智能傳感器的藍牙協(xié)議棧與SoC結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、智能傳感器的藍牙協(xié)議棧與SoC結(jié)構(gòu)設(shè)計    摘要：通過對藍牙協(xié)議棧和智能傳感器功能要求的分析，討論用于智能傳感器設(shè)計的嵌入式藍牙協(xié)議棧SoC的基本結(jié)構(gòu)，以及功能組成要求。根據(jù)討論結(jié)果，設(shè)計相應的SoC電路結(jié)構(gòu)。     關(guān)鍵詞：藍牙 基帶 智能傳感器 SoC引 言藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與數(shù)字通信的開放性規(guī)范。它以低成本、近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動設(shè)備建立了一種完整的通信方式和技術(shù)。藍牙技術(shù)的實質(zhì)是建立通用無線接口及其控制軟件的標準，使移動通信與計算機網(wǎng)絡(luò)之間能實現(xiàn)無縫連接，由此，為不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備提供了近距

2、離(10m100m)范圍內(nèi)的互操作通道。在工業(yè)控制系統(tǒng)和許多應用領(lǐng)域，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前控制器和傳感器已經(jīng)實現(xiàn)了智能化。在一般的傳感器或測試儀表中，大量使用CPU 控制下的數(shù)字化技術(shù)，因此，許多控制系統(tǒng)或傳感器系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化傳輸。如果在數(shù)字化的控制系統(tǒng)和傳感器中嵌入藍牙技術(shù)，則可以實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制命令的無線傳輸，這對于許多應用領(lǐng)域都是十分重要的。本文通過對藍牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的討論，提出一個嵌入式SoC 器件結(jié)構(gòu)。這個嵌入式SoC器件是一種具有藍牙通信功能的SoC 器件；SoC 中的CPU 對用戶開放，用戶可以使用這種結(jié)構(gòu)的SoC 器件實現(xiàn)智能傳感器或控制器單元。1 藍牙協(xié)議棧藍牙技術(shù)

3、規(guī)范1.0 版本作了如下規(guī)定。 藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(Industrial ，Scientific and Medical)免付費、免申請的無線電頻段。 采用快速確認和跳頻技術(shù)，以確保鏈路的穩(wěn)定。 采用二進制調(diào)頻(FM)技術(shù)的跳頻收發(fā)器，抑制干擾和防止衰落。 采用前向糾錯(FEC)技術(shù)，抑制長距離鏈路的隨機噪聲。 數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s 。 采用時分雙工傳輸，其基帶協(xié)議是電路交換和分組交換的結(jié)合。 一個跳頻頻率發(fā)送一個同步分組，每個分組占用一個時隙，也可擴展到5個時隙。 支持一個異步數(shù)據(jù)通道，或3個并發(fā)的同步語音通道，或一個同時傳送異步數(shù)據(jù)和同步語音的通道。每一個語音通道

4、支持64Kbps 的同步話音。異步通道支持最大速率為721Kbps 、反向應答速率為57.6Kbps 的非對稱連接，或者是432.6bps 的對稱連接。目前，工作在2.4GHz 頻段上的無線局域網(wǎng)技術(shù)中，除了藍牙技術(shù)外，還有IEEE802.11、HomeRF 和紅外技術(shù)?？偟膩碚f，IEEE802.11 比較適合于辦公室無線網(wǎng)絡(luò)，HomeRF 適用于家庭中的移動數(shù)據(jù)、語音設(shè)備等與主機之間的通信，而藍牙技術(shù)則可以應用于任何允許無線方式替代線纜的場合。在實際應用中，藍牙技術(shù)的應用一般采用嵌入式技術(shù)。在應用系統(tǒng)中嵌入藍牙協(xié)議棧，可為系統(tǒng)提供一個透明的無線網(wǎng)絡(luò)通信層。藍牙技術(shù)協(xié)議棧的設(shè)計只有符合藍牙技術(shù)

5、規(guī)范的要求，才能實現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品的無縫對接。藍牙技術(shù)規(guī)范(specification)包括協(xié)議(protocol)和應用規(guī)范(profile)兩個部分。完整的藍牙協(xié)議棧如圖1 所示。協(xié)議規(guī)范中定義了各功能元素的工作方式，提供了藍牙技術(shù)實現(xiàn)中功能元素間的橫向體系結(jié)構(gòu)。應用規(guī)范則介紹了實現(xiàn)特定應用模型，描述了各層協(xié)議間的協(xié)同機制，從而提供了技術(shù)實現(xiàn)的縱向體系結(jié)構(gòu)。藍牙協(xié)議包括核心協(xié)議層、替代電纜協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和選用協(xié)議層。 核心協(xié)議。核心協(xié)議包括基帶協(xié)議、鏈路管理協(xié)議(LMP)、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP)、服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)。 替代電纜協(xié)議。替代電纜協(xié)議包括串行電路仿真協(xié)議(

6、RFCOMM)，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。 電話替代協(xié)議。本協(xié)議包括二元電話控制規(guī)范(TCS Binary)與AT-命令(AT-command)。用于提供音頻通信的處理規(guī)范和相應的控制命令。 選用協(xié)議。選用協(xié)議與用戶的應用有關(guān)，包括點到點協(xié)議(PPP)、用戶數(shù)據(jù)報/傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(UDP 和TCP/IP)、目標交換協(xié)議(OBEX)、無線應用協(xié)議(WAP)、無線應用環(huán)境(WAE)、vCard 、vCal 、紅外移動通信(IrMC)。選用協(xié)議層的具體內(nèi)容由應用系統(tǒng)根據(jù)需要選擇。除了以上協(xié)議層外，藍牙協(xié)議棧中還應包括二個接口：一個是主機控制接口(HCI)，用來為基帶控制器、鏈路控制器以及訪問硬件

7、狀態(tài)和控制寄存器等提供了命令接口；另一個是與基帶處理部分直接相連的音頻接口，用以傳遞音頻數(shù)據(jù)。在藍牙協(xié)議棧中，HCI 以上部分通常用軟件實現(xiàn)，包括邏輯鏈路控制和適配協(xié)議L2CAP、串行仿真RFCOMM 、鏈路管理協(xié)議(LMP )、電話替代協(xié)議和選用協(xié)議；而HCI以下部分則用硬件實現(xiàn)，包括基帶協(xié)議和鏈路管理協(xié)議(LMP)，這部分也叫作藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中的底層硬件模塊。2 藍牙核心協(xié)議棧硬件電路結(jié)構(gòu)底層模塊是藍牙技術(shù)的核心模塊，主要由射頻(RF)單元電路、基帶層(base band)電路和鏈路管理層(LMP，Link Manger Protocol)電路組成。   

8、(1)射頻(RF)單元RF單元電路為藍牙技術(shù)提供了通信中的物理層，也叫作藍牙收發(fā)器。通過2.4GHz 的微波，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的過濾和傳輸。藍牙協(xié)議提供了有關(guān)藍牙收發(fā)器的各項技術(shù)指標。    (2)基帶層電路基帶層提供了基帶數(shù)字信號處理硬件，其功能是提供鏈路控制，因此也叫作基帶及鏈路控制層電路。通過基帶層電路，可以建立藍牙通信網(wǎng)絡(luò)中的物理鏈路，從而形成微微網(wǎng)(piconet)?；鶐又杏袃煞N物理鏈路，一種是面向連接的同步鏈路(SCO)，另一種是異步無連接鏈路(ACL)。此外，基帶層還可為語音和數(shù)據(jù)分組提供不同水平的前向糾錯(FEC)或循環(huán)冗余度校驗(CRC)處理，并可對

9、數(shù)據(jù)進行加密。同時，基帶層電路還為不同類型的數(shù)據(jù)(包括傳輸信息數(shù)據(jù)、鏈路管理和控制信息)提供特定的信道。    (3)鏈路管理層(LMP)電路鏈路管理層電路也叫作鏈路管理器電路，功能是提供鏈路管理通信協(xié)議。鏈路管理協(xié)議用來對鏈路進行設(shè)置和控制，并負責建立和撤銷各藍牙設(shè)備間的連接、功率控制以及認證和加密，同時還控制藍牙設(shè)備的工作狀態(tài)(保持hold 、休眠park 、呼吸sniff 和活動active )。鏈路管理層的主要功能由軟件完成，鏈路管理器電路提供運行于藍牙設(shè)備的處理器中的軟件。鏈路管理器之間的通信協(xié)議稱為鏈路管理協(xié)議(LMP)。藍牙技術(shù)整體框架以HCI(Ho

10、st Controller Interface)為界，區(qū)分為硬件模塊以及上層軟件協(xié)議兩部分。藍牙技術(shù)標準中，選擇了USB、UART 或是RS232 作為硬件模塊與主機間的接口。當藍牙模塊以USB、UART或RS232中的任何一個接口與主機連接時，HCI 接口上層的通信協(xié)議由主機負責處理，而HCI 接口下層的通信協(xié)議則由模塊內(nèi)的基帶層芯片與RF 芯片負責。根據(jù)藍牙標準，藍牙系統(tǒng)的基本組成包括天線、收發(fā)器、基帶控制器。由此可知，在天線、RF收法器和基帶控制器的支持下，藍牙系統(tǒng)的組成可以十分靈活，即可實現(xiàn)多種不同的實現(xiàn)方案。嵌入式藍牙系統(tǒng)是將RF和基帶部分集成在一塊芯片上，單芯片藍牙硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖

11、2所示。在嵌入式藍牙器件中，硬件結(jié)構(gòu)可分為鏈路管理器、鏈路控制器與RF模塊3部分，負責處理LMP層、基帶層與RF層的協(xié)議。鏈路管理器內(nèi)包含處理器(CPU)、內(nèi)存等組件。鏈路管理器與基帶層芯片合稱為鏈路控制器。RF模塊內(nèi)含RF射頻發(fā)射組件，與主機相連接的接口位于鏈路控制器上。在嵌入式方案中，藍牙協(xié)議的上層軟件協(xié)議也全部固化在芯片中，芯片通過USB或UART接口與應用系統(tǒng)相連接。由于片內(nèi)嵌入了CPU，所以，嵌入式藍牙系統(tǒng)實際上是一個智能終端，適合于任何具有CPU器件的系統(tǒng)。例如，智能傳感器中，只要增加一個單芯片藍牙器件，就可以組成一個以藍牙為通信方式的傳感器。由圖2可知，它由微處理器(CPU)、無

12、線收發(fā)器(RF)、基帶控制器(BB)、閃存(Flash程序存儲器)、通用異步收發(fā)器UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)、通用串行接口USB(Universal Serial Bus)及藍牙測試模塊組成。其中藍牙基帶控制器是藍牙硬件模塊的關(guān)鍵模塊。其主要功能是在微處理器控制下，實現(xiàn)藍牙基帶部分的所有實時處理功能，包括負責對接收的bit流進行符號定時提取和恢復；分組頭及凈荷的循環(huán)冗余度校驗(CRC)，分組頭及凈荷的前向糾錯碼FEC處理，加密和解密處理等，且能提供從基帶控制器到其它芯片的接口等。CPU一般采用RISC結(jié)構(gòu)的嵌入式微處理器，

13、如ARM7TDMI微處理器，才能滿足對藍牙核心協(xié)議的高速處理和大量數(shù)據(jù)bit流的處理。Flash存儲器用于存放基帶和鏈路管理層中的所有協(xié)議軟件。SRAM作為CPU 的運行空間，在工作時把Flash中的軟件調(diào)入SRAM中處理。射頻收發(fā)器負責接收或發(fā)送高頻的通信信號。UART和USB接口提供到HCI的主機控制器接口傳輸層的物理連接，是上層協(xié)議與藍牙硬件模塊進行通信的通道。藍牙測試模塊主要提供無線層和基帶層的認證和一致性規(guī)范，同時還管理產(chǎn)品的生產(chǎn)和售后的測試，為可選模塊。3 嵌入藍牙協(xié)議棧的SoC結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)上述藍牙協(xié)議棧硬件結(jié)構(gòu)可以看出，如果使用SoC 結(jié)構(gòu)設(shè)計藍牙協(xié)議棧，則可以實現(xiàn)嵌入藍牙通信模

14、塊，同時向用戶開放內(nèi)部CPU的目的。在設(shè)計嵌入藍牙協(xié)議的SoC 結(jié)構(gòu)時，需要考慮如下問題。 數(shù)據(jù)處理能力與速度。數(shù)據(jù)處理能力主要體現(xiàn)在兩個方面：一個是數(shù)據(jù)緩沖存儲器的規(guī)模，另一個是對數(shù)據(jù)處理算法支持的程度。數(shù)據(jù)處理速度是一個重要的問題。數(shù)據(jù)處理速度不僅與系統(tǒng)時鐘頻率有關(guān)，還與CPU 和內(nèi)部總線的結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。 通信操作與系統(tǒng)運行的關(guān)系。在嵌入了藍牙通信棧的SoC 中，通信是系統(tǒng)的一個功能，SoC 還需要實現(xiàn)系統(tǒng)的其它功能。由于CPU 串行結(jié)構(gòu)的特點，當系統(tǒng)需要同時啟用通信功能和其它重要功能時(例如實施系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集操作等)，就需要使用適當?shù)姆椒ㄟM行協(xié)調(diào)。實際上這也就是嵌入式藍牙SoC 器件的系

15、統(tǒng)實時性問題。 器件的功率損耗。功率損耗是SoC 設(shè)計中的一個重要問題。除了采用相應的技術(shù)實現(xiàn)最低功率損耗問題外，還必須通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計降低系統(tǒng)的功率損耗。對于對功率損耗有特殊要求的系統(tǒng)，低功耗設(shè)計更是必不可少的內(nèi)容。由上述三個要求可知，在嵌入式藍牙SoC中，如果數(shù)據(jù)處理量比較大，則需要考慮數(shù)據(jù)處理的速度問題。用戶系統(tǒng)CPU屬于串行工作方式，因此，在大數(shù)據(jù)量的通信過程中，如何完成系統(tǒng)的其它功能，是SoC結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要方面。例如，使用藍牙技術(shù)傳輸圖像時，其中的通信系統(tǒng)必須保持連續(xù)工作狀態(tài)，同時，還需要SoC中設(shè)計大量的Flash存儲器。由于傳輸圖像必須進行壓縮和解壓縮，所以，在保持通信連續(xù)和

16、圖像的壓縮/解壓縮這兩種不同的操作中，就必須進行充分協(xié)調(diào)，采用硬件并行處理的技術(shù)。這種情況下，CPU就僅僅是一個操作控制器件，用來啟動或終止某個操作。由此可知，應當針對不同類型的應用場合設(shè)計相應的SoC 結(jié)構(gòu)。對于智能傳感器，其基本功能如下。 信號轉(zhuǎn)換。這一部分電路的作用是把相應的物理量轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后對其進行放大和濾波處理。處理的結(jié)果作為數(shù)據(jù)采集電路的輸入信號。 數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集電路的功能是把信號轉(zhuǎn)換電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(數(shù)據(jù)序列)，然后把數(shù)字信號輸出給CPU，以便進行相應的處理。 數(shù)據(jù)處理。智能傳感器中的數(shù)據(jù)處理功能一般并不統(tǒng)一。一般情況下，需要數(shù)字濾波即可。有些智能傳感

17、器還需要對信號進行其它處理，例如信號幅度的判別、信號特征的提取、顯示處理等?？傊鶕?jù)不同的應用領(lǐng)域，數(shù)據(jù)處理的要求不盡相同。 數(shù)據(jù)傳輸。在控制系統(tǒng)中，智能傳感器采集并整理好的數(shù)據(jù)，需要傳輸給系統(tǒng)的核心控制器或其它控制單元。由于控制系統(tǒng)的特點，數(shù)據(jù)傳輸一般需要經(jīng)過一段空間距離，因此，需要使用專門的電路和方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。例如，對數(shù)據(jù)進行編碼處理后，利用電流環(huán)或RS232 等方式傳輸。在現(xiàn)有控制系統(tǒng)中，絕大多數(shù)情況下都采用有線傳輸方式實現(xiàn)傳感器與控制系統(tǒng)的連接。對于智能傳感器來說，傳輸數(shù)據(jù)量一般并不是很大(例如壓力、溫度等傳感器)，因此，滿足智能傳感器需要的嵌入式藍牙SoC 器件中，并不需要很大

18、的存儲容量；但必須考慮藍牙協(xié)議實現(xiàn)所必需的程序存儲空間。從圖1 可以看出，藍牙協(xié)議棧的處理軟件會占用比較大的存儲器，因此，必須對其進行簡化。同時，為了保證控制系統(tǒng)安全可靠，還需要考慮使用用戶協(xié)議替代藍牙技術(shù)所定義的處理協(xié)議。由以上分析可以得出結(jié)論： 智能傳感器的數(shù)據(jù)傳輸量比較小，不需要進行壓縮或編碼處理，可以設(shè)置在1K字節(jié)以下。 為了保證控制系統(tǒng)的安全可靠性，需要把上層處理協(xié)議變?yōu)橛脩魧訁f(xié)議，由用戶自行編寫。為了設(shè)計滿足智能傳感器的嵌入式藍牙SoC結(jié)構(gòu)，對藍牙協(xié)議棧進行了簡化處理，只使用藍牙協(xié)議中的核心協(xié)議和替代電纜協(xié)議。SoC 中的藍牙協(xié)議棧由軟件和硬件兩部分組成。核心協(xié)議中的基帶協(xié)議由硬件

19、實現(xiàn)，而鏈路管理和其它部分則使用軟件實現(xiàn)。所有有關(guān)協(xié)議的軟件存放在ROM 中，用戶使用通信棧時可直接調(diào)用。需要指出的是，通信棧的設(shè)計為一個整體，因此調(diào)用時也必須整體調(diào)用。換句話說就是，把通信?？闯墒且粋€完整的子程序模塊加以調(diào)用。根據(jù)上述結(jié)論，提出一種具有開放使用戶協(xié)議的嵌入式藍牙SoC 模塊結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。圖3中，RF收發(fā)器、基帶控制器和藍牙協(xié)議ROM共同組成藍牙協(xié)議棧。藍牙協(xié)議棧在CPU的控制下完成通信任務。簡化的嵌入式藍牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖4 所示。其中用戶應用協(xié)議由用戶自行設(shè)計，以確保通信的安全性和可靠性。另外，對藍牙協(xié)議棧中的LMP進行了相應的簡化。在智能傳感器的應用中，通信鏈路一般比

20、較簡單，因此，LMP不需要對鏈路進行復雜的處理。本設(shè)計中，LMP的主要功能由軟件完成。當需要使用藍牙通信發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)時，用戶程序只需調(diào)用LMP軟件模塊即可。LMP協(xié)議由兩部分組成： 軟件。通過CPU對鏈路進行設(shè)置和控制，實現(xiàn)藍牙設(shè)備連接、功率控制以及認證和加密，同時還控制藍牙設(shè)備控制器電路。 硬件。LMP控制器電路在LMP軟件的操作下，控制藍牙設(shè)備的工作狀態(tài)(保持hold、休眠park、呼吸sniff 和活動active)。圖3中的CPU通過開放總線模塊向用戶開放，用戶程序保存在用戶程序存儲器中。數(shù)據(jù)存儲器采用Flash 存儲電路，用來保存藍牙通信中的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；同時，作為傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器。數(shù)據(jù)存儲器的使用分配由用戶決定，傳感器的設(shè)計者可通過用戶程序?qū)?shù)據(jù)存儲器進行分塊控制使用，通過用戶程序設(shè)置相應的發(fā)送或