基于CC2540的超低功耗藍牙模塊的設計

                  金純12 賈珍梅1  劉魯云2  金潔3

1.重慶郵電大學通信與信息工程學院,無線傳輸重點實驗室,重慶 4000652.重慶金甌科技發展有限責任公司,重慶 4000413.重慶師范大學, 重慶 400047

摘要針對由概念走向商用化的穿戴式智能設備而言,超低功耗藍牙模塊成為其不可缺少的一部分。本項目以TI公司CC2540藍牙低功耗芯片為核心器件,開發了一款超低功耗藍牙模塊。本文對該超低功耗藍牙模塊系統電路框圖的各部分組成進行了詳細介紹,并從藍牙模塊電源電流和信號完整性兩個角度對模塊低功耗的實現進行了分析,最后通過與iPone4s通信的應用示例驗證該藍牙模塊的可行性。

關鍵詞CC2540 低功耗; 藍牙模塊

Design of Ultra low power Bluetooth module Based on CC2540

                      Jin Chun1.2,Jia Zhenmei1Liu Luyun2, Jin Jie3

1.Wireless Transmission Key Laboratory, School of Communication & Information Engineering, Chongqing University of Posts & Telecommunications, Chongqing 400065, China; 2.Chongqing Jinou Science&Technology Development Co. , Ltd. ,Chongqing 400041, China; 3.Chongqing Normal University,Chongqing 400047)

Abstract: Ultra low power(ULP) Bluetooth module is an indispensable for the commercialization of wearable intelligent device. This paper designs an ULP Bluetooth module based on TI’s chip of CC2540. The block diagram of hardware circuit of Bluetooth module is introduced in detail, and the realization of ULP is analyzed from two angles which  power supply current and signal integrity, the feasibility of the Bluetooth module is verified through the communication with iPone4s.   

Key words: CC2540Ultra low powerBluetooth module   

中圖分類號TN925      文獻標識碼 A                

1. 引言

超低功耗(Ultra Low Power,ULP)藍牙原名Wibree,是藍牙4.0新增的技術規范,主要解決的問題是藍牙超低功耗下的低速數據傳輸,是一種低功耗,低成本,并且開放標準的新型短距離無線通信技術,它與現有的無線技術能夠很好的匹配,可用于小型設備之間的簡單數據傳輸,傳輸距離在10m以內,僅需一枚紐扣電池便可運行10年。超低功耗藍牙技術能夠提供一種全新的藍牙連接,可滿足各種領域的需要,如工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、農業自動化和醫用設備控制等,市場將會非常龐大[1]。尤其對于目前大量涌現的穿戴式智能設備,超低功耗藍牙模塊以其輕薄短小、便于攜帶,功耗低等優勢被廣泛推廣。

本項目以德州儀器公司研發的CC2540[2]藍牙低功耗芯片為核心,開發了一款基于藍牙4.0新標準的集普通藍牙和超低功耗藍牙雙協議的藍牙模塊。該模塊集成有CC2540藍牙主控芯片、帶通濾波器、電源電路、內置微帶天線、晶振電路以及外圍接口電路等。該藍牙模塊的應用范圍包括:2.4G低功耗藍牙系統、移動手機接入設備、健身和娛樂設備、消費電子設備、人機交互設備(如無線藍牙鍵盤、鼠標、耳機和遠程藍牙遙控)以及醫療設備等[3]

2. 藍牙模塊系統電路設計

2.1 藍牙模塊原理框圖及核心芯片

本設計以德州儀器公司研發的CC2540芯片為核心,把天線、藍牙阻抗匹配電路、濾波器、主芯片CC2540、電源電路以及通信接口電路集成在外形尺寸長、寬(31.8mm*14.5mm)的尺寸范圍內。其系統框圖如圖1所示。

其中藍牙主控芯片采用TI公司研發的符合藍牙4.0標準的高性價比、低功耗的單模芯片CC2540CC2540是真正的藍牙低功耗片上系統解決方案,集成了優秀的RF射頻收發器、增強工業標準的8051MCU、系統可編程flash存儲器、8-KB RAM和許多其他強大的支持功能和外圍設備。CC2540工作的載波頻率范圍是2400MHz-2483.6MHzISM頻段,同時具有片上存儲數據、固件實時更新和高達+97dB的出色鏈路預算,并支持無外部前端的遠程應用程序和精確的數據接收信號強度檢測(RSST)CC2540芯片具有兩種不同的版本:CC2540F128/F256,即這兩種版本分別擁有128KB256KB的閃存[2]CC2540具有三種低功耗功率模式,模式三的功率可低至0.4μA,工作電壓范圍為2V-3.6V,使得芯片穩定工作。

 

 

     

                     1   藍牙模塊系統框圖

2.2 藍牙模塊芯片外圍電路設計

該超低功耗藍牙模塊外圍電路是圍繞主控芯片CC2540 核心芯片設計的。外圍電路包括兩個時鐘電路、電源電路、阻抗匹配電路、通信接口電路、天線等。CC2540的模擬電源管腳和數字電源管腳就近接濾波電容。片內采用一個1.8V的穩壓器連接一個去耦電容為所需電路提供穩定電壓,實現電源工作的穩定性。在實際電路設計中可通過CC2540芯片管腳40連接一個1μF的電容實現。在兩個時鐘電路中,其中一個時鐘電路用一個工作頻率為32.768KHz的石英晶振和兩個均為15pF的電容實現,石英晶振接芯片管腳3332,另一個時鐘電路由一個工作頻率為32MHz的石英晶振和兩個分別為22pF12pF的電容實現,32MHz的石英晶振接芯片管腳2223[3]

2.3 藍牙模塊射頻阻抗匹配電路

    本設計中所采用的藍牙芯片CC2540的管腳RF_P和管腳RF_N是一對差分輸入輸出的偶極信號端口,且模塊設計中采用型號為AN5020的不平衡單極子天線[4],因此需要在射頻輸入輸出管腳與藍牙天線之間連接一個巴倫(平衡/不平衡)匹配電路來實現射頻收發信號的匹配。匹配電路的設計可采用分離電容和電感元件實現,也可采用匹配芯片來實現匹配電路,本項目設計中考慮到設計的簡便以及模塊的高度集成,采用了深圳市星維電子有限公司生產的型號為RFBLN2012060A8T的匹配濾波器來實現射頻阻抗匹配。

3. 藍牙模塊基于兼容性的PCB版設計

    在藍牙模塊PCB版圖設計的過程中,首先使用Cadence自帶的Allegro Design Entry CIS軟件設計電路原理圖,然后通過Cadence自帶的Allegro PCB Design GXL軟件進行手工布線,生成PCB版圖。而在進行PCB版圖布線設計的過程中,為提高藍牙模塊的電磁兼容性,需要做到以下幾個方面[5](1)電源信號線的寬度要選取適當,電源信號線在接數字電源管腳時,應先串接一個參數合適的磁珠(本設計采用深圳市原力達電子有限公司生產的型號為MPZ1608D101B的磁珠),以濾除電源信號的高頻部分信號,再與數字電源管腳相連,然后數字信號電源管腳就近接適當參數的濾波電容,從而減少高頻信號對電源信號的干擾。而模擬電源管腳只需就近接濾波電容,以減少高頻信號對電源信號的干擾。(2)模擬信號與數字信號在設計時要保持適當的間距,以避免這兩種信號的相互干擾。(3各部件之間的引線應該盡量地短,以減小信號的延遲,從而減小平行線之間產生的干擾。(4)在布線的過程中,盡量用45度折線以減少高頻信號對外的發射及耦合。(5)根據介質材料參數和傳輸線結構參數對傳輸線的線寬進行嚴格計算,以盡可能的保證阻抗精確。

4. 藍牙模塊超低功耗的實現

本項目設計的超低功耗藍牙模塊主要是從電源電路和信號完整性兩個角度分析,實現藍牙模塊的超低功耗。

4.1 電源電路的分析

    電源電路為整個藍牙模塊提供電源,電源電路性能的優良是藍牙模塊正常工作的基礎,良好的電源電路性能不僅能夠減少整個藍牙模塊的功耗和故障,同時也會延長藍牙模塊的使用壽命,由此可見,電源電路的優秀設計對模塊的正常工作是至關重要的。本項目設計的藍牙模塊的工作電壓分為3.8V3V兩種,其中3.8V主要是射頻部分和模擬基帶的PMU單元的電壓,而3V主要是處理器內核及片內外設的供電電壓。

       12V的輸入供電電源經過一個防止電源反接的二極管(2IN4007)和兩個濾波電容C2C3,然后通過LM2576S-ADJ電源芯片輸入5V電源電壓。由于本項目設計的藍牙模塊的供電電源僅為3.8V,因此需要通過穩壓管(IN4790)將電源穩壓置3.9V。需要注意的是:根據LM2576S-ADJ芯片數據手冊可知LM2576S-ADJ的供電電壓為12V,但是在12V供電電源與LM2576S-ADJ芯片之間存在二極管,這就導致該芯片的供電電壓不足,因此為了保證芯片的輸入供電電壓達到芯片的臨界值,芯片要保持其校準器處于關閉狀態,同時該芯片的ON/OFF引腳不能接地。本項目藍牙模塊供電的電路原理圖如圖2所示,圖中的LED1表示模塊已經上電。

由于處理器內核級片內外設供電電源為3V,因此需要將圖2中穩壓管穩壓后的電源3.9V連接一個電壓調節器,經過降壓得到3V的供電電源。這里電壓調節器采用CX6203E系列中的XC6203E332PRXC6203E332PR是一個高精密度、低功耗的正向電壓調節器,其輸出電壓范圍為1.8V~6.0V,精確度在0.1V左右,輸出電流最大可達到400mAXC6203E332PR的降壓電路如圖3所示:

   2  BLE0102C2P模塊的電源電路原理圖

                      

    3  XC6203E332PR降壓電路圖

4.2 信號完整性分析

     在高速數字設計領域,高的信號噪聲會對低噪聲器件產生影響,導致其無法準確傳遞“消息”。由于在低功耗模式下各種資源極其有限,因此對板卡設計階段的分布式電路分析就變得越來越關鍵。信號的邊沿速率只有幾納秒,因此需要仔細分析板卡阻抗,確保合適的信號線終端,減少這些線路的反射,保證電磁干擾處于一定的規則范圍之內,獲得良好的信號完整性,信號的完整性分析關注器件間的互連—驅動管腳源、目的接收管腳和連接它們的傳輸線[5]

    在理想的條件下,源管腳的信號在沿著傳輸線傳輸時是不會有損傷的,但考慮到傳輸線的長度、特定激勵頻率下的線軌阻抗特性以及連接兩端的終端特性等,信號在沿著傳輸線傳輸時就會因反射和電磁兼容(EMI)等問題影響信號的完整性。以下是對反射和EMI以及本項目提出的解決方法的分析。

    在布線的過程中,兩根相鄰的線相當于兩根傳輸線,且比較均勻,傳輸線上的電流與兩線間的電壓一般是隨著時間變化的,又由于在傳輸線上和線間分布有上述電路參數,導致不同位置處的電流、電壓也不同,在兩根平行的傳輸線上,將傳輸線分成無窮多的小段,整個傳輸線便可視為有許多傳輸線的小段級聯構成,對從xx+dx的一小段傳輸線可以作出如圖4所示的電路模型,此電路模型中的R0dxL0dx分別是dx長的一段傳輸線上的電阻、電感,C0dxG0dxdx長的一段傳輸線兩線間的電容和電導。

                          4 主要電路的分布式參數分析

     x處,傳輸線中的電流用i(x,t)表示,兩線間的電壓用u(x,t)表示,因此在x+dx處的電流和電壓分別是 。根據基爾霍夫定律,對長度為dx的傳輸線可得方程(1)(2)

                                              1                                                                        2

整理式(1)(2),并略去二階微量,即得式(3)(4)

                                                           3                  

                                                          4                           

       如圖4所示:如果將x+dx處連接到MAX3232芯片(該芯片實現本項目藍牙模塊接口與通用串口之間電平的轉換)的引腳上,就表明MAX3232引腳上的電壓為x+dx處的電壓,它的值為,而且脈沖激勵電源在電壓平穩后到下降這段時間可以視為直流激勵電源,因此,將圖4處的電路圖進行簡化如圖5所示:

 

        

                       5無限小代爾塔電路分布式參數分析

如圖5所示:根據電壓完整性原理,我們可以得出如下的方程:

                5 

將方程式(5)進行整理,即得方程式(6)

                     6

在這里令A=B=C=p=則方程式可簡化為:

,根據ABC的值可以分為過阻尼、欠阻尼、臨界阻尼和無阻尼四種情況,且假設特征根為P1P2,因此在過阻尼情況下,值為,在欠阻尼情況下,假設, ,值為,在臨界阻尼情況下,,在無阻尼情況下,假設,值為,根據波形圖可知,屬于欠阻尼情況。

    通過分析,信號的完整性問題是由反射造成的,發射的起因是阻抗不匹配,為了減少反射,獲得干凈的信號波形,沒有響鈴特征,就需要很好的阻抗匹配,通常是在設計中的相關點添加終端電阻或RC網絡,以此匹配終端阻抗,減少反射,降低功耗。其方案如圖6所示:

                          

                             6 阻抗匹配方案

4.3 仿真結果分析

    7和圖8分別為本項目所設計的超低功耗藍牙模塊兩個節點上的信號完整性分析及終端阻抗匹配信號分析,從圖中可以看出此模塊在這兩個節點上由于實現了信號阻抗的匹配,最大程度的減少了能量的損失。我們在此模塊的數千個節點上都實現了類似的阻抗匹配,因此可以節約大量的能耗損失,實現模塊的超低功耗。

         

 7 藍牙模塊-管腳信號完整性分析        8 藍牙模塊-終端阻抗匹配分析

5. 藍牙模塊通信測試

目前有很多設備開始支持藍牙4.0技術,如移動電話、個人電腦、平板電腦等。本測試是以支持藍牙4.0iPhone 4S 為例,通過在iPhone 4S 上運行的示例程序“BTDemo”,讓手機和該藍牙模塊相互收發數據。主要步驟如下所示:

1)該藍牙模塊保持出廠默認參數,通過串口和PC連接,上電并處于數據通訊模式。

    (串口默認波特率為9600

(2)打開“BTModule”軟件。              

(3)點擊查找鍵“1”,手機會搜索周邊的藍牙4.0數據通信模塊設備。片刻后顯示出設備名稱,說明找到了該藍牙4.0數據通信模塊“BLE0102C2P”。其中“BLE0102C2P”為所設計的藍牙模塊的型號。

                         

               

(4)點擊連接按鈕“2”,待連接成功后,連接按鈕會顯示為斷開按鈕,同時模塊端的Link

     腳會變為高電平,先前閃爍的STATE_LED熄滅。

             

5選擇數據測試“3”,發送數據框中輸入待發送的數據Hello World,選擇發送“4”,手機會將這段數據發送到藍牙模塊,模塊接收到這串數據后,向PC的串口送出這串數據。

                     

PC串口向模塊的串口發送數據Hello World,手機端會收到數據并在接收數據框中顯示出來,從而實現藍牙模塊的通信。

6. 小結

本項目是針對目前基于藍牙傳輸的穿戴式智能設備的大量涌現,以及各行各業的技術人員并不是都很了解藍牙技術這種矛盾設計了這款面向開發人員的簡便易用,實現在低功耗模式下數據穩定高速傳輸的黑盒子藍牙模塊。使得并不是很了解藍牙技術的人員可直接使用該模塊擴展簡單外圍,就能快速設計出方案甚至產品,以最低的成本、最高的效率推出個性化的移動設備新外設。該藍牙模塊實物圖如下所示:  

                  

參考文獻:

[1]金純,肖玲娜,羅緯等.超低功耗藍牙技術規范解析[M].北京:國防工業出版社,2010.5.

[2]TI.2.4GHz Bluetooth low energy System-on-Chip[EB/OL].[2012-11-20].

   http://www.ci.com.cn/produce/cn/CC2540

[3]曹青春,劉輝.基于CC2540的藍牙射頻模塊設計.海南師范大學學報,2013(26).

[4]嚴朝雄.消費類電子產品天線阻抗匹配的研究[D].武漢理工大學,2011.

[5]曾峰,侯亞寧,曾凡雨. 印制電路板(PCB)設計與制作[M]. 北京:電子工業出版社,2002.

 

作者簡介:

金純(1966),男,教授,博士,研究生導師,主要研究方向:無線通信、計算機軟件、

物聯網等;

賈珍梅(1988),女(通信作者) 碩士生,主要研究方向:無線傳感器網絡,無線通信

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