如何在手持式电子产品中实现“蓝牙”功能

发布: 2010-10-20 00:52 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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如何在手持式电子产品中实现“蓝牙”功能
    “蓝牙”（Bluetooth）是一项成本低廉的无线短程网络系统，开发的目的是要
使之适用于一切移动电子产品。具有“蓝牙”功能的电子产品可以非常容易地在一
个小范围内组成一个临时的专用网络，并使这些产品通过此网络方便迅速地和打印
机、Internet节点、同一小组的其他同事接通，并传送信息。“蓝牙”将在蜂窝手
持电话和PDA之间、PDA和笔记本电脑之间、笔记本电脑和局域网之间、以及在其它
一切电子产品之间，建立一种标准的无线电连接，以取代臃肿的电缆连接。
    为什么取名为“蓝牙”？它和口腔中牙齿的功能并没有任何联系，寓意在于
“联合”。在北欧的历史上，有一位受到人们称赞的丹麦国王，他的绰号（瑞典语）
叫“蓝牙”。由于他的努力实现了丹麦和挪威的联合。因此，称此项技术为蓝牙，
寓意在于联合。
    “蓝牙”方案是由Intel、IBM、爱立信、诺基亚和东芝等公司发起，于1998年
5月组成的SIG（Bluetooth Spe－cial Interest Group）提出并制订的。SIG受到
广泛的支持，发展十分迅速，现在已经有1200个成员。随后又由微软、3Com、朗讯
和Motorola发起成立蓝牙推动集团（Bluetooth Promoter Group）。1999年2季度
完成并公布了蓝牙技术规范的1.0版本。这已经是一个可以执行的方案了。于是在
1999年年底和今年年初的展览会上，不断出现应用蓝牙技术的电子产品，深受人们
的欢迎。另外一方面，不少厂家也在软件和硬件方面进行了许多开发工作，可以为
电子产品制造厂商提供多种水平的零部件，以及各种设计服务。
    对于“蓝牙”如此迅速的兴起，有人说历史上还没有哪一项标准被应用得如此
迅速。现在已经不是采用不采用蓝牙的问题，而是如何采用的问题了。电子产品如
何加入“蓝牙”？
    在电子产品中增加“蓝牙”系统时，需要考虑产品上市期限、产品的外形体积
限制、成本和技术来源等问题。也需要考虑是自己从头开发还是外购？是部分外购
还是全套外购？这些问题又互相联系，需要仔细分析解剖。
    此外，对于移动无线电子产品来说，由于体积重量十分重要，技术变化快，上
市的期限要求十分苛刻，因此对集成化的需求十分迫切，而且在实现集成化的同时
还需要保持产品的特殊个性。但是集成化还是有其优越性，总括起来集成化可以带
来以下的好处：
    可以减少零部件的数量和缩小产品体积；
    ·可以缩短产品上市的时间；
    ·完整的RF模块可以降低本企业对RF专业人才的需求；
    由于零部件的减少减少，了材料供应清单的项目，减轻了对供应的压
    ·由于采用的是经过认证的方案，可以避免繁琐的标准认证手续；
    但是，并不是说集成得越彻底就越好。需要根据对产品的综合要求，结合企业
的实际情况和当时的外部协作环境，全面权衡各种利弊因素，作出妥善的决定。
    RF—一实现蓝牙的瓶颈之一
    它包括一个完整的RF发射和接收部分，一个以微处理器为核心的基带（BB）部
分，存储低层协议的存储器，以及和电子产品主机部分的接日。蓝牙在2.4GHz的ISM，
即工业、科研和医疗卫生频段工作。除了法国、西班牙和日本以外，频率范围为
2404～2.4835GHz（上述三个国家在此频带内有一些频率不能使用。因此如果设计的
产品有可能销往以上国家时，跳频的算法需要考虑以上的限制）。
    通路宽度为1MHz，大多数国家，上保护频带为2MHz，下保护频带为3.5MHz。为
了减少干扰，采用跳频技术。以每秒1600次的频率在79个通路内跳频。数据传输总
速率为1M位／秒。以时分多路制式实现双工通信。蓝牙在发射时，不另加功率放大
器时，天线上的输出功率为0dBm，通信距离可达10米。加上放大器通信距离可达
100米。接收部分的灵敏度不能低于-70dBm。
    由于数字化的广泛开展，年轻的工程师大都投向数字技术专业，有能力的RF专
家普遍缺乏。除非是有实力的大企业，一般企业很少有能力独立开发RF产品。多数
厂家外购RF零部件。完整的RF部分，有的是以模块的形式提供，有的可以提供单个
的芯片。爱立信公司可以提供RF模块和基带模块。用户可以单独购买RF模块，自己
配基带部分；也可以同时购买。
    爱立信的RF模块工作频率范围为2.4～2.6GHZ。它的基带模块采用的处理器型
号为ARM7TDMI Thumb模块中包括存储器，2个16c450UART通用通信接口和基带控制
器。
    Philsar公司可以提供适合于蓝牙系统应用的单片RF收发器，型号为PH2401。
它内部包括压控振荡器、低噪声放大器、频率合成器、中频滤波器等线路。不需要
外接滤波器和振荡晶体。为了适合不同的主机，如头戴送受话机、电话手机、手持
式计算机等的需要，可以分别提供不同的分型号。与它配套的基带芯片是由Mitel
公司开发的DMT1020A。同样，既可以配套购买，也可以单独购买。MT1020A内部包
括有嵌入的微控制器、蓝牙系统基带专用外围部件、音频编译码器、程序存储器、
通用ADC、以及用于和主机连接 USB及UART接口。
    软件如何解决？
    支持蓝牙低层协议的程序以目标码格式存放在基带的存储器中。蓝牙的上层
协议需要主机的处理器来支持。实现蓝牙系统时，需要取得上层协议的原程序，
并将其集成到主机的应用程序中去。基带负责处理从RF模块来的信号。基带中的
嫩件Link Manager（LM）负责控制链路的建立、鉴别、配置和其它低层协议的执
行。LM还负责和其它LM相识别，并通过链路管理协议和它们建立通信联系。LM为
以下的各种服务，例如发送和接受数据，询问和回答命名标识，访问所属的链路
控制器LC（Link  Controller），从事连接的建立和鉴别等。总而言之，是基带
和LM建立了蓝牙网络的连接。
    主机通过主机控制器接口HCI（Host Controller interface）和低层协议进
行通信。负责实现蓝牙系统的设计人员，一般是在外购RF和基带技术时，也得到
了LM、HCI和低层协议，但是需要在主机的应用软件中安装HCI驱动器和其它的上
层协议（如L2CAP、SDP、RFCOMM等），才能实现主机对蓝牙的支持。
    上层协议支持蓝牙的profile（协议于集）概念。所谓profile是指针对某一
类应用优化了的协议集合，（例如对于传真的profile，对于拨号上网的profile，
对于文件传输的profile等）。蓝牙的整个协议组成一个协议集（protocol stack），
每个profile使用协议集的一片（slice）。此协议集支持该项应用。2个蓝牙系统
必须采用同样的协议集，才能具有互操作性。为了保证电子产品之间在一定的应
用方面能够交互操作，设计人员需要为一定的应用准备好标准的协议集和子集。
如果有足够的时间和合适的人才，企业当然可以自己建立集和相应的子集。
    爱立信公司作为蓝牙的发起人之一，已经宣布可以出售蓝牙软件协议案的使
用许可证。如何利用爱立信这样的厂商提供的技术？蓝牙设计人员可以从哪里得
到HCI驱动器，它符合蓝牙标准，支持必须采用的HCI命令，并提供所选择子集所
需选用的命令。爱立信既提供上层协议，也协助开发人员开发OS和硬件适配层。
这样安排的目的是让设计人员能够在开发具有特点的应用工作主集中精力，当然
这些应用是以协议作为基础的。而蓝牙的软件协议栈则依赖第三方提供。
    当初为蓝牙系统设想的目标是在达到生产阶段后所增加的成本为20美元。进
一步集成可使成本降低到5美元左右。嵌入式蓝牙系统是将RF和基带部分做在一
块芯片上。虽然芯片的价格有所上升，但是简化了整机的装配工作，降低了功率
消耗及管理费用。特别是上层软件协议全部落在单一的芯片内，蓝牙系统自己不
需主机干预，就可以运行L2CAP和RFCOMM。此时主机的处理器如Pentium，可以处
于休眠状态。对于主机来说，蓝牙可以看作一个智能终端，通过UART、USB串接
接口相接。建立软件协议集时所遇到的许多具体困难都可以避免了。如果产量能
够超过500万件，总的成本还可以大大降低。
    下一代单芯片蓝牙器件的目标是特殊profile。Cambridge Silicon Radio公
司推出了两种方案：Bluecore01和Bluecore02。芯片中包括频率合成器、AGC和通
道滤波器等RF部件，以及基带部分的16位微控制器，UART接口等，并装有L2CAP、
RFCOMM和SDP等蓝牙的上层协议。Bluecore01须外接快闪ROM。Bluecore02片上已
经集成有ROM。在CeBIT2000展览会上，Cambridge Sillcon Radio公司展出了用
Bluecore02芯片做成的蓝牙系统，装在笔记本电脑内进行无线连接。该公司声称
成本可以降低至5美元，Bluecore03是针对具体应用分别设计的，并提供专门的
profile。从CeBIT2000展览会上还展出了许多其它应用蓝牙的电子产品，充分说
明当前蓝牙技术已经成熟。
    蓝牙和电子产品融为一体
    进一步可以设计ASIC，将蓝牙的基带部分和电子产品的主机集成在一起，以
节约成本、缩小体积、减少功率消耗。可以和IC厂商协调，购买蓝牙的IP，并将
它集成到生机的ASIC中去。这样可以掌握所有的接口，控制应用情况所需要的一
切特性。成本降低的程度取决于蓝牙基带线路在ASIC中所占的比重。如果蓝牙只
占很小的一部分，蓝牙几乎不增加成本。如果ASIC几乎全部为蓝牙服务，则ASIC
的费用需要全部由游牙承担，成本所降无几。从长远打算，蓝牙的实现最终要走
自己开发IC的道路。这种方法通常归结为COT（customer owned tooling）方法。
只有这样才能将整个产品的成本降到最低，才能全面地控制接口和特性，实现最
低的功率消耗，才能对产品的体积、外形起最大的决定作用。但是这样一来，开
发费用将十分巨大，而且要承担风险；需要有较长远的规划，需要增强开发能力。
            结语
    综合上述情况，在电子产品中实现蓝牙功能，可以有许多种方式。从整套外
购到局部或完全自主开发；在集成的深度方面，也有外购多种模块，到单个芯片，
再到将蓝牙系统融进主机的ASIC中去。在不同的发展阶段显示不同程度的利弊。
企业可以根据自身情况，产品情况，以及发展规划妥善选择。总的原则是，尽可
能使自己集中精力用在产品的应用上，使产品能够卓尔不凡，突显特有的风格；
其次，根据对产品特征、外形和成本需要达到的各项目标，选择最佳的集成方案。

摘自《电子产品世界》