Новий Bluetooth радіомодуль LMX9838 від компанії National Semiconductor

1. література
2. Інші статті на цю тему:

Наши партнеры ArtmMisto

2008

Найчастіше технологія Bluetooth використовується для заміни проводового з'єднання з інтерфейсом RS-232 в системах передачі даних типу «точка-точка» [1]. При цьому найбільшою популярністю користуються Bluetooth-пристрої другого класу (дальність зв'язку 10-15 м). Незважаючи на те, що для більшості додатків профіль SPP (Serial Port Profile) виявляється достатнім, можливості технології Bluetooth простягаються набагато далі простої заміни двонаправленого проводового інтерфейсу. Вони дозволяють вирішувати завдання, пов'язані з передачею мови високої якості, пересиланням файлів між двома або більше ЕОМ, обміном даними між мобільним терміналом і безпровідною гарнітурою і багато іншого.

У разі застосування технологій Bluetooth в переносних пристроях вирішальними факторами стають габарити радиомодуля і можливість його вбудовування в системи з високим ступенем інтеграції.

В рамках даної статті розглянемо новий Bluetooth-радіомодуль LMX9838 (рис. 1), що випускається компанією National Semiconductor і відповідає вимогам другого класу по випромінюваної потужності.

Цей модуль був анонсований ще в жовтні 2006 року [2]. Спочатку передбачалося, що LMX9838 прийде на зміну своєму більш старому аналогу LMX9820. Але в результаті виявилося, що новий модуль значно перевершив свого попередника як за своїми можливостями, так і за технічними характеристиками.

Почнемо з того, що LMX9838 - високо інтегрований модуль Bluetooth, який містить контролер Bluetooth з версією специфікації 2.0, приймач діапазону 2,4 ГГц, кварцовий резонатор, антену, стабілізатор напруги і дискретні компоненти. Причому все це розробникам вдалося вмістити всередині корпусу розміром всього 10 × 17 × 2,0 мм.

Корпус модуля LMX9838 відноситься до типу BGA. Висновки представляють собою набір контактних майданчиків, розташованих на днище модуля (рис. 2). З одного боку, це дозволяє розміщувати модуль на платі максимально компактно по відношенню до сусідніх елементів, але з іншого - вимагає досить складного технологічного процесу пайки. При уважному вивченні документації на модуль LMX9838 [3] виявилося, що група контактів 41-70, розташована в середині днища, не задіяна. Виробник настійно рекомендує уникати розміщення провідникових доріжок або інших металевих поверхонь, в тих місцях, де ці контакти стикаються з платою. Контакти під номерами 33-40 також не використовуються, але виробник рекомендує задіяти їх для підвищення механічної міцності і стійкості з'єднання модуля з платою. Всі активні висновки з номерами 1-32 розташовуються по краях радиомодуля. Це залишає можливість використовувати модуль LMX9838 радіоаматорам, а також розробникам, які віддають перевагу ручний спосіб монтажу.

Складність технологічного процесу пайки модуля на плату в деякій мірі компенсується тим, що LMX9838 позиціонується як пристрій Bluetooth, яке може вбудовуватися в кінцеве додаток користувача без додаткового тестування і витрат на ліцензування.

Розробниками модуля LMX9838 були зроблені кроки щодо зниження енергоспоживання. По-перше, LMX9838 оснащений вбудованим стабілізатором напруги, що непрямим чином знижує споживання енергії. По-друге, за рахунок своєї модульної структури LMX9838 здатний управляти харчуванням своїх окремих блоків. Всього передбачено 6 основних режимів енергозбереження (рис. 3).

Функціонування складових блоків модуля LMX9838 в різних режимах енергозбереження приведено в таблиці 1.

Таблиця 1. Режими енергозбереження

У радіомодулів LMX9838 компанія National Semiconductor вперше впровадила одну зі своїх передових розробок, яка отримала назву Digital Smart Radio [3]. Її ідея полягає в застосуванні при обробці радіосигналу гетеродинної схеми з низькою проміжної частотою (2 МГц).

Спрощена схема гетеродинного приймача [4], вбудованого всередині модуля LMX9838, зображена на рис. 4. Спочатку приймається сигнал надходить в малошумящий високочастотний підсилювач. Потім відбувається виділення квадратурних складових I і Q сигналу шляхом одночасної подачі його на два змішувача. В одному змішувачі опрацьований сигнал множиться на сигнал гетеродина з нульовим фазовим зрушенням, у другому - на сигнал гетеродина, зрушений по фазі на кут 90 °. В результаті перемноження в обох гетеродина спектр вихідного сигналу роздвоюється: в ньому з'являються високочастотна (ВЧ) і низькочастотна (НЧ) складові. В даному випадку ВЧ складову спектра необхідно придушити. Для цього використовується фільтр проміжної частоти (ПЧ). Оскільки частота гетеродина становить всього 2 МГц, то відстань між ВЧ і НЧ складовими спектра виявляється мало (4 МГц) і завдання придушення ВЧ складової за допомогою традиційних засобів є досить складною. Однак інженерам National Semiconductor вдалося це завдання вирішити шляхом застосування в якості фільтрів ПЧ поліфазних рекурсивних фільтрів [5, 6], що володіють, як відомо, високою частотної вибірковістю (високою крутизною фронтів частотної характеристики) при невисокому значенні порядку (фільтр Баттерворта, 5-й порядок ).

Визначивши квадратурні складові I і Q, які виходять на виході фільтрів ПЧ, можна виділити огибающую радіосигналу за допомогою звичайної операції квадратурного підсумовування. Для виконання цієї операції служить детектор огинаючої. На вихід детектора надходить послідовність інформаційних біт, які можуть піддаватися подальшій обробці (фільтрація, посилення, декодування і т. Д.).

Ідея, закладена в основу розглянутого алгоритму обробки сигналу, проста. Але для свого виконання всередині мініатюрного чіпа LMX9838 вона зажадала від розробників та впровадження передових технологій в галузі радіотехніки. Зокрема, фізична реалізація більшості блоків схеми на рис. 4 (змішувачі, поліфазний фільтри, блок детектора обвідної) стала можливою завдяки використанню цифрової обробки радіосигналів, яка дозволяє досягати високих показників якості та вміщати кінцевий виріб в дуже компактних розмірах.

Цифрові технології також були застосовані і при формуванні сигналу передавача модуля LMX9838. Квадратурні складові I і Q, вихідного низькочастотного сигналу зберігаються в цифровому вигляді в спеціальних таблицях, розташованих в пам'яті ROM модуля LMX9838. При необхідності вміст таблиці зчитується і подається на квадратура ЦАП (IQ-DA Converter) [3]. Далі здійснюється перенесення спектра в ВЧ область, посилення сигналу і передача його в ефір.

Підтримка функціонування модуля здійснюється за рахунок вбудованого високошвидкісного 16-розрядної RISC-процесора (рис. 5) оригінальної розробки компанії National Semiconductor і контролера Bluetooth з версією специфікації 2.0. Обидва процесора оперують пам'яттю RAM загальним обсягом 16 кбайт, відведеної для зберігання даних, і пам'яттю ROM.

Розглянемо тепер можливості програмно-апаратних засобів модуля LMX9838. Завершеність рішення, пропонованого в рамках радиомодуля LMX9838, забезпечується включенням верхніх і нижніх шарів стека Bluetooth (рис. 6) з підтримкою протоколів L2CAP, RFCOMM, SDP і профілів прикладного рівня [7]: Generic Access Profile (GAP), Service Discovery Application Profile ( SDAP), і Serial Port Profile (SPP). До того ж модуль LMX9838 підтримує профілі Dial-up Networking Profile (DUN), Fax Profile (FAX), File Transfer Profile (FTP), Object Push Profile (OPP), Synchronisation Profile (SYNCH), Headset Profile (HSP), Hands- Free Profile (HFP), Basic Imaging Profile (BIP) і Basic Printing Profile (BPP), реалізовані на рівні зовнішнього (on Host) додатки.

Модуль містить вбудований інтерпретатор команд (рис. 6), що надходять по UART, який дає користувачеві можливість налаштовувати численні параметри модуля безпосередньо в процесі його роботи. Команди діляться на наступні групи:

• Управління виявленням сумісних пристроїв.
• Управління виявленням доступних сервісів.
• Управління з'єднанням з використанням профілю SPP.
• Налаштування параметрів з'єднання за замовчуванням.
• Управління режимами зниженого енергоспоживання.
• Контроль передачі звукової інформації.
• Управління виходом з режимів зниженого енергоспоживання.
• Конфігурація профілю послідовного порту SPP.
• Локальні настройки Bluetooth.
• Конфігурація локальних сервісів.
• Конфігурація локального устаткування.
• Команди ініціалізації.
• Управління програмованими входами / виходами GPIO.

Окремого розгляду заслуговує конфігурація інтерфейсу UART. Даний інтерфейс підтримує всі стандартні опції асинхронного послідовного порту і швидкості від 2400 біт / с до 921,6 кбіт / с. Параметри UART, як і інші численні параметри модуля LMX9838, використовувані для його ініціалізації в момент включення живлення, зберігаються в незалежній пам'яті EEPROM. Виставлення швидкості обміну даними по UART може здійснюватися двома способами:

1. За допомогою опціональних контактів (option pins) OP3 (контакт 16 на рис. 2), OP4 (контакт 26) і OP5 (контакт 25).
2. Значення швидкості зчитується з відповідної комірки EEPROM, куди воно попередньо записується за допомогою вбудованого командного інтерфейсу.

Різні варіанти настройки швидкості UART наведені в таблиці 2.

Таблиця 2. Варіанти налаштування швидкості UART

Модуль LMX9838 підтримує кілька різновидів з'єднання типу «точка-точка» (прозоре з'єднання, з'єднання з підтримкою команд та ін.) І з'єднання «точка-многоточка», що дозволяє модулю функціонувати в складі піко-мереж. Завдяки можливостям вбудованої пам'яті RAM можуть одночасно працювати 7 активних каналів ACL (Asynchronous Connection-Less) передачі даних Bluetooth, коли кожен пакет даних передається в ефір тільки один раз (такий спосіб організації каналу використовується в прозорому режимі при з'єднанні типу «точка-точка») , і один активний канал SCO (Synchronous Connection Oriented), коли при передачі кожного пакета даних проводиться перевірка контрольної суми і, якщо виявлено помилку, процес пересилання повторюється (такий спосіб організації каналу використовується для з'єднання типу « точка-многоточка »).

Для ознайомлення з численними можливостями модуля LMX9838, а також для налагоджувальних цілей компанія National Semiconductor випускає спеціальний демонстраційний модуль LMX9838 serial dongle (рис. 7) [8].

LMX9838 serial dongle є повністю готовим (plug and play) до самостійної роботи пристроєм. Має в своєму складі безпосередньо сам радіомодуль LMX9838, а також всі необхідні елементи для забезпечення його працездатності і взаємодії із зовнішніми пристроями за допомогою інтерфейсу RS-232. Харчування демонстраційного модуля може здійснюватися як від мережевого адаптера, так і від батарей. Для обох варіантів на платі передбачені спеціальні роз'єми. Діапазон вхідної напруги може коливатися від 5 до 6 В. Узгодження рівнів UART з рівнями інтерфейсу RS-232 проводиться за допомогою високошвидкісного драйвера MAX3225. Швидкість обміну даними з модулем LMX9838 по інтерфейсу UART встановлюється апаратно замиканням-відстань між джамперів J1, J2, J3. Можливі поєднання джамперів наведені в таблиці 3.

Таблиця 3. Можливі поєднання джамперів

На платі демонстраційного модуля присутні висновки для підключення зовнішнього мікроконтролера. Серед них знаходяться:

• стандартні висновки порту UART;
• «Земля»;
• висновок харчування 3,3 У;
• висновок для подачі імпульсу скидання (Reset) на модуль LMX9838.

Демонстраційний модуль LMX9838 serial dongle має спеціальний 6-контактний роз'єм для підключення плати розширення з аудіокодеком (плата додається, див. Рис. 7) і здатний приймати-передавати звукові дані з високою якістю.

За допомогою включеного в комплект поставки командно орієнтованого програмного забезпечення Simply Blue Commander користувач може конфігурувати модуль LMX9838 serial dongle під свої вимоги і відстежувати стан його поточної конфігурації.

Для демонстраційних і тестових цілей в комплект поставки також входить програмне забезпечення високого рівня SBSmart, забезпечене дружнім призначеним для користувача інтерфейсом і дозволяє в інтерактивному режимі виконувати над модулем LMX9838 serial dongle наступні операції:

• включати різні режими роботи модуля;
• задавати будь-які підтримувані їм профілі;
• змінювати деякі настройки;
• встановлювати з'єднання з Bluetooth-пристроями різного типу (бездротові гарнітури, КПК та ін.);
• використовувати модуль в якості модему для обміну даними різного типу (мова, файлові дані і ін.).

Узагальнюючи викладений матеріал, можна зробити наступні висновки. Bluetooth-модуль LMX9838 є на даний момент одним з найбільш перспективних (але в той же час і найбільш дорогих) пристроїв в своєму класі. Завдяки високому ступеню інтеграції, функціональності і компактності його можна рекомендувати насамперед для високотехнологічних мобільних додатків. Використання модуля LMX9838 дозволяє значно скоротити час розробки і виробництва кінцевого пристрою. Оскільки модуль вже має вбудовану антену і досить зручно розташовані контактні площадки для пайки, то він може зацікавити також радіоаматорів і розробників дрібносерійної продукції.

Демонстраційний модуль LMX9838 serial dongle в комплекті з супутнім обладнанням та програмним забезпеченням є цілком самостійним пристроєм широкого призначення. Його можна рекомендувати тим розробникам, які не мають можливості проектувати ланцюга харчування і узгодження модуля LMX9838 з зовнішніми пристроями і хочуть отримати закінчене рішення в мінімальні терміни.

література

1. Федоров В. Модулі Bluetooth в промислових додатках і системах збору інформації // Бездротові технології. 2007. № 3.
2. Бочарников І. BLUETOOTH-модуль LMX9838 від National Semiconductor // Новини Електроніки. 2007. № 10.
3. LMX9838 Bluetooth Serial Port Module. Data sheet. July 2007.
4. Момот Е. Г. Проблеми і техніка синхронного радіоприйому. М .: Связьиздат, 1961.
5. Єремєєв В. П., Матосов Е. В., Тімонін С. Г. Рекурсивні поліфазний цифрові фільтри. Computer Modelling and New Technologies 4, 2000. N 2.
6. Єремєєв В. П., Матосов Е. В. Квадратурні поліфазний фільтри. Збірник наукових праць РАУ. Рига, 1998..
7. Рестовіч А., Стоян І., Чубич І. Bluetooth технологія бездротового зв'язку і її застосування. Ericsson Nikola Tesla REVIJA 18 (2005) 1.
8. LMX9838DONGLE Hardware User Guide. Data sheet. March 2007.

Завантажити статтю в форматі PDF

Інші статті на цю тему:

повідомити про помилку