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 целями. С помощью полного спектра решений — от высококачественных, оптимизированных интегральных схем до завершенных опорных разработок — решение задачи беспроводной связи становится простым и быстрым, позволяющим пользователю обойтись без глубокого изучения протоколов радиосвязи, а менеджерам проектов — без сертификации радиочастотного тракта.

Вмае 1998 года несколько компаний, обслуживающих рынки компьютерного и телекоммуникационного оборудования (Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia), официально представили специальную рабочую группу (SIG — Special Interest Group), перед которой была поставлена задача внедрения новой технологии беспроводной связи. Название технологии было дано в честь датского короля викингов Гарольда Синезуб (Harald Bluetooth), жившего в 910–940-х годах и объединившего Данию и Норвегию. Таким образом создатели намекают, что технология Bluetooth призвана объединять, в частности, компьютерный мир и мир портативной электроники.

В состав рабочей группы вскоре вошли 3COM/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 и на расстоянии до 10 метров. При этом поддерживается возможность передачи голоса.

Стандарт Bluetooth подразумевает использование FHSS — скачкообразной перестройки частоты (1600 скачков в 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. Каждое устройство имеет уникальный 48-битный 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 организован 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 этого 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 входит 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.

В состав первой группы входят микромодуль LMX5452 и радиотрансивер LMX5252. Они, в первую очередь, ориентированы на приложения с высокими техническими характеристиками, малым размером, низкой стоимостью и 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. Результатом 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 (рис. 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 и экономичностью и производятся по КМОП-технологии. Они обладают лучшим среди аналогов значением отношения «производительность/мА» на единицу стоимости.

Далее остановимся на более подробном рассмотрении основ построения и функционирования одного более перспективного модуля LMX9820А [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 рис. 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 FR4. 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, 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 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 функций Bluetooth.

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/с).
• 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 LMX9820A, за исключением 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, выполняемыми 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 (см. табл. 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 том числе запрос, обнаружение службы и связь по последовательному порту. Встроенная программа поддерживает работу с максимум тремя подчиненными.

Память

LMX9820A 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 LMX9820A 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 (рис. 3).
• Env0 и Env1 — выводы задания рабочей среды (рис. 3).
• ISEL1, ISEL2 — входы инициализации интерфейса УАПП (рис. 3).
• Lstat_0, Lstat_1, TX_Switch_P, Host_wu — выходы состояния модуля и линии связи [3].

Рис. 3. Схема включения модуля LMX9820A

При передаче команд управления через УАПП используется формат данных, представленный в таблице 3:

В заключение предлагаем ознакомиться с типовой схемой включения модуля LMX9820A (рис. 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 LMX9820A были корректно выполнены общие слои и фильтрация питания. Рекомендуется установить фильтрующие конденсаторы 10 пФ и 0,01 мкФ как можно ближе к выводам питания (H2 иH12). Цепи синхронизации также должны быть максимально близкими к модулю. Параметры нагрузочных конденсаторов Ct1, Ct2 зависят от параметров выбранного кварцевого резонатора (методика определения приведена в документации [3]).

Литература

1. http://www.national.com/appinfo/wireless/0,1822,891,00.html
2. http://www.national.com/appinfo/wireless/simply_blue.html
3. http://www.national.com/ds.cgi/LM/LMX9820A.pdf