一种远距离蓝牙模块的设计

一种远距离蓝牙模块的设计概述本文介绍了一种远距离蓝牙模块实现方式，主要通过在现有蓝牙芯片外加入开关控制电路、功放电路以及滤波电路等，使得蓝牙模块的传输距离从目前100米的理论值提高到1500米以上，以满足特殊应用场景的需求。序言根据蓝牙技术联盟（SIG）相关规定，蓝牙使用IEEE802.15协议，采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM频段。蓝牙的初衷就是短距离传输信号，传输距离小于10米，但随着技术的发展，SIG在2010年中期推出了蓝牙4.0的标准，其有效传输距离理论上可达到100米，100米指的是以蓝牙发射端为圆点半径为一百米的一个球状范围，但根据测试来看，在空旷无障碍的环境下，蓝牙4.0有效距离是70.36m--93.4m之间。蓝牙4.0虽然比传统蓝牙距离提高了近10倍，但还是没有办法满足远距离1000米以上的需求。所以要设计远距离的蓝牙模块，用通常蓝牙模块简单设计方式（蓝牙芯片+FLASH+普通陶瓷天线或PCB微带天线）是不可行的，必须要在普通设计电路的基础上加入开关控制电路、功放电路以及滤波电路等，同时程序要对这些电路进行合理控制，才能到达到远距离稳定通信的要求，由此可见这部分是远距离蓝牙模块设计的关键，如下重点对此部分的设计做详细介绍。总体设计硬件示意图：首先对以上硬件设计框图中所用的核心元器件做简单介绍。蓝牙芯片的选择，这里选用最新的蓝牙4.0芯片，蓝牙4.0实际是个三位一体的蓝牙技术，它将三种规格合而为一，分别是传统蓝牙、低功耗蓝牙和高速蓝牙技术，这三个规格可以组合或者单独使用。首先蓝牙4.0继承了蓝牙技术无线连接的所有固有优势，同时增加了低耗能蓝牙和高速蓝牙的特点，尤以低耗能技术为核心，大大拓展了蓝牙技术的市场潜力。目前蓝牙4.0技术已经得到非常普遍的应用，全球大约80%以上的手机都使用了蓝牙技术，其中将近100%的智能手机都已经使用了蓝牙4.0技术。蓝牙4.0技术普及为物联网的发展提供了一种技术选择，具有极大的发展空间。另外为了使系统简单，所选的芯片内部需要集成有MUC，FLASH，SRAM等，要可编程，同时具有UART，USB，SPI，PCM等外表接口，便于同主控芯片通讯，能进行语音和数字信号的传输。通过比较，这里可以选择CSR公司的产品，CSR公司是目前最大的蓝牙芯片的全球供应商，大约占有50%的市场份额，且十几年来一直处在蓝牙创新的前沿，其产品具有同类产品中最低的功耗和最佳的RF性能，比喻CSR8670，CSR8810等；RF开关芯片的选择，因为从蓝牙芯片的RF端出来只有一条射频线路，接收和发送的信号按分时复用的方式都经过该线路，而要使蓝牙模块能够传输更远的距离，只需要对发送信号加以方大，但同时接收信号不能有影响，所以必须选用一个带宽要达到2.5G以上，损耗小，开关时间短的高效率RF开关芯片；经过比较发现SkyWorks公司的GaAs集成SPDT开关芯片AS179-92是一款非常适合的芯片，该芯片插入损耗为0.4db,上升下降时间为10ns，带宽从300kHz–3GHz，主要用于WIFI和蓝牙RF部分。功放芯片的选择，蓝牙模块的传输距离取决于内部功放功率的大小，要达到远距传输，必须要选一款增益在20DB以上，功率在20dBm(20dBm=100mw2.4Ghz无线局域网标准)以上的放大器，同时要满足蓝牙传输的带宽（2.40GHz～2.48GHz）的要求。经过比较发现AdvancedMicroDevicesRF5189放大器比较适合；RF5189最大增益在25DB，最大功率在30dBm，且增益可以通过VREG引脚电压控制，在本设计中VREG电压通过I/O口控制开关，来达到调节电压的目的，从而使RF5189增益可调。RF5189在2.412GHz~2.482GHz频段增益变化幅度约为0.6dB，线性度较高。由于RF5189片内集成了输入输出端口的匹配电路与RF隔直电容，所以RF5189输入输出端直接加特性阻抗为50Ω的传输线进行信号的传输。其次对以上硬件电路的工作原理做简单描述。如上述在选择的蓝牙芯片上内已经包含了MUC，FLASH，SRAM以及可编程I/O，UART，USB，SPI，PCM等外表接口，另外包含了蓝牙基带处理器，只要加上外部晶体和电源以及EPROM芯片后，就能成为一个普通蓝牙4.0的控制系统，可以完成数据传输，语音传输等功能。为了达到远距离，就需要对发射信号放大，同时不影响接收信号，如图当蓝牙芯片需要发送数据时，其发射信号经过滤波器，去掉杂波，保留2.412GHz~2.482GHz频段内的有效信号，此时蓝牙芯片的I/O口控制SPDT-1和SPDT-2开关与放大器IC连接，连接在SPDT-1与SPDT-2之间的RX接收通道断开；信号经过SPDT-1开关，后到达PA，经过放大放大（这里放大增益可以通过蓝牙芯片的I/O口控制），再经过SPDT-2和天线座后，传到接外接2.4GHz天线上，通过天线将放大后的信号向周围空间发射；如果有对等的蓝牙模块接收到此信息，其就会反馈应答信号，此时蓝牙就要将状态调整为接收状态，蓝牙芯片的I/O口控制SPDT-1和SPDT-2开关与放大器IC连接断开，而连接在SPDT-1与SPDT-2之间的RX接收通道接通，外部信号通过天线，信号经过SPDT-1和SPDT-2以及滤波器后送到蓝牙基带处理器处理，按此方式蓝牙模块完成了一次收发数据的过程。连续这个过程，蓝牙模块就能与远距离的对等模块相互通信。最后介绍软件设计的关键点；由于蓝牙数据的处理程序，外设接口初始化处理程序，以及内部看门狗功能的设置等原厂已经都做好了，此处需要改动的地方主要是对SPDT-1和SPDT-2的控制，需要编程控制一个I/O口，在蓝牙收发的时候分别置高或者置低。另外需要编程控制3个I/O口来调节功放的增益，将3个I/O的真值表及对应的调节倍数放在外部EPROM中，便于不同用户通过外部接口修改，另外，EPROM还可以存放用户设定的启动状态，不如选用的波特率，蓝牙模块的主从工作模式，用户密码等信息，相当于PC机的注册表功能。通过修改以上几个部分的程序，一个远距离且可调的蓝牙4.0模块就能正常工作了。产品特性通过以上方式设计出的蓝牙模块主要有以下特性：1，传输距离远：在可视、无障碍、对等（相同特性的蓝牙模块）传输距离可达1000~1500米；2，功率可调：通过软件调整AP功率（范围2~30dBm），能使蓝牙模块在1500以下的任意距离内通信，能和普通10米或100米距离的蓝牙设备通讯。以并在功耗和距离之间达到一种平衡；3，接口丰富：可通过USB口，SPI口和UART口和主控系统通讯，采用UART通讯时，可外部设置串口传输波特率，支持各种标准波特率（1.2k、2.4k、4.8k、9.6k、19.2k、38.4k、57.6k、115.2k、230.4k、460.8k、921.6k、1.384Mbps），支持硬件流控制传输；带PCM音频口和多个可编程I/O控制接口，方便用户调用；4，多种工作模式:支持Park,Sniff,Hold和DeepSleep；另外，可以设定可外部设置主从工作模式。5，带状态指示：采用双色LED灯显示工作状态；应用领域鉴于本蓝牙模块的如上特性，它可用于各行业设备遥控与数据采集；医疗及工业设备分布式远程控制；程设备间实时无线数据传输；嵌入式无线数据采集与监控；超远距离无线数据传输；亦可作为一种电缆替代方案，实现串口信号与蓝牙信号之间的转换，从而实现设备间的远距离蓝牙数据传输。薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿羁膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃虿腿节蒆羈芈莄蚁袄芈蒆蒄螀芇膆蚀蚆袃莈蒃蚂袂蒁螈羀袁膀薁袆袁芃螆螂袀莅蕿蚈衿蒇莂羇羈膇薇袃羇艿莀蝿羆蒂薆螅羅膁蒈蚁羅芄蚄罿羄莆蒇袅羃蒈蚂螁羂膈蒅蚇肁芀蚁薃肀莂蒃袂肀肂虿袈聿芄薂螄肈莇螇蚀肇葿薀罿肆腿莃袅肅芁薈螁膄莃莁蚇膄肃薇薃膃芅荿螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃蚈肅肅薈薄蚂膇莁蒀蚁艿薇蝿螀罿荿蚅蝿肁薅薁螈膄莈薇螈莆膀袆螇肆蒆螁螆膈艿蚇螅芀蒄薃螄羀芇葿袃肂蒃螈袂膄芅蚄袂芇蒁蚀袁肆芄薆袀腿蕿蒂衿芁莂螁袈羁薇蚇袇肃莀薃羆膅薆葿羆芈荿螇羅羇膁螃羄膀莇虿羃节芀薅羂羂蒅蒁羁肄芈螀羀膆蒃蚆肀芈芆薂聿羈蒂蒈肈肀芅袆肇芃薀螂肆莅莃