基于DSP的Bluetooth嵌入式系统应用

蓝牙（Bluetooth）协议标准是由蓝牙特别兴趣小组（Bluetooth SIG）发布的，1999年发布了Bluetooth 1.0版， 2001年2月发布了Bluetooth1.1版。目前SIG成员已经发展到3000家左右。蓝牙协议规定的无线通信标准，基于免申请的2.4GHz的 ISM频段，采用GFSK跳频技术和时分双工（TDD）技术，通信距离为10米左右，Blue tooth 1.0版标准规定的数据传输速率为 1Mbps。主要适用于各种短距离的无线设备互连应用场合。可以提供点到点或点到多点的无线连接。

1 基于电缆替代的蓝牙协议简析

1.1 蓝牙协议体系

蓝牙协议规范所措述的协议栈模式如图1所示。



蓝牙体系结构中的协议可分为四层：

核心协议：基带控制协议（Baseband）、链路管理协议（LMP）、逻辑链路控制应用协议（L2CAP）、服务发现协议（SDP）；

电缆替代协议：RFCOMM；

电话传送控制协议：TCS二进制、AT命令集；

可选协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX 、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。

在协议中，规定了为基带控制器、LMP、硬件状态及控制寄存器提供命令接口的主机控制器接口（HCI）。在不同的应用模式下，HCI所处的位置不同。它可以位于L2CAP的下面，也可以在L2CAP之上。

1.2 电缆替代协议应用模式

基于ETSI标准的TS07.10信令的RFCOMM协议，提供了一个基于L2CAP协议之上的串口仿真应用模式。蓝牙协议1.0版中，RFCOMM提供的上层服务模式主要有三种：对9针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应用模式框图如图2所示。



1.3 蓝牙嵌入式应用模式

仅仅以RFCOMM协议为基础，作为串口的电缆替代应用，无形中限制了蓝牙设备的应用范围，降低了蓝牙设备的应用价值。目前计算机与外部设备的接口种类繁多，比较常见的有RS-232、RS-485、Parallel Port、CAN总线、SPI总线、I2C总线等。如果要使蓝牙设备在各种场合发挥作用，必须使蓝牙设备具备适合这些应用场合的多种接口功能。使用DSP数字信号处理器作为嵌入式控制器，不仅实现蓝牙物理设备的初始化、蓝牙高层协议，而且利用其接口灵活的特点，可以方便地对蓝牙电缆替代协议进行有效扩展。具体应用模式如图3所示。



2 系统硬件结构

本系统的构成在硬件上分为两个部分，蓝牙基带和射频部分采用爱立信（ERICSSON）公司提供的蓝牙模块ROK101007；嵌入式控制器采用美国TI公司的TMS320VC54X系列的DSP数字信号处理器。

2.1 ERICSSON蓝牙模块

ROK101007 是根据蓝牙规范1.0版（Bluetooth 1.0B Version）而设计的短距离蓝牙通信模块，它包括三个主上部分：基带控制芯片、Flash存储器和Radio芯片。它工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段，支持声音和数据的传输，其主上功能参数有：

Bluetooth 1.0B预认证；

2级RF射频功率输出；

提供FCC和ETSI纠错处理；

最大460 KB/s UART数据传输速率；

提供UART、USB、PCM、I2C等多种HCI接口；

提供内部晶振；

内部预制HCI框架；

点到点、点到多点操作；

嵌入式屏蔽保护。

ROK101007特别适合计算机及外围设备、手持设备、端口设备使用。其内含的蓝牙协议构架及内部系统框图如图4、图5所示。




2.2 DSP处理器

TMS320C54X是16-bit定点DSP，适合无线通信等实时嵌入式应用的需要。C54x使用了改进的哈佛结构。CPU具有专用硬件算术运算逻辑，大量的片内存储器、增强的片内外设以及高度专业化的指令集，使其具有高度的操作灵活性和运行速度。主要特点如下：

运算速度快：指令周期为25/20/15/12.5/10ns，运算能力为40/50/66/80/100MIPS；

优化的CPU结构：内含1个40位的算术运算逻辑单元，2个40位的累加器，2个40位的加法器，1个17×17的硬件乘法器和1个40位的桶形移位器。有4条内部总线和2个地址产生器等。先进的CPU优化结构可以使DSP高效地实现无线通信系统中的各种功能。

低功耗方式：54x系列DSP可以在3.3V或2.7V电压下工作，而有些DSP内核采用1.8V电压工作以减小功耗。

智能外设：除了标准的串行口和分时复用（TDM）串口外，54x还提供了多路缓冲串口（McBSP）和外部处理器通信的HPI并行接口。

2.3 系统构成

本系统中，采用单5V电源供电，嵌入式系统控制器与蓝牙模块之间的HCI接口采用UART方式。硬件构成框图如图6所示。整个系统分为四个部分：发射机、嵌入式控制器、电源管理、接口逻辑。

（1）发射机由蓝牙模块ROK101007和阻抗为50Ω的天线构成。初始化阶段，模块接收控制器通过UART发送的HCI命令，实现蓝牙设备的复位、启动、地址查询、跳频算法、自动寻呼等初始化操作，与附近的蓝牙设备建立可靠的物理链路，并对物理链路进行相应的加密。在数据传送阶段，接收控制器（HCI驱动模块）送来的HCI数据包，经过模块中HCI固件（HCI Firmwire）转化为基带数据包并送给基带协议层（Baseband）处理，基带对上层送来的数据进行解码，将其变为可以发送的位数据流，按照设定的跳频算法，采用高斯频移键控（GFSK）编码方式通过天线送出去。接收数据时，以相反的过程将接收到的数据进行编码，组合成HCI数据包格式并通过UART口送给控制器。具体的收发执行过程可以参考ROK101007数据及应用手册以及蓝牙协议相关部分。

（2）嵌入式控制器由TI的定点数字信号处理器TMS320C54x、Flash Memory、SRAM组成，完成对蓝牙模块的初始化、数据传送、协议实现等功能。

（3）接口控制逻辑包括应用接口和控制接口。控制接口为控制器的HPI接口，主要实现系统的在线特殊控制和Flash在线编程数据传送口。HPI控制接口通过DSP的HPI主机接口实现。应用接口包括RS-232/RS-485串行接口逻辑、并行接口逻辑（如IEEE488总线）、SI同步串口逻辑，在不同的嵌入式应用中，分别通过不同的接口形式实现本嵌入式系统与主设备控制器的接口。应用接口通过DSP的片内外设（enhanced peripherals）或者通用I/O端口模拟实现。

（4）电源管理。系统通过单5V电源供电，可以简单地从主设备接口中获取电源，无须另加电源器件。电源管理模块采用TI专用电路，提供两路电压输出，+3.3V工作电压和+1.8V控制器内核工作电压。