Технология беспроводной связи BLUETOOTH в фокусе решений National Semiconductor

Необходимость иметь связь преследует нас повсюду: дома, на работе, в процессе игры. Пионерские разработки по беспроводной связи Bluetooth компании National Semiconductor очень успешно пересекаются с нашими целеустремлениями. С помощью полного спектра решений, от высококачественных, оптимизированных интегральных схем до завершенных опорных разработок, решение задачи беспроводной связи становится простым и быстрым, не принуждая пользователя к глубокому изучению протоколов радиосвязи, а менеджеров проектов к необходимости сертификации радиочастотного тракта. Собственно обзору Bluetooth-решений National Semiconductor и посвящена данная статья…

Старт данной технологии дал ряд компаний, обслуживающих рынки компьютерного и телекоммуникационного оборудования ( Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia). В мае 1998 года они официально представили специальную рабочую группу (SIG - Special Interest Group), перед которой была поставлена задача внедрения новой технологии беспроводной связи. Название технологии Bluetooth заслуга отнюдь далеко не дантистов, а слава датского короля викингов Гарольда Блютуса (Harald Bluetooth), жившего в 910-940-х годах, за объединение Дании и Норвегии. Таким образом, полагалось, что технология Bluetooth призвана объединять, в частности, компьютерный мир и мир портативной электроники.

В состав рабочей группы вскоре вошли 3 COM / Palm , Axis Communication , Motorola , Compaq , Dell , Qualcomm , Lucent Technologies , UK Limited , Xircom , а в настоящее время более 1400 компаний занимаются развитием открытой технологии Bluetooth.

В отличие от конкурирующей технологии инфракрасной связи IrDA (Infrared Direct Access), которая обеспечивает связь по принципу "точка-точка" в зоне прямой видимости, технология Bluetooth дополнительно поддерживает возможность многоточечной связи и, при этом, не требует прямой видимости.

Устройства, поддерживающие стандарт Bluetooth, работают в нелицензируемом частотном диапазоне 2,45 ГГц ISM (Industrial, Scientific, Medical - промышленный, научный и медицинский диапазон) и способны передавать данные на скорости до 1 Мбит/с, на расстоянии до 10 метров, поддерживается возможность передачи голоса.

Стандарт Bluetooth подразумевает использование технологии FHSS - скачкообразную перестройку частоты (1600 скачков/секунду) с расширением спектра. При работе передатчик переходит с одной рабочей частоты на другую, используя для этого псевдослучайный алгоритм. Для полнодуплексной передачи используется дуплексный режим с временным разделением (TDD). Поддерживается изохронная и асинхронная передача данных, а также легко достигается связь с TCP/IP. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.

Особенностью устройств на основе стандарта Bluetooth также является способность соединяться друг с другом, формируя так называемые пикосети ( piconet ), в каждую из которых может входить до 256 устройств: одно из них является ведущим (Master), еще семь - подчиненными (Slave), а остальные находятся в дежурном режиме. Пикосети могут перекрываться, при этом, к ресурсам ведомых устройств может быть осуществлен доступ. Перекрывающиеся пикосети могут образовать распределенную сеть, через которую могут передаваться данные.

В настоящее время для разработчиков технология Bluetooth доступна в виде конструктивно завершенных модулей или микросхем, которые выпускаются рядом известных фирм, например, Ericsson, Fujitsu , Atmel и др. Однако, в фокус данной статьи попала компания National Semiconductor , которая выпускает модули Bluetooth, соответствующие различным версиям одноименного стандарта. Основными причинами такого внимания к продукции National Semiconductor являются простота и высокая скорость освоения предлагаемых модулей, а также их высокая серийноспособность. Производитель гарантирует удовлетворить любые запросы по серийности, при этом, учитывает постоянное расширение рынка устройств на основе технологии Bluetooth [1].

Обзор предложения National Semiconductor

В состав предложения National Semiconductor входят небольшое количество элементов, которые можно разделить на три группы: модули Bluetooth, сертифицированные под требования стандарта версии 1.2; семейство Simply Blue и стандартный набор микросхем, отвечающих требованиям стандарта Bluetooth версии 1.1. Подробная сравнительная характеристика данных групп дана в таблице 1.

Рисунок 1. Принцип построения Simply Blue

В состав первой группы входят микромодуль LMX 5452 и радиотрансивер LMX 5252. Они в первую очередь ориентированы на приложения с высокими техническими характеристиками, малым размером, низкой стоимостью и, при этом, с малым энергопотреблением. При их разработке National стремился сделать их «лучшими в своем классе» по простоте проектирования, системной интеграции и высокой серийности производства.

Одной из целей, которую постоянно преследует компания National Semiconductor, является обеспечение простоты применения технологии Bluetooth в целевой системе. Как результат достижения данной цели стало появление нового семейства модулей Simply Blue [2]. Каждый модуль данного семейства содержит полностью интегрированный протокольный стек Bluetooth, специализированные прикладные профили, а также интерпретатор команд высокого уровня (см. рисунок 1). Реализация набора команд высокого уровня позволяет конечному пользователю избавиться от необходимости экспертизы Bluetooth. Кроме того, за счет интегрирования всего стека и всех профилей Bluetooth достигается незначительность загрузки главного процессора, что высвобождает процессорное время на решение прикладных задач, а также исключается необходимость переноса технологии Bluetooth в авторизированную операционную систему главного процессора.

Для упрощения и ускорения этапов проектирования на основе модулей Simply Blue , выпускается разносторонний набор для проектирования, включающий демонстрационные платы и детализированную техническую документацию.

В состав стандартных Bluetooth -устройств входят две интегральные схемы радиочастотного трансивера и Bluetooth -процессора, выполненного по RISC -архитектуре. ИС характеризуются гибкостью, экономичностью и производством по КМОП - технологии. Они обладают лучшим среди конкурирующих аналогов значением отношения производительность/мА на у.е. стоимости.

Таблица 1. Состав предложения Bluetooth-устройств компании National Semiconductor

Сертифицированные решения под версию стандарта Bluetooth 1.2	Семейство Simply Blue, сертифицированное под версию стандарта 1.1	Стандартные Bluetooth - устройства, сертифицированные под версию стандарта 1.1
Отличительные особенности:
Микромодуль LMX5452: содержит контроллер управления радиосвязью и радиотрансивер на 2,4 ГГц; соединяет управляющий (главный) процессор через интерфейс HCI с антенной; технология КМОП 0,18 мкм; встроенная программа управления интерфейсом с главным процессором; дополнительный генератор 32,768 кГц для экономичных режимов; чувствительность приемной антенны – 80 дБ; класс мощности 2; рабочее напряжение 2.5…3.6В; ввод-вывод 1.6…3.6В; синхронизация 10…20МГц; потребление не более 43 мА; поддержка 2 голосовых каналов; корпус BGA-60 (6 мм x 9 мм ) ; интерфейсы: УАПП (до 921.6 кбит/с, USB 2.0 ( 12 Мбит/с), I2C и SPI / Microwire, аудио-интерфейс AAI с внешним 8/13- разр. ИКМ-кодеком, одновыводной радиоинтерфейс ( Rx / Tx ). Радиочастотный трансивер LMX5252 на частоту 2,4 ГГц: соединяет процессор радиосвязи через интерфейс BlueRF с антенной; поддержка большинства особенностей интегрированного радиотрансивера LMX5452; рабочее напряжение 2.5…3.0В; ввод - вывод 1.9…3.3 В ; корпус LLP -36 (6мм x 6мм x 0.8мм).	Модуль последовательного порта Simply Blue LMX 9820А ( Bluetooth 1.1): предварительно сертифицированный модуль последовательного порта Bluetooth; простота использования набора команд высокого уровня ускоряет процесс интегрирования в приложение; встроенные стек и профили Bluetooth для минимальной загрузки главного процессора; встроенные флэш-память и ОЗУ; ядро CompactRISC; поддержка пикосети с многоточечной связью; чувствительность приемника -81 дБм; класс выходной мощности 2; напряжение питания 2,85…3,6В; потребление не более 68 мА; 116-выв. корпус BGA с шагом выводов 1.0 мм; малое посадочное место (10 x 14 x 2 мм); УАПП (до 921,6 кбит/сек); аудио-интерфейс AAI . Модуль последовательного порта Simply Blue LMX 9830 ( Bluetooth 2.0): наследует многие особенности LMX 9820А, но с учетом требований 2.0; корпус BGA 60 , шаг 0.8 мм; малое посадочное место (6 x 9 x 1.2 мм ) .	СБИС трансивера диапазона 2,4ГГц LMX 5250, выполненного по технологии КМОП 0,25 мкм : оптимизированная архитектура, которая требует только несколько внешних компонентов; расширенное управление энергопотреблением и работа при напряжении 2В; встроенная схема калибровки радиотракта для минимальных затрат времени на тестирование при производстве; хорошая чувствительность для увеличения дальности связи; последовательный интерфейс для передачи данных и команд управления; поддержка уровней мощности класса 2 и 3; СБИС Bluetooth -процессора LMX 5100, выполненного по RISC - архитектуре: специализированное «ядро» Bluetooth , которое существенно снижает требования к производительности Bluetooth -узла; встроенные флэш-память и статическое ОЗУ позволяют реализовать полный спектр возможностей Bluetooth -узла без использования внешней памяти; поддержка нескольких интерфейсов с главным процессором ( USB , УАПП, CAN , SPI и Microwire ); поддержка PCM (импульсно-кодовая модуляция) для подключения аудио-кодека; совместно с LMX 5250 получается компактное и экономичное Bluetooth -решение; 48-выв. корпуса для обеих СБИС.
Области применения:
Сотовые телефоны Персональные цифровые помощники Персональные компьютеры	Персональные цифровые помощники Торговые терминалы Системы сбора данных Аудиомаршрутизаторы	Информационные приборы Сотовые телефоны Персональные компьютеры Периферийные устройства Персональные цифровые помощники Цифровые камеры

Далее остановимся на более подробном рассмотрении основ построения и функционирования одного более перспективного модуля LMX 9820А[3] семейства Simply Blue , ввиду высокой простоты работы с ним (через команды высокого уровня), высокой гибкости (множество режимов работы, профилей, способов построения сети), отсутствия необходимости сертификации и др.

На рисунке 2 представлена структурная схема модуля последовательного порта Bluetooth LMX9820A, выполненного на основе архитектуры 16-разрядного процессора CompactRISC ™ и технологии Digital Smart Radio . Он интегрирует радиочастотный трансивер, контроллер управления радиосвязью и память на подложке FR 4. В состав модуля входят все необходимые программные и аппаратные компоненты для получения завершенного решения, которое начинается с антенны, интегрирует верхние и нижние слои стека Bluetooth , поддерживает слои поддержки приложения ( GAP , SDAP и SPP ) и завершается интерфейсом связи с управляющим (главным) процессором ( HCI ). LMX9820A характеризуется малым посадочным местом (10.1 x 14.1 x 2.0 мм), что существенно упрощает проектирование компактных систем. Кроме того , LMX9820A является предварительно сертифицированным решением . Благодаря этому достигается быстрота вывода конечной системы на рынок, при этом, гарантируется высокая степень совместимости и взаимодействия.

Функции управления радиосвязью и линией связи выполнены на основе 16-разрядного процессора CompactRISC и процессора управления линией связи ( LMP ). Данные процессоры работают со встроенными флэш-памятью и ОЗУ под управлением встроенного программного кода, который отвечает за выполнение всех Bluetooth-функций.

LMP удовлетворяет требованиям Bluetooth версии 1.1 и выполняет следующие функции:

• Поддержка типов сегментных пакетов 1, 3 и 5;
• 79-канальная схема генерации прыгающей частоты;
• Быстрая скачкообразная перестройка частоты (1600 скачков/сек);
• Управление энергопотреблением ;
• Корреляция кодов доступа и восстановление сегментной синхронизации.

Интегрированный стек верхнего слоя предварительно квалифицирован и содержит следующие протокольные слои: L2CAP, RFComm,SDP.

Встроенная программа обеспечивает полную автономность LMX 9820 A , исключая необходимость применения внешнего модуля с протокольным слоем Bluetooth . LMX9820A поддерживает следующие профили : Generic Access Profile (GAP), Service Discovery Application Profile (SDAP) и Serial Port Profile (SPP). Встроенные профили могут использоваться как интерфейсы с дополнительными профилями, выполняемые в главном процессоре. LMX9820A содержит конфигурируемую сервисную базу данных для ответа на запросы с поддерживаемыми профилями.

Модуль может работать как в подчиненных, так и в ведущем режимах работы (см. таблицу 2). В подчиненном режиме модуль работает автоматически, исключая необходимость внешнего блока управления. В прозрачном режиме работы данные, передаваемые через УАПП, не требуют представления в специальном формате и не воспринимаются интерпретатором команд. В режиме ведущего предлагается простой, но гибкий интерфейс для стандартных Bluetooth -операций, в т.ч. запрос, обнаружение службы и связь по последовательному порту. Встроенная программа поддерживает работу с максимум тремя подчиненными.

Рисунок 2. Структурная схема модуля LMX9820A

Таблица 2. Режимы работы модуля LMX 9820 A

Память

LMX 9820 A содержит 256 кбайт программируемой флэш-памяти, которая может использоваться, как для хранения программы, так и для хранения данных (констант). Флэш-память также содержит адрес ( BDADDR ) контроллера информационного доступа (MAC), совместимого с IEEE 802. За счет поддержки внутрисистемного программирования ISP пользователь может изменить содержимое флэш-памяти, как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации. Для хранения переменных и организации буферов данных в LMX 9820 A также встроено ОЗУ.

Порт управления и транспорта

LMX9820A содержит один универсальный асинхронный приемопередатчик (УАПП). Он поддерживает 8-разрядный формат данных с опциональным паритетом и одним или двумя стоп-битами. Скорость связи генерируется внутренне и программируется в процессе запуска. Альтернативно настройки скорости связи могут быть считаны из внутренней памяти. УАПП может работать на следующих скоростях: 2.4, 4.8, 7.2, 9.6, 19.2, 38.4, 57.6, 115.2, 230.4, 460.8 и 921.6 кбит/с. С помощью сигналов RTS , CTS поддерживается аппаратное управление передаваемым потоком.

Вспомогательные порты:

• Reset _5100 и Reset _ b # - входы сброса контроллера радиосвязи и радиотрансивера с активным низким уровнем, соответственно. Как правило, они соединяются вместе и подключаются к главному процессору для управления инициализацией (см. рисунок 3).
• Env 0 и Env 1 – выводы задания рабочей среды (см. рисунок 3).
• ISEL 1, ISEL 2 – входы инициализации интерфейса УАПП (см. рисунок 3).
• Lstat _0, Lstat _1, TX _ Switch _ P , Host _ wu - выходы состояния модуля и линии связи (см. [3, стр.15]).

При передаче команд управления через УАПП используется следующий формат данных:

Подробности по идентификаторам и кодам операций можно узнать в [3, стр. 27-31].

В заключение предлагается ознакомиться с типовой схемой включения модуля LMX 9820 A (см. рисунок 3). В ней для согласования с антенной установлен блокировочный конденсатор 6,8 пФ, хотя в зависимости от сопротивления выбранной антенны он может и не понадобиться. Очень важно, чтобы на плате с LMX 9820 A были корректно выполнены общие слои и фильтрация питания. Рекомендуется установить фильтрующие конденсаторы 10 пФ и 0,01 мкФ, как можно более близко к выводам питания ( H 2 и H 12). Цепи синхронизации также должны быть максимально близкими к модулю. Параметры нагрузочных конденсаторов Ct 1, Ct 2 зависят от параметров выбранного кварцевого резонатора (методика определения приведена в документации [3, стр.18]).

Рисунок 3. Схема включения модуля LMX9820A

Перечень ссылок:

1. Веб-страница по технологии Bluetooth на сайте компании National Semiconductor
2. Веб - страница по семейству Simply Blue National Semiconductor

Документация:

		593 Kb Engl Документация на модуль LMX9820A
		Rus Описание LMX9820A