传感器采集并整理好的数据，需要传输给系统的核心控制器或其它控制单元。由于控制系统的特点，数据传输一般需要经过一段空间距离，因此，需要使用专门的电路和方式实现数据传输。例如，对数据进行编码处理后，利用电流环或RS232 等方式传输。在现有控制系统中，绝大多数情况下都采用有线传输方式实现传感器与控制系统的连接。

　　对于智能传感器来说，传输数据量一般并不是很大（ 例如压力、温度等传感器） ，因此，满足智能传感器需要的嵌入式蓝牙SoC 器件中，并不需要很大的存储容量;但必须考虑蓝牙协议实现所必需的程序存储空间。

　　从图1 可以看出，蓝牙协议栈的处理软件会占用比较大的存储器，因此，必须对其进行简化。同时，为了保证控制系统安全可靠，还需要考虑使用用户协议替代蓝牙技术所定义的处理协议。由以上分析可以得出结论：

　　智能传感器的数据传输量比较小，不需要进行压缩或编码处理，可以设置在1 K 字节以下。

　　为了保证控制系统的安全可靠性，需要把上层处理协议变为用户层协议，由用户自行编写。

　　为了设计满足智能传感器的嵌入式蓝牙SoC 结构，对蓝牙协议栈进行了简化处理，只使用蓝牙协议中的核心协议和替代电缆协议。SoC 中的蓝牙协议栈由软件和硬件两部分组成。核心协议中的基带协议由硬件实现，而链路管理和其它部分则使用软件实现。所有有关协议的软件存放在ROM 中，用户使用通信栈时可直接调用。

　　需要指出的是，通信栈的设计为一个整体，因此调用时也必须整体调用。换句话说就是，把通信栈看成是一个完整的子程序模块加以调用。根据上述结论，提出一种具有开放使用户协议的嵌入式蓝牙SoC 模块结构，如图3 所示。

　　图3 中，RF 收发器、基带控制器和蓝牙协议ROM 共同组成蓝牙协议栈。蓝牙协议栈在CPU 的控制下完成通信任务。简化的嵌入式蓝牙协议栈结构如图4 所示。其中用户应用协议由用户自行设计，以确保通信的安全性和可靠性。

　　另外，对蓝牙协议栈中的LMP 进行了相应的简化。在智能传感器的应用中，通信链路一般比较简单，因此，LMP 不需要对链路进行复杂的处理。本设计中，LMP 的主要功能由软件完成。当需要使用蓝牙通信发送数据或接收数据时，用户程序只需调用LMP 软件模块即可。LMP 协议由两部分组成：

　　① 软件。通过CPU 对链路进行设置和控制，实现蓝牙设备连接、功率控制以及认证和加密，同时还控制蓝牙设备控制器电路。

② 硬件。LMP 控制器电路在LMP 软件的操作下，控制蓝牙设备的工作状态（保持hold、休眠park、呼吸sniff