（微电子学与固体电子学专业论文）基于蓝牙的gsmgprs信息传输系统硬件设计.pdf

摘要 随着现代无线移动通讯技术的发展，g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，全球移动通信系统) 网络覆盖率不断提高，用户普及全国。尤其是 在现有的g s m 网络基础上又发展t g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，无线分组 服务) 技术，实现了在移动终端与计算机通信网络的路由器之间提供分组传递业务。 通过g s m g p r s 网络对现场设备进行远程监控，企业内部移动办公等业务时提供 了便捷灵活的工作模式，但是当一个地区有多个需要被监控或者需要访问企业网 络资源的对象，则需要增加建立多条g s m g p r s 网络连接，严重浪费网络资源同 时成本很高。 蓝牙是一种低功耗、短距离无线通信技术，其设计意图是取代现有的个人计 算机、打印机、传真机和移动电话等设备上接口的有线电缆。作为一项新技术， 蓝牙的主要优点是：可以方便地建立无线连接，代替传统的有线电缆连接；移植性较 强，适用面广；安全性较高且每一台蓝牙设备的地址全球唯一；支持微微网与分 散网等组网工作模式，应用范围广阔；此外，蓝牙设备功耗低，成本也较低，与 其他通信设备相比，设计开发较为容易。 本论文提出用蓝牙技术作为g s m g p r s 信息接入方式的方案，随后设计具体 传输系统来实现此方案。首先提出针对g s m g p r s 在部分移动数据业务应用上的 不足提出上述改进方案，通过对几种短距离无线通信技术的特性比较和蓝牙模块 与g s m g p r s 模块的应用方式的分析，论证了方案的可行性。随后进行系统主要 芯片的选型并设计出整体框架图，进行电路原理图和p c b 的设计。最后对系统作 了简要测试并提出了几点改进意见。 本课题研究的意义是用蓝牙局域网技术和g s m g p r s 的广域网无线移动接入 特性，将小范围内的短距离无线通信进一步接入大范围内的通信网络，从而实现 更加便捷的个人无线通信。系统地具体实现既包括一个q 2 4 0 6 无线模块还包括一 个蓝牙模块，构建成模块式g s m g p r s 无线m o d e m 。 关键字：蓝牙g s m g p r s 无线模块q 2 4 0 6 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，t h ec o n v e r a g e r a t eo fg s mn e ta n di t su s e r s a l lo v e rt h ee a r t h p a r t i c u l a r y ，g p r sn e tt e c h n i q u ei s d e v e l o p e do nt h eb a s eo fg s mn e t ，i m p l e m e n t i n gt h es u p p o r to fp a c k e tt r a n s m i s s i o n s e r v i c e i ts u p p o r tas h o r t c u ta n df l e x i b l ew o r km o d et h a tr e m o t em o n i t o rt h es c e n e e q u i p m e n ta n dc o m p a n yi n s i d em o b i l ew o r kb u s i n e s s ，h o w e v e r , w h e nt h e r ea r em a n y m o n i t o r e de q u i p m e n ta n dm a n yo b j e c tw a n tt oa c c e s st h ec o m p a n yn e tr e s o u r c e s ，m a n y c o n n e c t i o n sw o u l db eb u i l t ，w a s t en e tr e s o u r c e ss e r i o u s l ya n dh a v eah i g hc o s t b l u e t o o t hi sak i n do fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，s h o r td i s t a n c e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，i t sd e s i g ni n t e n t i o ni sr e p l a c et h ec a b l ew h i c hi np c ，p r i n t e r ， f a xm a c h i n ea n dm o b i l et e l e p h o n ei n t e r f a c e a san e w t e c h n i q u e ，t h eg o o dp o i n t so f b l u e t o o t ha r e ；s e t i n gu pw i r e l e s sc o n n e c t i o nc o n v e n i e n t ，r e p l a c i n gt r a n s l a t i o nc a b l e ， s t r o n gp o r t a b i l i t y ，e x t e n s i v ea p p l i c a t i n g ；g o o ds a f e t yi na d d i t i o nt h eg l o b a la d d r e s so f e v e r yb l u e t o o t he q u i p m e n ti ss o l e ，s u p p o r tm i c r o g r i da n ds c a t t e r g r i d ；m o r e o v e r ， b l u c t o o t he q u i p m e n th a v el o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t sa n d i t sd e v e l o pw a yi s s i m p l e rt h a na n t h e r t h et h e s i sp r o p o s eas o l u t i o nt h a tb l u e t o o t hi sr e g a r d e da st h ec o n n e c tt e c h n i q u eo f t h eg s m g p r si n f o r m a t i o n ，t h e nd e s i g nt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mt op r o v et h es o l u t i o n h r s tp r o p o s e dt h a ti nv i e wo fg s m g p r si nt h ep a r tm i g r a t i o nd a t at r a f f i ca p p l i c a t i o n s i n s u f f i c i e n c yp r o p o s e dt h ea b o v ei m p r o v e m e n tp r o g r a m ，t h r o u g ht os e v e r a lk i n do fs h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y sc h a r a c t e r i s t i cc o m p a r i s o na n dt h eb l u e t o o t hm o d u l ea n dt h eg s m g p r sm o d u l e sa p p l i c a t i o nw a y sa n a l y s i s ，h a sp r o v e nt h e p l a nf e a s i b i l i t y a f t e r w a r dc a r r i e so nt h es y s t e mm a i nc h i pt h es h a p i n ga n dd e s i g n st h e o v e r a l lf r a m ec h a r t ，d e s i g nt h ee l e c t r i cc i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a ma n dt h ep c b f i n a l l y h a dt h es y s t e mt e s t e da n dg a v es e v e r a li m p r o v e m e n tc o m m e n t sb r i e f l y t h em e a n i n go ft h i ss t u d yi st ou s eb l u e t o o t hl a nt e c h n i q u ea n dg s m g p r s w a nm o b i l ec o n n e c tt e c h n i q u e ，c o n j e c t i n gt h es m a l lr a n g el a nt o l a r g er a n g e w a n ，i m p l e m e n t i n gm o r ec o n v e n i e n ta n df a s tp e r s o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h e i m p l e m e n to fs y s t e mc o n s i s to faq 2 4 0 6w i r e l e s sm o d u l ea n dab l u e t o o t hm o d u l e ， c o n s t m c tm o d u l a t i n gw i r e l e s sg s m g p r sm o d e m 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：瓠毯日期趁鳗叠l 耳圈 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，l 年解密后适用本授权书。 本人签名：趔日期丝螫l 圃塑 导师签名：二柰式 ； 日期地遴i 目i 里目 心嵌 h o m e r f 的传输速率 为1 m b p s 或2 m b p s ，最多可支持6 个全 双工的语音信道 h o m e r f 技术非常适用于家庭网络环境，h o m e r f 技术侧重于p c 及其外 基于蓝牙的g s m g p r s 信息传输系统硬件设计 设所组成的无线局域网，主要针对低成本的家庭语音与数据的无线连接，不仅可 以组成家庭范围内的局域网，还可以将家庭中的各种电器设备通过相应的网络接 入点与公用交换电话网( p 1 1 b u cs w i t c ht e l e p h o n en e t w o r k ，p s l n ) 以及互连网相连。 当h o m e 嘣术采用p c m c i a 卡的形式实现时，其成本虽然比8 0 2 儿b 相对要低，但 还是无法与蓝牙相比。h o m e r f - 与i e e e s 0 2 “一样面向特定的应用领域，与蓝牙技 术并不冲突。 如上文所述蓝牙技术在定义时即以轻、薄、小为目标，而且蓝牙模块消耗功 率低，价格也能为大众接受，非常适合在小型便携式信息设备中使用。 l _ 在应用环境中，蓝牙不需要对准接收方向就可以传送数据，这是红外技术 不可比拟的： 2 8 0 2 1 l 技术在体积、功耗和成本上无法与蓝牙相比： 3 h o m e r f 技术没有公开且不适用于便携设备。 因而，本论文采用了蓝牙技术作为本论文课题的无线连接方式。 3 22 蓝牙g p r s 接入网参考模型 8 1 分析 介绍蓝牙g p r s 接入网参考模型。如图32 所示，它包括| 三【下几个部分： ls g s n ：s e r v i c e g p r ss u p p o r tn o d e ，g p r s 业务支持节点。s g s n 负责移动台m s 和g p r s 网络之间的通信，以及安全管理，会话管理控制，q o s 管理，逻辑链路管 理和计费数据的收集等，为移动台提供业务服务。 j - r i ，7 恤u 肺 。m 、 ，百拶1 一，f k 晖警。i 叫童：j * ，-。 气锨_ | 一二一- 圈32 蓝牙g p r s 接入网络参考模型 2 g g s n ：g a t e w a y g p r ss u p p o r tn o d e ，g p r s 网关支持节点。g g s n 为使用x 2 5 的分组数据网络和使用m 协议的因特网接入g p r s n 络提供接口，还包括为其他运 营商的g p r s 网络提供接口。同时提供移动性管理，数据路由与数据转换功能。 3p d n ：p a c k e td a t an e t w o r k ，数据包网络。 4h l r ：h o m el o c a t i o nr e 百s t e r , 归属位置数据库。 5m s c ：m o b i l es w i t c hc e n t e r ，移动交换中心。 6b s ：b a s e s t a t i o n ，基站，它对无线链路和媒体接入进行管理，l 利时负责移动终端 佩i s g s n 之问的数据包传输。 7m s ：m o b i l es 协f i o n ，移动台，它将同时支持电路交换与分组交换。 第三章系统方案及可行性分析 1 7 8 t e ：t e r m i n a l ，终端。 在这种方案中，整个接入网可看成由两部分组成，即蓝牙个人区域网络( n ) 和外部网。蓝牙个人区域网内的设备都经过m s 接入到g p r s 网络，并进一步连接 至l j i n t e m e t 。个人区域网内的所有设备都使用蓝牙m ，而且不需要对外部网的设备 做任何修改，就可以和外部网的m 主机通信。 m s 既可以用作路由器，又可作为蓝牙个人区域网与外部网络之间端到端通信 的透明管道。当m s 用作后者时，蓝牙个人区域网内的设备能发现的第一个路由器 是g g s n 。而m s 将它从激活的分组数据协议环境p d pc o n t e x t 中收到的地址分发 给t 1 3 。在这种情况下，m s 可能用作动态主机配置协议d h c p 联络单元，并为基于 不同p d p 环境的蓝牙个人区域网设备分发相应的p 地址。这些口地址也是从激活的 p d p 环境中获得的。因此，蓝牙个人区域网内的设备将看到一个d h c p 月艮务器，而 g p r s 网络中的g g s n 路由器也将会看到一个建立了各个p d p 环境的m s 。 当m s 作为前者时，整个蓝牙个人区域网可以被看成是一个p 子网。在这个子 网内，m s 仍然可以通过其d h c p 服务器功能来分发p 地址。而对蓝牙个人区域网 内的设备而言，m s 将是它们可以看到的第一个路由器。但是，由于m s 用作路由器， 所以g p r s 网络需要给它分配一个全球唯一的p 地址。而这可能意味着m s 需要执行 诸如网络地址解析和路由选择等功能，以便支持来自蓝牙个人区域网内的通信要 求。 所以要实现蓝牙与g s m g p r s 网络的连接，关键是m s ，将蓝牙局域网和 g s m g p r s 广域网相连接。这里考虑将蓝牙模块与g s m g p r s 模块设计到一个设备 中来实现。 从传统的移动网络的观点来看，基于蓝牙技术的p a n ( 个人区域网络) 开辟了一 条把移动网络扩展到用户领域的新途径。拥有到蓝牙p a n 接口的用户可通过移动电 话接入到i n t e r n e t 或公司的局域网。蓝牙技术与网络的接入将会使我们的通信更 加方便快捷。 3 2 3 蓝牙模块与g s m g p r s 模块的工作方式 一、蓝牙模块应用方式 与软件协议栈的两种实现方式相对应，蓝牙模块的应用可以分为：双c p u 应用【9 】 和嵌入式应用，采用这两种途径，我们可以非常方便的把蓝牙模块嵌入到笔记本 电脑、移动电话、数码相机，蓝牙耳机等多种设备中，构成各式各样的蓝牙产品。 下面主要分析双c p u 应用的两种方式。 1 采用u a r t p c m 方式 这种方式利用u a r t 作为数据通信接口，同时p c m 作为语音通信接口，应用 电路如图3 3 所示。当用u a r t 进行数据通信时，蓝牙模块是作为一个数字电路终 端设备，其传输速度受多种因素制约，要提高传输速度，首先要求主机端有高速 坚基于蓝牙的g s m g p r s 信息传输系统硬件设计 串口卡，同时也要求软件支持多种传输速度的选择。当采用p c m 作为语音通信接 口的时候，它的编码方式很灵活，可以采用c v s d 、a - l a w ( 欧洲) 和i s - l a w ( 美 国) 等三种格式，更加方便蓝牙语音产品的开发。 v c c 图3 3u a r t p c m 方式 2 采用u s b 方式 蓝牙模块u s b 应用电路如图3 4 所示，当使用u s b 接口时，模块以u s b 从属设备的形式存在并且不需要p c 资源，它满, 足u s b l 1 规范，同时兼容u s b 2 0 ， 最高速度可以达到1 2 m b p s 。其采用u s b 方式的应用电路如图3 3 图3 4u s b 方式 二、g s m g p r s 模块应用方式 通过市场调研s i m e n s 的t c 3 5 ，m c 3 5 系列，w a v e c o m 公司的q 2 4 0 0 和q 2 4 0 6 系列 g s m g p r s 无线模块。这些g s m g p r s 无线模块都具有很强的接口功能，如通信、 语音、s i m 机数据存储功能同时提供了丰富的接口资源，如：通用i o 、u a r t 、u s b 、 p c m 和i s p 等。 因此采用u a r t p c m 方式的蓝牙模块可与g s m g p r s 无线模块实现硬件上的 互连通信。充分论证了将蓝牙作为g s m g p r s 信息传输技术的可行性。 第三章系统方案及可行性分析 3 3 小结 1 9 本章首先针对g p r s 网络在移动数据业务上的不足之处，结合蓝牙技术在点对 多点组网上优势，提出采用蓝牙作为g s m g p r s 信息的接入技术的方案，使得任 何具有蓝牙功能的终端设备都可以通过这个方案接入无线广域网。并通过分析蓝 牙与其他短距离无线通信技术的对比，分析蓝牙g p r s 接入网参考模型，蓝牙模块 和g s m g p r s 模块的应用方式，确定了蓝牙技术与g s m g p r s 网络实现互连的可行 性。为下章具体系统设计提供了理论基础。 第四章系统硬件设计 第四章系统硬件设计 2 1 本章在上章蓝牙作为g s m g p r s 信息传输技术可行性分析得的基础上进行具 体电路的设计。首先对蓝牙模块与g s m g p r s 模块进行了器件选型， 并设计出系统的整体框图。随后进行具体功能单元电路与电源管理系统电路的设 计。最后对本系统进行p c b ( 印制电路板) 板级互连设计。 4 1 系统原理框图设计 4 1 1 蓝牙模块选型 蓝牙的技术规范除了包括协议部分外还包括蓝牙的应用部分( 即应用模型) 。就 实现的角度而言，蓝牙系统可以用h c i 作为分界，分为硬件模块和软件协议两部分。 硬件模块位于h c i 的下面，由射频( r d 模块，基带控制器( b a s eb a n d ) 币t l 链路控制器 ( l i n k e rm a n a g e r ) 组成，另外还需要有与主机联系的接口。蓝牙的无线收发部分所 采用的天线要求体积小、重量轻，一般采用微带天线。 蓝牙系统的软件实现部分，位于h c i 的上面，包括蓝牙协议栈上层的 l 2 c a p ，r f c o m m ，s d p 和t c sb i n 以及蓝牙的一些应用，可分为中间层协议和应用 层协议两部分，该两层协议的程序需要主机的处理器来支持，主机通过主机控制 器接1 2h c i 和底层协议协调。 下面将重点讨论的是蓝牙硬件模块的结构与性能。 对于硬件模块的实现而言，目前常见的方案一般由两种：两芯片组方案和单芯 片组方案。两芯片组即把：射频组件及基带组件，射频组件采用双极性工艺实现， 基带组件采用m o s t _ 艺实现。这种方案对芯片组件的功能划分清晰，降低了高频 和基带问的相互干扰，是目前多数芯片制造商所提供的方案，但它也有缺点，如 所需要的外围元件数量较多及印制电路板上所占空间较大，这些问题直接造成最 终实现的成本较高。有的公司则提出了单芯片组方案，利用片上系统s o c 技术把高 频部分和基带部分合为一体。如c s r 公司推出的该系列的每种单芯片全部采用 c m o s 技术生产。每个芯片包含基带d s p ，高频部分和全集成单元的多用途1 6 b i t a s i c 处理器。单芯片组体系结构的优点是减少了外围的分立元件的数量，且从总 体上降低了制造成本，具有一定的优势。下面分别介绍此两类实现方案： 一、两芯片组方案 目前市场上大多数的蓝牙芯片目前市场上大多数的蓝牙芯片都采用两芯片方 基于蓝牙的g s m g p r s 信息传输系统硬件设计 案，在射频模块中集成了频率合成单元、功放单元、l n a 、双工器、耦合器、巴 伦等射频组件。在基带部分包含微处理器、存储器、基带控制器等。详细的划分 方块图见图4 1 所示。 下面为几种两芯片蓝牙方案的具体情况： 爱立信公司研制的r o k l o l 0 0 7 0 0 8 蓝牙模块，工作频率范围为2 4 2 6 g h z ， 基带模块采用a r m 7 t d m i 微处理器，模块中包括存储器，2 t u a r t 通用通信接 口和基带控制器。 p h i l p s 公司推出的单片蓝牙r f 收发器p h 2 4 0 1 ，该芯片内集成了压控振荡器、 低噪声放大器、频率合成器、中波滤波器、功率放大器等电器，不需外接滤波器， 与它配套的基带芯片是m i t e l 公司的m t l 0 2 0 a ，m t l 0 2 0 a 内部包括有嵌入式的微控 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a d c 以及 用于和主机连接的u s b 和u 娘t 接口。 二、单芯片组方案 图4 2 为单芯片蓝牙硬件模块的结构图。它由微处理器、无线收发器、基带控 制器、静态随机存储器s r a m 、闪存f l a s h 、通用异步收发器u a r t 、通用串行接 1 2 1u s b ，语音编解码器c o d e c 及蓝牙测试模块组成。下面分别叙述各部份的组成及 功能。 第四章系统硬件设计 图4 2 单芯片蓝牙硬件模块结构 ( 1 ) 蓝牙基带控制器 蓝牙基带控制器是蓝牙硬件模块的关键模块。它主要由链路控制序列发生器、 可编程的序列发生器、内部语音处理器、共享r a m 仲裁器及定时链管理、加密解 密处理等功能单元组成。其主要功能是：在微处理器模块的控制下，实现蓝牙基带 部分的所有适时处理功能，包括负责对接收的比特流进行符号定时提取和恢复；分 组头及净荷的循环冗余校验c r c ；分组头及净荷的前向纠错码f e c 处理和发送处 理，加密和解密处理等。且能提供从基带控制器到其它芯片的接口( 如数据路径 r a m 客户接口、处理器接口、脉码调制接口p c m ) 等。 ( 2 ) 无线收发器模块 无线收发器是蓝牙设备的核心，任何蓝牙设备都需要有无线收发器。它与普 通用途的无线收发器的不同之处在于体积小、功率小( 目前蓝牙无线收发器的最大 输出功率有( 1 0 0 m w , 2 5 m w ，l m w 三种) 。由锁相环、发送模块和接收模块等组成。 发送部分包括一个倍频器，且直接使用压控振荡器v c 0 调制；接收部分包括混频器、 中频放大器、鉴频器以及低噪音放大器等。无线收发器的主要功能是调制解调、， 帧定时恢复和跳频功能，同时还需完成发送操作和接受操作。发送操作包括了载 波的产生、载波调制、功率控制及自动增益控制a g c 等：接收操作包括频率调谐至 正确的载波频率及信号强度控制等。 ( 3 ) 微处理器( c p u ) c p u 负责蓝牙比特流调解和解调后的所有比特级的处理，且还负责控制收发 基于蓝牙的g s m ，g p r s 信息传输系统硬件设计 器和专用的语言编码和解码器。 ( 4 ) f l a s h 存储器和s 洲 f l a s h 存储器用于存放基带和链路管理层中的所有软件部分，s r a m 作为 c p u 的运行空间，在工作时把f l a s h 中的软件调到s r a m 中。 ( 5 ) 语音编刀挥码器c o d e c 语音编解码器c o d e c 由d a c 、a d c 、数字接口、编码模块等组成。主要功能 有：提供语音编码和解码功能、提供c v s d 一连续可变斜率增量调制及对数p c m 两 种编码方式。 ( 6 ) 蓝牙测试模块 它是由d u t ( d e v i c eu n d e rt e s t ) e l i 被测试模块与测试设备及计量设备组成。一 般测试设备和被测试设备构成一个微微网，测试设备是主节点，d i y f 是从节点。 测试设备对整个测试过程进行控制。其主要功能提供无线层和基带层的认证和一 致性规范，同时还管理产品的生产和售后的测试。 ( 7 ) u a r t 通用异步收发器和u s b 接口 功能：提供到h c i 主机控制器接口传输层的物理连接，是高层与物理模块进行 通信的通道。 下面为几种单芯片蓝牙方案的具体情况： t i 公司的b r f 6 1 0 0 将蓝牙基带控制、射频收发器、存储器( r o m & r a m ) n 及电 源管理集成到一个芯片上，构成一个完整的蓝牙无线通信收发系统。从而加强了 性能，降低了成本，缩小了芯片体积。 c s r 公司的b l u e c o r e 4 一e x t e r n a l 芯片是一个包含有无线电收发器和基带控制 器的单片蓝牙系统。支持8 m 位外部闪存，采用9 6 一b a l lv f b g a 和l f b g a 封装。其 内部结构如图4 3 所示。 在本系统中，考虑到简化开发、应用和产品测试和制造成本，故选用单芯片 蓝牙方案。同时，鉴于b l u e c o r e 4 一e x t e r n a l 芯片的外部f l a s h 存有c s r 蓝牙协议栈软 件便于构成音频与数据通信的完整蓝牙方案，而本设计的目的就是要实现蓝牙与 g s m g p r s 的音频与数据通信，故选用c s r 公司的b l u e c o r e 0 4 蓝牙芯片作为射频芯 片可大大简化开发难度。同时还需要设计该芯片工作所需要的电源电路、振荡器 电路、f l a s h 、r o m 和天线接口电路。 第四章系统硬件设计 l 衅环 龋 图4 3b l u e c o r e 4 一e x t e r n a l 简化的方框图 蓝牙的通信距离较短与它提出时所面向的应用领域有关，蓝牙作为一种短距 离无线互连方式，应用的场合绝大多数都是短距离( 小于1 0 m ) 互连，几乎所有的 蓝牙设备都是c l a s s 2 级别的，如蓝牙耳机、蓝牙打印机等等。目前商用的蓝牙芯片 的发射功率级别都是c l a s s 2 的，c l a s s l 的实现需要在芯片外部加射频功率放大器 ( 2 4 g h zp a ) 。c l a s s l 为1 0 0 左右、c l a s s 2 约为1 0 m 、c l a s s 3 约为2 一- 3 m ，如表 4 1 所示。一般情况下，其正常的工作范围是1 0 m 半径之内。在此范围内，可进行 多台设备问的互联。但对于某些产品，设备问的连接距离达到1 0 0 m 也照样能建立 蓝牙通信与信息传递 表4 1 蓝牙设备分类 为了扩大本系统的应用范围，所以采用最远的传输距离，即c l a s s 2 级别的蓝牙 模块。 故选用实验中设计的在b l u e c o r e 4 e x t e r n a l 基础上改进的b l u e c o r e 4 一c l a s s l 蓝牙 模块。满足蓝牙2 0 规范规定，射频输出类型为c l a s s l ，需要射频芯片外部放置p a ， 支持的接口如下：u s b 接口、u a r t 接口、p c m 接口、p i o 接口和s p i 接口。 蓝牙模块【1 0 】1 的电路原理图设计如图4 4 所示。选用x c 6 2 0 9 8 1 8 2 m r 芯片作 为电源部分的主芯片，完成将3 3 v 电压转换成1 8 v 的目的，因为b l u e c o r e 0 4 工 基于蓝牙的g s m g p r s 信息传输系统硬件设计 作电压是1 8 v 。选用滤波器m d r 7 4 1 f 和谐振器h h m 1 5 1 7 组成天线接口部分电 路。选用8 m b i t 的m b m 2 9 l 4 0 0 i b a - 9 0 p b t 芯片作为模块的f l a s hr o m 。模块选 用1 6 m h z 晶体振荡器t s x 1 0 为b l u e c o r e 0 2 提供参考的时钟。 图4 4b l u e c o r e 0 4 模块原理图设计 该模块满足b l u e t o o t hv 2 0 规范要求，可以提供全速蓝牙传输和完整的微微网 支持。模块采用3 3 v 的单电源供电，支持多种节能模式，可以直接使用v m ( v i r t u a l m a c h i n e ) 机制。实现系统功能所需要的外围元件极少，可以在没有外部处理器的情 况下完成蓝牙的功能。 4 1 2g s m g p r s 模块选型 一、g s m g p r s 模块选型 无线通信模块是一些无线通信厂家把一般通信产品的核心部分，包括m c u 、 电源系统、数据存储、控制与显示、语音处理等功能，特别是把技术难度最大的 高频电路部分和射频部分都集成在无线通信模块内部，不同通信产品的开发只是 在同一模块的基础上增加少量的外部电路，主要是软件的更新和修改，从而使硬 件的开发难度和开发风险大大减小。 目前常见的比较有代表性的g s m g p r s 模块主要有w a v e c o m 公司的q 2 4 0 3 年1 i q 2 4 0 6 系列无线c p u ，s i m e n s 公司的t c 3 5 、m c 3 5 和x t 5 5 模块等。 s i m e n s 公司的t c 3 5 模块主要由g s m 基带处理器、g s m 射频模块、供电模块 ( a s i c ) 、闪存、z i f 连接器、天线接口六部分组成。作为t c 3 5 的核心，基带处理器 主要处理g s m 终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟 和数字功能。 第四章系统硬件设计 法国w a v e c o m 公司是一家全球领先的无线嵌入式通信解决方案供应商，同时 又是无线c p u ( w i r e l e s sc p u ) 年t l o p e na t 软件的尝试这个推动者。而o p e na t 软件是 w a v e c o m 公司自己开发的嵌入式操作系统，嵌入式集成开发环境和嵌入式插件的 软件组合。通过集成在硬件平台上的无线c p u ，以及附带的o p e na t 软件，用户可 以将其应用程序嵌入到无线c p u 上，从而改变了把传统的无线通信模块仅作为单 独的、简单的调制解调器的状况。 w a v e c o m 公司的q 2 4 0 6 t 1 2 1 系列无线c p u 是工业级双频g s m g p r s 无线c p u ，适 合应用于各种条件较为恶劣的场合。该系列产品提供了丰富的片内外设，如g p i o 、 1 2 c 总线、s p i 总线和d 转换器等。另外，w a v e c o m 公司提供了相应的嵌入式应用 程序开发平台，可大大降低软硬件开发的难度，提高开发效率。其主要性能有： a ) 该芯片为双频g s m g p r s 模块，执行e t s i g s mp h a s e2 + 的标准，在9 0 0m h z 时，功率为2 w ，1 8 0 0m h z 1 9 0 0m h z 时为1w 。 b ) g s m 电路数据传真功能：数据线路异步、透明与非透明，最高传输速率可达 1 4 4k b i t s ；自动传真g r o u p 3 ( c l a s s1 2 ) ，通话和传真转换，i r d a1 2 a 协议。 c ) g p r s 信息包数据功能：g p r sc l a s s l o ，采用c s i 至u c s 4 编码方案，支持 p b c c h 。 d ) 点对点( m t m o ) 年f i 短消息区域广播，回复呼叫信息，通话或紧急呼叫，最高 速率，升级最高速率和半速率，回声消除和噪声削减，全双工免提。 鉴于以上q 2 4 0 6 无线c p u ( 无线模块) 本身的性筋u w a v e c o m 公司提供了可大大 降低系统研发的开发平台，提高研发效率上，故选取q 2 4 0 6 无线c p u 作为 g s m g p r s 子系统部分的主芯片。 二、q 2 4 0 6 无线c p u 介绍 q 2 4 0 6 系列无线c p u 由两部分组成：一是基带部分，用于实现一些系统功能i 如电源管理、存储管理和接1 2 1 管理等；二是射频( 豳部分，用于接收或发送信号。 图4 5 描述了q 2 4 0 6 系列无线c p u 的基带部分和r f 部分的功能结构。 灞 茵 供鬯电路li 宥i 鞭蓑口 电涟褥理 s l m 接口 l ，o 口投翩 揣换 s i m 控嬲 蠡 餮 图4 5 基带部分和r f 部分的功能结构 射 颡 穆 口 洲一一一一一一一一一一 墨蒸 基于蓝牙的g s m g p r s 信息传输系统硬件设计 q 2 4 0 6 系列无线c p u 的r f 部分遵循g s mp h a s e 规范，可以使用e g s m 9 0 0 和g s m l 8 0 0 的频段。e g s m 9 0 0 系统的频段为下行9 2 5 9 6 0 m i - i z ，上行8 8 0 9 1 5 m h z ；g s m l 8 0 0 系统的频段为下行1 0 8 5 1 8 8 0 m h z 上行1 7 1 0 1 7 8 5 m i - i z 。 q 2 4 0 6 系列无线c p u 的r f 部分由双频芯片组成。为了实现r f 功能，该双频 芯片包括：中低频接收器、双频r f ( 射频) 合成器、数字中柳基带转换嚣、偏置锁相 环发射器、对数攻放控制器和双频功放模块。 q 2 4 0 6 系列无线c p u 的基带部分是由p f l i l i p s v l s i 芯片构成。p h i l i p s - v l s i 芯片采用02 5 u m 的c m o s 技术，实现了大规模集成电路的低功耗设计。因此， q 2 4 0 6 系列无线c p u 适合应用在功率消耗要求较低的场合。 q 2 4 0 6 系列无线c p u 可以被集成在各种应用中，如手持设备，专业应用( 遥感 技术、多媒体等) 。对于专业应用，软件提供了用于控制模块的a t 指令集。 q 2 4 0 6 系列无线c p u 使用由引脚间距为05 m m 的6 0 引脚接口与印制电路板 连接。q 2 a 0 6 实物图如图46 所示： 圈46 q 2 4 0 6 尘物图 4 13 系统原理框图设计 在介绍物理层电路实现过程之前，先给出整个系统的框图以明确本系统所实 现的重点及其在整个系统中的位置，并对系统所要实现的无线数据传输功能加以 简单介绍。首先描述木系统所要实现的简化功能：用蓝牙模块( 图中用b t 模块表示) 取代鼓各问的通信电缆，为两台相互独立的电器( 比如一台p c 机和g s m g p r s 模块) 提供无线连接，使其相互间能够进行数据和语音通信。 如图47 所示：设备( v c 或移动电话) 和b 嘴块之间通过模块上的u s b 接u 、 r s 一2 3 2 串l i 或者p c m 接i ：1 连接，这样设各间的数据或语音通信通过模块实现无线 收发，该b t 模块为以b l u e c o r e 0 4 c l a s s i 蓝牙模块，g s m g p r s 无线模块为q 2 4 0 6 无 线模块。 厂 厂 陆苏i k 吲颢g s m 一。l j l l 藿咒 第四章系统硬件设计 图4 7p c 和g s m g p r s 模块通过蓝牙的连接 蓝牙模块与q 2 4 0 6 无线c p u 利用u a r t 作为数据通信接1 ：3 ，同时p c m 作为语音 通信接口。当用u a r t j 差行数据通信时，蓝牙模块是作为一个数字电路终端设备， 其传输速度受多种因素制约，要提高传输速度，首先要求主机端有高速串口卡， 同时也要求软件支持多种传输速度的选择。当采用p c m 作为语音通信接口的时候， 它的编码方式很灵活，可以采用c v s d 、a l a w ( 欧洲) 和p l a w ( 美国) 等三种格 式，更加方便蓝牙语音产品的开发。 本系统原理框架如图4 8 所示： 图4 8 系统原理框图 4 2 各功能单元电路设计 4 2 1 通用i o ( l e d 指示电路) q 2 4 0 6 系列无线c p u 提供了6 个通用i o 、4 个通用输出和1 个通用输入，用 于控制外部设备( 如l c d 、键盘背光源等) 。 f l a s h _ l e d 信号通过控制l e d 的闪烁频率。指示无线c p u 所处的状态。 f l a s hl e d 信号控制无线c p u 的激活状态，通过n p n 型的晶体管( d t c l 4 4 e ) 控制l e d 发光。如图4 9 所示 基于蓝牙的g s m ，g p r s 信息传输系统硬件设计 图4 9l e d 指示电路 4 2 2s m 卡部分电路 s i m 卡接口控制3 vs i m 卡，或通过外部的s i m 卡驱动器控制5 vs i m 卡。该 接口完成符合g s m l 1 1 关于s i m 卡功能的标准。s i m 卡接口有5 个引脚： + s i m v c c为s i m 卡提供工作电源； s i m r s ts i m 卡复位信号，使s i m 卡复位； s i m c l k时钟信号，为s i m 卡提供工作时钟； s i m d a t ay o 端口； s i m p r e s 用于s i m 卡检测。 为了防止静电，最好在s i m 卡槽的信号连接线上连接t v s ，并且要尽可能地靠 近s i m 卡卡座。小电容( 小于l o p r 的t v s 必须与s i m c l k 和s i m d a t a 相连，以 避免信号的上升沿和下降沿受到干扰，必须用到的电子器件都必须符合f t a 测试 规范。 需要注意的是，不使用s i m 卡时，s i m p r e s 必须与v c c 连接；使用s i m 卡 时，电平由低到高跃迁表示s i m 卡被插入，电平由高到低变化表示s i m 卡被移除。 q 2 4 0 6 系列无线c p u 通过s i m 卡卡座与s i m 连接。图4 1 0 为s i m 卡部分电 路。d 2 为二极管阵列，用于保护与数据线连接的电路部分免受e s d ( 静电放电) 影响。 第四章系统硬件设计 3 1 图4 1 0 s i m 卡部分电路 4 2 3 数据通信电路 4 2 3 1 异步串行通信 u a r t l l 3 1 是异步通信收发器的英文缩写，它遵守工业异步通信标准。目前大 多数嵌入式处理器配置了u a r t 接口，有的称为s c i 。异步通信允许处理器之间 的通信不使用公共的参考时钟。通信的双方使用相同的波特率，数据发送和接收 的单位是帧。帧是在通信线上传输的一系列的位。一帧由一个起始