Технология Bluetooth и ее реализация с помощью компонентов NXP

П. Борох (NXP Semiconductors)
Новости Электроники 17, 2007

Компания NXP – один из ведущих разработчиков Bluetooth-устройств. Рынок приложений Bluetooth-технологии постоянно развивается и включает сотовую связь, цифровое радио, GPS-навигацию, системы безопасности, системы учета и контроля. В статье рассмотрены как уже зарекомендовавшие себя на рынке Bluetooth-модули BGB203/BGB204, так и новинка – BGB210.

По данным IMS Research, ежегодный рынок приложений Bluetooth развивается стабильными темпами и в 2007 году достигнет примерно 900 млн устройств, а в 2010 - превысит 1,5 млрд. Примерно две трети Bluetooth-устройств, проданных в этом году, составят мобильные телефоны (к 2010 их доля незначительно уменьшится). Еще около 15% приходится на Bluetooth-гарнитуры, далее по 5-7% приходится на ПК, MP3-плееры и прочие устройства. Широким применением технологии в сотовых телефонах объясняется интерес поставщиков к миниатюризации и созданию комбинированных чипов, совмещающих Bluetooth с другими радиотехнологиями.

Компания NXP ориентируется на рыночные тенденции и считает перспективными решениями комбинации Bluetooth со следующими технологиями:

• FM-радио (как приема, так и передачи) для возможности воспроизведения звука, например, на автомобильном радио;
• цифрового радио DRM;
• технологией позиционирования GPS;
• технологией NFC (Near Field Communication, технология для идентификации и защищенного бесконтактного обмена информацией на расстояниях порядка 10 см - ориентированная на такие решения, как бесконтактные платежи и системы контроля доступа).

Компания разрабатывает различные комбинированные устройства, которые будут представлены на рынок в ближайшее время. В то же время, она намерена продвигать уже известные на рынке модели BGB203/BGB204 (рис. 1), которые являются одними из самых простых миниатюрных и экономичных существующих Bluetooth-модулей.

Рис. 1. Bluetooth-модуль BGB203
 

BGB203/4 представляет собой программно-аппаратный комплекс для Bluetooth-связи, который выполнен по технологии SiP (System-in-Package - система в едином корпусе).
 

представляет собой программно-аппаратный комплекс для Bluetooth-связи, который выполнен по технологии SiP (System-in-Package - система в едином корпусе).
 

Устройство включает радиочасть, стек протоколов (Link controller (LC), Link manager (LM)), протокол управления модулем HCI (Host Controller Interface). Модуль создавался для использования в стандартном ISM-диапазоне (сокр. от Industry, Science, Medicine) 2402...2480 МГц (сокр. от Industry, Science, Medicine). Производитель позиционирует модуль как Plug-and-Play-устройство. Это означает, что для нормальной работы модуля достаточно подключить к нему антенну и кварцевый генератор. Управление модулем осуществляет встроенный микропроцессор с архитектурой ARM7TDMI, содержащий Flash-память и SRAM-память. Модуль предоставляет интерфейсы PCM, RS232, USB и I²C. BGB203/4 соответствует первому классу Bluetooth и полностью совместим со спецификацией Bluetooth 2.0.

BGB203/4 позволяют добиться нового уровня интеграции. Пример тому - готовый Bluetooth-модуль в одном экономичном миниатюрном корпусе HVQFN размером всего 8х7х0,8 мм. Это самое компактное, полностью интегрированное полноценное Bluetooth-решение из всех предлагаемых на сегодняшний день. Модули BGB203/4 зарегистрированы в Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group - организация, занимающаяся как утверждением новых профилей, так и проверкой изделий сторонних производителей на соответствие спецификациям Bluetooth) как «компонент, прошедший предварительную проверку на соответствие техническим условиям». Аппаратная часть модуля включает потоковый контроллер с возможностью шифрования, генерацией и проверкой CRC, помехоустойчивым кодированием по методу FEC (Forward Error Correction) и контролем буферизации данных. Устройство одновременно поддерживает до семи клиентов (slaves), может одновременно подключаться к трем сетям типа Piconet, поддерживает переключения master-slave для новых узлов, входящих в сеть типа Piconet. Помимо этого оно поддерживает работу в сети типа Scatternet с одним клиентом (slave) в управляемой (master) сети типа Piconet, будучи клиентом (slave) в другой сети Piconet.
 

Управляющий процессор имеет чрезвычайно низкое энергопотребление. В него интегрированы 268 Кбайт Flash-памяти и 40 Кбайт оперативной SRAM-памяти. Процессор обладает возможностью программирования и имеет доступ к следующим ресурсам:

• GPIO-выводы;
• I²C-интерфейс;
• Многопортовый PCM-интерфейс (как линейный, так и логарифмический);
• UART с аппаратным контролем передачи данных и с поддержкой IRDA;
• Системные таймеры;
• JTAG-интерфейс для программирования flash-памяти;
• ETM7 для отладки в реальном масштабе времени.

Имеются расширенные возможности работы со звуком, от простого PCM-соединения до поддержки CVSD-кодирования (Continuous Variable Slope Delta Modulation), как по A-low, так и по m-low-алгоритмам. Модуль может одновременно поддерживать 2 SCO- (голосовых) соединения.

Основные характеристики модулей BGB203/204:

• 268k Flash-памяти (BGB203), 268k ROM (BGB204);
• HVQFN-корпус для поверхностного монтажа 7 х 8 х 1,3 мм (BGB203), корпус 7 х 7 х 1,0 мм (BGB204) (посадочные места идентичны);
• Выходная мощность - до +5,5 дБм; чувствительность приемника - не хуже -88 дБм;
• Готовый встроенный хост-контроллер и стек протоколов;
• Простой порт хост-интерфейса UART (RS-232);
• Минимум необходимых внешних компонентов (кварцевый генератор, конденсаторы и антенна);
• Минимальное энергопотребление, гибкое управление режимами низкого энергопотребления - для беспроводной гарнитуры удается реализовать время разговора до 10 часов при 150 мА батарее;
• Универсальный хост-интерфейс: DTE/DCE, software/ hardware/no flow control, полная поддержка управляющих сигналов модема
• Все установочные параметры могут быть записаны на флэш-память как стандартные при включении;
• Возможность прямой загрузки в режим «данные», минуя командный режим;
• Автоматический режим повторного соединения;
• Сертифицирован в Bluetooth SIG.

Производителем выпускаются две версии модулей BGB203, отличающиеся прошивками. Стандартный вариант, поддерживающий HCI-интерфейс, является универсальным средством доступа к возможностям Bluetooth. Но при этом логику работы профилей приходится реализовывать программно на более высоком уровне. Такое решение удобно, если стек соответствующих протоколов уже реализован, а ограничения на вычислительные ресурсы отсутствуют, как например, в КПК и коммуникаторах, управляемых операционной системой Windows CE. Однако для более узких, специализированных приложений такой вариант представляется не слишком удобным.

Если речь идет об устройстве на базе микроконтроллера, разработка соответствующей поддержки, пусть даже единственного профиля, оказывается дорогостоящей, с учетом того, что ресурсы таких систем, как и возможности отладки, ограничены. Было бы гораздо удобнее, если бы модуль сам производил основные операции по установлению соединения, передаче служебной информации и другие низкоуровневые операции, а внешний контроллер обеспечивал бы лишь самое общее управление модулем и передачу лишь непосредственно пользовательских данных без погружения в тонкости протоколов. Именно эта возможность реализована в модуле BGB203 с прошивкой 1SPP. В таком варианте прошивка модуля сама поддерживает минимально необходимые для работы профили GAP и SPP. Общее управление устройством осуществляется посредством AT-команд. Эти команды используются, чтобы задавать состояние модуля, получать информацию о его окружении, указывать скорость передачи данных и т.д. То есть модуль ведет себя как обычный модем. После конфигурирования оборудования подается команда перехода в режим данных, и затем стандартным образом осуществляется их прозрачная передача. Все прочие низкоуровневые операции модуль выполняет сам. Управление происходит по стандартному протоколу V.25. Предоставляются все необходимые сигналы DCD, RI, DTR, DSR, RTS и CTS, реализованные через GPIO-выводы (кроме двух последних, стандартных выводов). Скорость работы по последовательному порту может составлять от 9600 до 1000000 бод.
 

Это решение идеальным образом подходит для широкого круга индустриальных приложений, поскольку позволяет, без существенных затрат, организовать беспроводное соединение, фактически заменяющее стандартный интерфейс RS-232.
 

Не менее интересен модуль BGB210 (рис. 2), анонсированный NXP в июне 2007 г. Модуль выполнен в сверхкомпактном TFBGA-корпусе с габаритами 3,0х5,0х1,15 мм. Для реализации функционально законченного устройства требуется всего 35 мм² печатной платы.

Рис. 2. Bluetooth-модуль BGB210

Несмотря на миниатюрные габариты, модуль имеет достойные характеристики:

• Bluetooth 2.0 + EDR;
• процессор ARM7 со встроенными RAM и ROM;
• Выходная мощность - до +2 дБм; чувствительность приемника - не хуже -89 дБм;
• Диапазон рабочих температур от -40 до 85°C;
• Потребление в активном режиме (мода HV3, голос) 14 мА от единственного источника +1,8 В.

Для уменьшения проблемы интерференции в Bluetooth-модулях компанией NXP реализована функция «сосуществования» с интерфейсом 802.11 WLAN (использующих тот же, что и Bluetooth, диапазон частот). Данная технология является развитием методики Adaptive Frequency Hopping (AFH, Bluetooth Version 1.2) и позволяет во многом уменьшить, а при использовании WLAN-модулей компании NXP - исключить проблему конфликтов.

Поддержка разработчика
 

Для оценки Bluetooth-модулей NXP предлагает демонстрационную плату BGB203-1SPP (рис. 3).

Рис. 3. Демонстрационная плата BGB203-1SPP
 

К плате подключается два порта RS-232, работающих на скорости 115 кБод. Разъем USB используется только для питания. Может использоваться одна из трех антенн: SMT компании Tyco, антенна в виде отрезка печатного проводника или внешняя антенна, подключаемая через SMA-разъем. На плате также расположены светодиоды, отображающие состояние порта RS-232.
 

К демонстрационной плате прилагается CD-диск, включающий в себя описание платы, данные о компонентах, необходимые для построения законченного Bluetooth-устройства, схему и чертежи печатной платы, рекомендации по проектированию. Благодаря этой плате пользователь может существенно ускорить разработку собственного Bluetooth-устройства.