无线通讯模块

无线通讯模块

无线通讯模块数据传输数据传输可简单分为有线(包括架设光缆、电缆或租赁电信专线)和无线(分为建立专用无线数据传输系统(433MHZ频段和2.4G频段)或借用CDPD、GSM、CDMA等公网信息平台)两大类方式。无线通信模块的优点

相比之下,利用无线数据传输模块建立专用的无线数据传输方法相对于其他方法具有以下优点。 下面介绍一下利用无线数据传输模块建立专用的无线数据传输方式相对于有线通信的优势。

1.成本低廉

建立有线通信方式需要架设电缆或挖掘电缆沟,需要大量的人力、物力。 然而,利用无线数据传输站建立专用的无线数据传输方法不需要架设电缆或挖掘电缆沟。 只需要在每个终端连接即可。 可设置无线数据传输站和适当高度的天线。 相比之下,利用无线数据传输模块建立专用的无线数据传输方式,节省了人力、物力,投资也相当经济。 当然,在一些短距离数据通信系统中,无线通信方式并不比有线方式便宜,但有时实际现场环境很难布线。 客户仍然会根据现场环境的需要选择无线方式来实现通信。

2.建设项目周期短

当相距几公里到几十公里的远程站点之间要进行连接和通信时,必须采用有线方式架设长距离电缆或挖长电缆沟。 这个项目周期可能需要几个月的时间。 利用数据传输模块建立专用无线数据传输的方法只需要架设适当高度的天线,工程周期仅需几天或几周。 相比之下,无线方式可以快速建立通信链路,项目周期时间大大缩短。

3、适应性好

有线通信的局限性太大了。 当遇到一些特殊的应用环境,比如山地、湖泊、林区等特殊地理环境,或者移动物体等布线困难的应用环境时,有线网络会受到影响。 布线工程具有极强的限制,而使用无线数据传输模块建立专用的无线数据传输方式则不会受到这些限制。 因此,利用无线数据传输模块建立专用的无线数据传输方式将比有线通信更好、更广泛。 适应性几乎不受地理环境的限制。

4.扩展性好

用户建立通信网络后,经常会因系统的需要而添加新的设备。 如果采用有线方式,需要重新布线,施工比较麻烦,并且可能会破坏原有的通信线路。 然而,如果使用无线数据传输站来建立专用的无线数据传输方法,则只需要新的设备和无线数据传输站。 系统的扩展可以通过相互连接来实现,相比之下具有更好的扩展性。

无线通信模块开发注意事项

模块必须使用信号调制才能正常工作。 可直接连接PT2262/2272等常见固定码编码设备。 这很简单。 由于是专用编码芯片,所以效果很好,传输距离也很远。

该模块的另一个重要用途是与单片机配合实现数据通信。 这时候就有一定的技巧了:

1、合理的通讯速度

数据模块最大传输数据速率为9.6KBs,一般控制在2.5k左右。 过高的数据速率会降低接收灵敏度,增加误码率,甚至根本无法工作。

2.合理的信息代码格式

微控制器和模块工作时通常会定义自己的传输协议。 无论采用何种调制方式,所传输的信息码的格式都非常重要,它将直接影响数据的可靠发送和接收。

推荐的代码组格式

前导码+同步码+数据帧,前导码长度应大于10ms,以避免背景噪声,因为接收模块接收到的第一位数据很容易受到干扰(即零电平干扰),导致接收到的数据错误。 因此,采用CPU编解码可以在数据标识位前添加一些乱码来抑制零电平干扰。 同步码主要用于区分前导码和数据。 它具有一定的特性,使得软件能够通过一定的算法识别出同步码,同时为接收数据做好准备。

数据帧不要使用不归零编码,更不要使用长0和长1。使用曼彻斯特编码或POCSAG编码等。

3、单片机对接收模块的干扰

当单片机模拟2262时,一般都是正常的。 但单片机模拟2272解码时,通常会发现遥控距离要短很多。 这是因为单片机时钟频率的倍增会对接收模块造成干扰。 51系列单片机的电磁干扰比较大。 2051稍小,PIC系列比较小,我们需要采取一些抗干扰措施来减少干扰。 例如,单片机和遥控接收电路分别由两个5伏电源供电,接收板由78L05供电。 单片机的时钟区域距离接收模块较远,降低单片机的工作频率,中间加屏蔽。

接收模块与51系列单片机接口时最好做隔离电路,这样可以更好地遏制单片机对接收模块的电磁干扰。

接收模块工作时一般输出高电平脉冲,而不是直流电平,因此无法用万用表测试。 调试时可以串联一个3K电阻的发光二极管来监控模块的输出状态。

无线数据模块与PT2262/PT2272等专用编解码芯片配合使用时,连接非常简单,只要直连就足够了,传输距离比较理想,一般可以达到600米以上。 传输距离造成的时钟干扰显着降低,一般实用距离在200米以内。

基于蓝牙芯片的无线通信模块的设计与开发

摘要:本文采用BlueCore2-External蓝牙芯片、FB2520带通滤波器、巴伦和LTCC陶瓷天线设计了一款蓝牙无线通信模块。 该通信模块可以替代电缆,有效应用于环境复杂多变的工业现场,实现现场设备、接入点、手持设备等设备的无线通信。 实际测试结果表明,本文介绍的无线通信模块运行稳定、工作可靠。

1 简介

蓝牙技术是一种开放式、短距离无线通信技术标准。 它工作在全球通用的2.4GHz ISM频段,采用跳频扩频技术。 实现各种数字设备之间灵活、安全、低成本、低功耗的数据和语音通信,实现全方位的数据传输。

工业现场环境恶劣,有些地方甚至工人难以进入,特别是一些工业环境禁止使用电缆(如超净或真空密封房间)或很难使用电缆传输数据(如高速旋转设备、高空设备、不舒适的布线(由于布线的强腐蚀和恶劣环境),此时采用蓝牙等无线通信技术代替电缆,实现现场设备与监控网络之间的数据传输可以有效解决以上问题。 为此,本文设计了一款适用于工业现场设备、接入点、手持设备等的蓝牙无线通信模块,该模块具有体积小、完全嵌入蓝牙协议、性能可靠、组网灵活等特点。 验证了蓝牙技术应用于工业控制系统的可行性。

3 蓝牙模块的硬件设计

蓝牙模块的硬件结构框图如图1所示,包括BlueCore2-External(BC212015)蓝牙芯片、SST39VF800 FLASH芯片、FB2520带通滤波器+balun、LTCC陶瓷天线等。电源由配套主控介绍设备,并通过电源模块的电平转换,为蓝牙主芯片、存储器、带通滤波器和平衡不平衡转换器提供所需的+3.3V和+1.8V电源。 下面将分别介绍各个模块。

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3.1 BlueCore2芯片介绍

蓝牙模块采用BlueCore2-External(BC212015)芯片。 BlueCore2是一款工作于2.4GHz ISM(工业、科学、医疗)频段、集成基带和射频的单芯片蓝牙芯片。

BlueCore2-External芯片的内部结构如图1所示。该芯片主要集成了32Kbyte片上RAM、DSP、MCU、RF前端和各种I/O端口。 各种I/O端口包括SPI、UART、USB、PIO、PCM、I2C等接口。 其中SPI、UART、USB接口主要用于传输数据; I2C总线用于链接EEPROM; PIO接口是可编程接口; PCM接口用于传输语音; BlueCore2中UART接口的最大传输速率为1.5Mbps,可以达到蓝牙标准中规定的723.2kbps的数据传输速率。

3.2 存储电路

由于蓝牙芯片没有自己的协议栈,因此需要扩展一块Flash来存储协议栈和应用软件。 本设计选用了Silicon Storage Technology(SST)公司的SST39VF系列之一,闪存型号为SST39VF800。 SST39VF800是SST多用途高精度CMOS闪存技术的成功范例。 它采用分立门电路元件设计和氧化沟道注入技术,大大提高了其存储可靠性,其工艺和性能远远优于其他竞争对手。 此外,SST还针对便携式设备专门优化了SST39VF800的性能,使其在运行时消耗更少的能量,执行程序更快,更适合便携式设备。 根据蓝牙协议栈的大小,采用8Mbit的SST39VF800,读取时间为70ns,工作电压为2.7~3.6V。 为了满足工业现场的严酷要求,选用了支持-20℃~+85℃工业温度范围的型号。

3.3 带通滤波器+巴伦(Balun)

通常射频发射机输出两个差分信号TX[_]A和TX[_]B,其输出特性是平衡(对称)的。 天线输出线采用50欧姆非平衡同轴电缆。 当同轴电缆直接连接到平衡系统时,不仅在同轴电缆的屏蔽层内部有高频电流,而且在屏蔽层外部也有高频电流流动。 但这样会造成不必要的耦合,造成很大的干扰,严重时甚至使周围设备无法正常工作。 因此,有必要在天线和发射机输出之间插入巴伦。 带通滤波器通常是无源器件。 其作用是滤除接收机不需要的频段信号,为低噪声放大器(LNA)提供选择性信号,以减少干扰。 本设计采用台湾ACX公司集成带通滤波器+平衡不平衡转换器的FB2520器件。 带通滤波器和平衡-不平衡转换器集成在一起,实现了更高的集成度,有效减少了电路板的占地面积。 面积方面,该器件具有体积小、插入损耗低等优点,能够很好地完成平衡端到不平衡端的转换以及带通滤波的功能。

3.4 电源模块 需要蓝牙模块

有3.3V和1.8V两种电压,其中1.8V为蓝牙芯片和带通滤波器+巴伦转换器供电,3.3V为FLASH芯片和蓝牙芯片的外围I/O引脚提供电压。 由于主设备引入的电压为3.3V,因此蓝牙模块上需要有DC-DC芯片来实现电压转换。 本设计采用手机中广泛使用的XC6204B182MR高速LDO转换芯片,将3.3V电压转换为1.8V电压。 该芯片最大输出电流为150mA,输出电压范围为1.8V-6V,完全满足蓝牙模块的供电需求。

3.5 晶振CSX-5032

选用的晶振是CSX-5032,它是在无铅表面上制作的贴片晶振单元。 高可靠性陶瓷密封封装保证了元件在高频下的稳定性和优异的可焊性,广泛应用于PHS、GPS手持设备、蓝牙、WLAN等。我们选择了16MHz型号,尺寸为5mmX3.2mm,频率25℃容差为+-10ppm,频率稳定度为+-5ppm。

4 蓝牙模块的软件设计

蓝牙模块的软件设计分为两部分:协议层加载和模块初始参数设置。 蓝牙协议为各种基于蓝牙技术的应用提供了完整的解决方案。 然而,针对不同的应用,一般只使用其中的少数几种蓝牙协议,而没有必要使用该协议各部分提供的全部功能。 。

4.1 协议层加载

如图2所示,由于该模块主要应用于工业无线通信,因此模块外部Flash中仅加载基带(包括LC)、LM和HCI(主机控制接口)协议层。 其中,HCI为蓝牙硬件中的基带控制器和链路管理器提供命令接口,从而实现对硬件状态寄存器和控制寄存器的访问。 特别是,该接口为蓝牙基带提供了统一的接入方式。 加载这些协议层模块实现了完整的蓝牙链路控制和嵌入式HCI协议,屏蔽了射频和基带两个硬件协议层。 未来的应用开发可以直接从HCI层开始。 通过封装HCI协议层,可以生成标准的HCI接口函数,为上层应用开发提供完整的平台。

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当外部主机具有UART或USB接口且蓝牙模块的信号电平与主机兼容时,无需添加其他辅助电路,蓝牙模块可直接与主机连接。

图3所示为主机与蓝牙硬件连接示意图。 主机控制器接口 (HCI) 提供用于访问蓝牙硬件功能的通用接口。 HCI 层通过访问基带命令、链路管理器命令、硬件状态寄存器、控制寄存器和事件寄存器来实现蓝牙硬件的 HCI 命令。 主机系统的 HCI 驱动程序和蓝牙的硬件 HCI 固件之间存在多个中间层,也称为主机控制器传输层,它们提供传输数据的能力。 该层的目标是透明的。 主控制器驱动程序不关心它是在 UART 还是 USB 上。 UART和USB无法处理主控制器驱动程序发送到主控制器的数据,因此主控制器接口和主控制器可以在不影响传输层的情况下进行升级。

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4.2 模块初始参数设置

蓝牙模块在加载各个协议层后无法工作,需要根据不同的硬件设计来设置模块的初始参数。 基于bluecore2蓝牙芯片的初始参数设置也称为PSK设置,可以通过BLUELAB集成开发环境或PS Key设置软件来实现,如下图所示,为ps key设置界面。

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5 蓝牙模块应用实例

如图4所示,以蓝牙手持操作器和蓝牙阀门定位器为例。 蓝牙模块与阀门定位器中的控制板进行串口(UART)全双工通信。 阀门定位器的阀位值、阀位上限等各种参数通过串口发送至蓝牙模块,并通过蓝牙无线通讯方式发送至蓝牙模块。 蓝牙手持通讯器,手持通讯器可以利用相关指令动态修改阀门定位器的相应参数,改变了传统的参数设置或修改方式。 阀门定位器中的蓝牙模块设置为被动链接模式。 设备启动后,阀门定位器会定期采集阀位值,并将其存储在设备的缓冲区中。 阀门定位器发送链接命令。 链接建立后,蓝牙手持通讯器将获取链接句柄。 之后进入如图5所示的监控界面,可以进行读取阀位值、阀位上限、写入上限三个功能。 每个功能执行时,手持终端发送控制命令,命令通过串口发送给蓝牙模块,包括蓝牙链接句柄、功能码(以上三个功能分别为0x01-0x03)和CRC校验区。 阀门定位器接收到控制命令后,首先通过判断链接句柄来确定是否接收命令,然后根据功能码执行相应的任务。 图5为通过蓝牙手持设备读取阀门定位器的阀门位置值。 此外,蓝牙手持通讯器还可以操作蓝牙电磁流量计、蓝牙温度变送器等设备。

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5 结论

现场测试表明,本文设计的蓝牙模块性能稳定、使用方便、实用性强,并具有一定的抗干扰能力。 它还可以根据需要在软件上进行升级,并且可以有效地嵌入现场设备中,代替电缆进行无线通信。 扩展了传统的有线工业控制总线,为工业监控网络提供了一种新的组网方式。

作者的创新点:采用BlueCore2-External蓝牙芯片、FB2520带通滤波器、balun、LTCC陶瓷天线等设计了蓝牙无线通信模块,并实际应用于蓝牙手持机和阀门定位器中,结果表明:该蓝牙模块性能稳定,实用性强。