毕业设计（论文）-基于蓝牙的温度与压力的无线监测设计.doc

目 录 1 绪论 .6 1.1 研究背景6 1.2 蓝牙应用现状7 1.3 研究的目的和意义7 2 系统方案的设计 .8 2.1 数据采集技术8 2.2 无线数据采集模块的构成8 2.3 系统方案设计9 3 硬件电路的设计.11 3.1 硬件元器件的选择.11 3.1.1 温度传感器 LM35D 与压力传感器 MPS20N0040D-D .11 3.1.2 显示屏 LCD1602 .13 3.1.3 蓝牙芯片 CC2540 14 3.3 硬件电路的设计.20 3.4 电路板的调试.28 3.4.1 发送节点的调试.30 3.4.2 接收节点的调试.32 4 总结和展望 34 4.1 总结.34 4.2 展望及今后工作的建议.34 致 谢 .35 参考文献 36 附录 A：发送节点原理图.37 附录 B：发送节点 PCB 顶层图.38 附录 C：发送节点 PCB 底层图.38 附录 D：发送节点 PCB 图.39 附录 E：接收节点电路图.40 附录 F：接收节点 PCB 顶层图.41 附录 G：接收节点 PCB 底层图.41 附录 H：接收节点 PCB 图.42 2 基于蓝牙的温度与压力的无线监测设计 摘摘 要要 蓝牙技术是近年来发展迅速的无线通信技术，以低成本、短距离无线连接为基础，为便携式电 子设备和固定式电子通信环境建立一个连接。利用蓝牙技术构建的无线数据采集传输模块，具有减 少系统间的电缆连接的优点，可以应用于构建数据采集系统、各种检测的场合。因此，研究蓝牙技 术构建的无线数据采集传输系统具有重大的现实意义和应用前景。 本文首先对蓝牙技术的概况、应用前景以及数据采集传输的基本构成等做了简单的介绍，设计 两种无线数据采集传输方案并加以比较。此基础上将两者相结合，提出了一种基于蓝牙芯片 CC2540 的无线数据采集传输系统的实现方案；完成了硬件电路的设计及电路板的制作、硬件的调试；完成 巴伦电路的设计及其相关数据的计算，以及天线匹配电路的微带线的设计。 关键词关键词 蓝牙技术，无线通信，无线传输 3 Based on Bluetooth Wireless Monitoring System Design of Temperature and Pressure ABSTRACT Bluetooth technology is a wireless communication technology which developed rapidly in recent years. Because the Bluetooth technology has low cost and short distance wireless connection, so it sets up a special connection for the portable electronic devices and fixed electronic communication environment. The wireless data acquisition and transmission module of Bluetooth, which can reduce the cable connections between the systems and can be used to construct a data acquisition system and a variety of detections. Therefore, the research of wireless data collection and transmission system of Bluetooth has great practical significance and application prospects. This paper made a briefly introduction of the overview, prospects of application and the basic structure of the data acquisition and transmission of Bluetooth technology at first, and then design of two kind of wireless data collection and transmission circuit and a comparision. Finally completed the following works based on the combination:put forward a implementation scheme of wireless data acquisition and transmission system based on the Bluetooth chip CC2540;completed the design of hardware circuit and the production of the circuit board;debugged and tested the hardware and data acquisition and transmission functions of Bluetooth system；learning the balun circuit design and related calculation of data, as well as the antenna matching circuit design of microstrip line. KEYWORDS The technology of Bluetooth，Wireless Communications ，Wireless Transmission 4 1 绪论 1.1 研究背景 蓝牙是一种短距离无线通信的技术规范。截止 2010 年 7 月，蓝牙共有六个版本 V1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0 。诚然，无论 1.1/1.2 版本的蓝牙产品，本身基本是可以支持 Stereo 音效的传输要求，但只能够作（单工）方式工作，加上音带频率响应不太足够， 并未算是最好之 Stereo 传输工具。而版本 2.0 是 1.2 的改良提升版，传输率约在 1.8M/s2.1M/s，可以有（双工）的工作方式。即一面作语音通讯，同时亦可以传输档案 /高质素图片，台湾有部分蓝牙 Dongle 已经有在市面发售，但在手机内有支持蓝牙 2.0 版本则是很少。蓝牙耳机能够真正使用的亦不多，部分蓝牙产品自称是 2.0 版本，但仍 然要利用外加配件才能达到。故相信最快也要到今年 911 月底才成气候，2.0 版本当 然也支持 Stereo 运作。2010 年七月七日 蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)正式采纳蓝牙 4.0 核心规范（Bluetooth Core Specification Version 4.0 ） ，并启动对应的认证计划。 目前应用最为广泛的是 Bluetooth 2.0+EDR 标准，该标准在 2004 年已经推出，支持 Bluetooth 2.0+EDR 标准的产品也于 2006 年大量出现。2009 年 4 月 21 日，蓝牙技术联 盟(Bluetooth SIG)正式颁布了新一代标准规范“Bluetooth Core Specification Version 3.0 High Speed“(蓝牙核心规范 3.0 版 高速)，蓝牙 3.0 的核心是“Generic Alternate MAC/PHY“(AMP)，这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态 地选择正确射频。最初被期望用于新规范的技术包括 802.11 以及 UMB，但是新规范中 取消了 UMB 的应用。作为新版规范，蓝牙 3.0 的传输速度自然会更高，而秘密就在 802.11 无线协议上。通过集成“802.11 PAL“(协议适应层)，蓝牙 3.0 的数据传输率提高到 了大约 24Mbps(即可在需要的时候调用 802.11 WI-FI 用于实现高速数据传输)，是蓝牙 2.0 的八倍，可以轻松用于录像机至高清电视、PC 至 PMP、UMPC 至打印机之间的资 料传输。功耗方面，通过蓝牙 3.0 高速传送大量数据自然会消耗更多能量，但由于引入 了增强电源控制(EPC)机制，再辅以 802.11，实际空闲功耗会明显降低，蓝牙设备的待 机耗电问题有望得到初步解决。事实上，蓝牙联盟也正在着手制定新规范的低功耗版本。 此外，新的规范还具备通用测试方法(GTM)和单向广播无连接数据(UCD)两项技术，并 且包括了一组 HCI 指令以获取密钥长度。 据称，配备了蓝牙 2.1 模块的 PC 理论上可以 通过升级固件让蓝牙 2.1 设备也支持蓝牙 3.0。联盟成员已经开始为设备制造商研发蓝牙 5 3.0 解决方案。蓝牙技术联盟(SIG)2011 年表示，蓝牙 4.0 技术规范已经基本成型。蓝牙 4.0 包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝 牙和新的蓝牙低功耗技术。蓝牙 4.0 的 改进之处主要体现在三个方面，电池续航时间、节能和设备种类上。拥有低成本，跨厂 商互操作性，3 毫秒低延迟、100 米以上超长距离、AES-128 加密等诸多特色，此外， 蓝牙 4.0 的有效传输距离也有所提升。当前，蓝牙的有效传输距离为 10 米(约 32 英尺)， 而蓝牙 4.0 的有效传输距离可达到 100 米(约 328 英尺)。 目前，蓝牙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技术。葛立认为，蓝牙技术的普及 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。 1.2 蓝牙应用现状 蓝牙技术本身为一种通用的短距离无线连接协议，其应用领域可以简要概括为： 1、它可将手,笔记本电脑、打印机、电话机、摄像机、投影机等办公设备以无线方 式互联互通、从而实现安全的移动办公解决方案。 2、国际统一标准的蓝牙产品可是个人手机、电脑与电话网、综合业务网、ADSL 等公用通信网络实现高速无线连接，可以与 LAN、WAN、因特网等计算机网络实现互 联，在这些网络上浏览信息，共享资源以及各种电子业务。 3、它可使包括电视、音响、灯光控制设备、微波炉、洗衣机等在内的家用电器实 现无线连接，即构成一种别具一格的家庭网络，以便能够在此基础上实现对所有家电的 遥控监视。随着蓝牙拘束的继续发展和不断完善，蓝牙技术在其它诸如智能楼宇监控系 统，防盗报警系统，分布式测控系统等相关领域也有广泛的应用价值。 1.3 研究的目的和意义 温度检测是许多行业的重要工作条件之一，无论是粮食仓库、中药仓库、还是图书 保存，都需要在符合规定的温度环境条件之中，而温度却是最不易保障的指标。针对这 一情况，研制一款可靠、方便、易及时观测的温度检测系统就显得极为重要。本设计运 用传感器和 CC2540 的微处理器采集数据，通过蓝牙无线通信技术，实现基于蓝牙的温 度与压力的无线检测系统。 6 2 系统方案的设计 2.1 数据采集技术 数据采集是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术 是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着 科学技术的发展，尤其是计算数据采集技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发 展前景。 随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程 控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。然而， 外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例如温度、压力、速度等。 要将这些信息送入处理器处理，就必须先将这些物理量离散化，变成数字量，这个过程 就是数据采集。 数据采集就是将被测对象的各种参量通过各种传感元件做适当转换后，再经过信号 处理，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。 数据采集系统追求的最重要的目标有两个：一是精度，二是速度。对任何的测试都 要有一定的精度要求，否则就失去测试的意义；提高数据采集的速度不仅仅是提高了工 作效率，更重要的是矿大数据采集系统的使用范围，便于实现动态测试。 数据采集技术已经发展了很多年，并且在很多方面都得到了成熟的应用。随着通信 技术和单片机技术的发展，数据采集技术也得到了空前的发展，有各种各样的数据采集 卡、专用数据采集芯片等等。本论文是利用蓝牙芯片 CC2540 设计的数据采集，并可利 用蓝牙芯片的无线传输功能来实现数据的无线传输。 2.2 无线数据采集模块的构成 数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分分为模拟部分和数字部分。下面 来简单介绍一下数据采集模块的各个组成部分。 数据采集部分主要有传感器、A/D 转换器、微处理器几部分组成。其数据采集硬件 基本组成示意图如下： 7 图 2.1 数据采集硬件基本组成示意图 传感器是能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置 的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。它的作用是把非电的物理量变成模拟电量， 例如使用热电偶、热电阻可以获得随温度变化的电压；转速传感器常把转速转换为电脉 冲等。通常把传感器输出到 A/D 转换输出的这一段信号通道成为模拟通道。 2.3 系统方案设计 方案一：此方案是利用单片机来采集数据，并进行各种处理后传输给蓝牙模块，再 利用蓝牙模块的无线方式传输给蓝牙接收模块显示。其中单片机采用 AT89C51，蓝牙模 块使用 ROK101008。该系统的方案框图为： 图 2.2 数据采集传输部分 8 图 2.3 数据接收显示部分 方案二：本设计采用了 CC2540 蓝牙芯片集成的 MCU80C51 为微处理器，方便了 数据采集模块的设计。同时，这也增加了数据采集模块软件部分的难度，但是电路变得 较为简单。相对于方案一，此方案中 A/D 转换器和微处理器是利用 CC2540 蓝牙芯片里 集成的模/数转换器和 8051CPU 微处理器。这在很大程度上降低了电路功耗以及降低了 成本。该系统的方案框图为： 数据采集传输部分和数据接收显示部分由电池电源供电，安装在现场，可不受空间 限制实现温度与压力的无线监测。输入信号时传感器送来的模拟信号，此信号送入未处 理器分析和处理。 综上所述，考虑到电路的功耗、复杂程度，本次设计采用方案二。 3 硬件电路的设计 本次设计，采样精度可达 12 位。针对系统的初步设计性能指标，系统的设计方案 如下：此监测系统主要由数据采集传输和数据接受显示两部分组成。数据采集传输模块 按照数据分析系统发送的指令采集数据，并把数据以无线的方式发给数据接受系统，对 数据显示、分析和处理。 基于蓝牙的温度与压力的无线监测系统的总体方案是通过蓝牙芯片里的处理器发送 9 指令，采集数据并以无线方式传输给数据接收显示部分接收并显示。 3.1 硬件元器件的选择 系统硬件电路的设计中最重要的是元器件的选型，特别是主要元器件的选型。此硬 件电路的设计涉及输入信号范围、采样精度、分辨率等问题。以下就是选择的元器件和 相应的功能结构等的应用。 3.1.1 温度传感器 LM35D 与压力传感器 MPS20N0040D-D LM35D 是把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成一个集成温度传感器。 他是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，其灵敏度为 10mV/；工作温度 范围为 0-100；工作电压为 4-30V；精度为1。最大线性误差为0.5；静态 电流为 80uA。该器件如塑封三极管（TO-92）。该温度传感器最大的特点是是使用时无 需外围元件，也无需调试和较正（标定），只要外接一个 1V 的表头（如指针式或数字 式的万用表），就成为一个测温仪。此电压型温度传感器的工作原理方框图如下： 图 3.1 电压型传感器工作原理示意图 LM35D 是由 National Semiconductor 所生产的温度传感器，其输出电压与摄氏温 呈线性关系，转换公式如式下： C/mv10TtVou （1） 0 时输出为 0V，每升高 1，输出电压增加 10mV。在常温下，LM35 D 不需要额 外的校准处理即可达到 1/4的准确率。他可在 420V 的供电电压范围内正常工作非 常省电。其接脚如图所示： 10 图 3.2LM35 引脚图 MPS20N0040D-D 是一款 DIP 封装的产品。此电压型压力传感器工作原理如下图所 示： 图 3.3 电压型传感器工作原理示意图 此款产品被广泛应用于与气压相关的产品。并且具有良好的可重复性和长时间的工 作稳定性。它的工作电压为+5V，他是一种输出电压与压强呈线性关系的压力传感器， 其转换公式是： )(405 . 1tVoumvP （2） 图 3.4MPS20N0040D-D 内部结构图 其中，2 脚为电源，5 脚接地，3 为输出电压，4 脚悬空，在一般情况下将 1 脚和 6 脚短接作为负输出。 3.1.2 显示屏 LCD1602 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点 阵型液晶模块。它有若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以 显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔 每行之间也有也有间隔 起到了字符间距和 行间距的作用，正因为如此 所以他不能显示图形。1602LCD 是指显示的内容为 16X2, 即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和数字） 。1602LCD 内含复位电路， 也可以提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。字符 11 型 LCD1602 通常有 14 条引脚线或 16 条引脚线的 LCD，多出来的 2 条线是背光电源线 VCC(15 脚)和地线 GND(16 脚)。 表 3.1 LCD1602 引脚描述 3.1.3 蓝牙芯片 CC2540 引脚号引脚 名 电 平 输入/输 出 作用 1vss电源地 2vcc电源 3vee对比调整电压 4RS0/1输入0-输入指令 1-输入数据 5R/W0/1输入0-写入指令或数据 1-读取数据 引脚号引脚 名 电 平 输入/输 出 作用 6E1,1- 0 输入使能信号：1 时读取数 据，1-0 时执行指令 7DB00/1输入/输 出 数据总线 line0（最低 位） 8DB10/1输入/输 出 数据总线 line1 9DB20/1输入/输 出 数据总线 line2 10DB30/1输入/输 出 数据总线 line3 11DB40/1输入/输 出 数据总线 line4 12DB50/1输入/输 出 数据总线 line5 13DB60/1输入/输 出 数据总线 line6 14DB70/1输入/输 出 数据总线 line7 15A+vc c LCD 背光电源正极 16K接 地 LCD 背光电源负极 12 低能耗蓝牙技术专为低成本、低功耗短距离RF连接而设计，在这类应用中，需要重 点关注的是能耗(电流时间)，而不仅仅是电流。诚然，在传输数据量较大的应用中，由 于数据的传输处理耗时较长，因此通过缩短唤醒时间来优化能耗优势并不明显;而对于 只需很少数据量传输的应用而言，数据传输处理的时间较短，通过快速唤醒能够节省大 量的时间，从而降低能耗。因此，TI此次推出蓝牙低能耗解决方案特别适合于小数据量 传输的无线应用。其外内部结构框图如图3-1所示。 图3.5是CC2540 的方框图。这些模块大致可以分为三类：CPU 和内存相关的模块； 13 外设 、时钟和电源管理相关的模块，以及无线电相关的模块。下面给出了图3.5中出现 的 图 3.5CC2540内部结构图 各个模块的简短描述。 CC2540 芯片系列中使用的 8051 CPU 内核是一个单周期的 8051 兼容内核。它有 三种不同的内存访问总线（SFR，DATA 和 CODE/XDATA），单周期访问 SFR，DATA 和主 SRAM。它还包括一个调试接口和一个 18 输入扩展中断单元。 内存仲裁器位于系统中心，因为它通过 SFR 总线把 CPU 和 DMA 控制器和物理 存储器以及所有外设连接起来。内存仲裁器有四个内存访问点，每次访问可以映射到三 个物理存储器之一：一个 8-KB SRAM、闪存存储器和 XREG/SFR 寄存器。它负责执 行仲裁，并确定同时访问同一个物理存储器之间的顺序。 8-KB SRAM 映射到 DATA 存储空间和部分 XDATA 存储空间。8-KB SRAM 是 一个超低功耗的 SRAM，即使数字部分掉电（供电模式 2 和 3）也能保留其内容。这 是对于低功耗应用来说很重要的一个功能。128/256 KB 闪存块为设备提供了内电路可 编程的非易失性程序存储器，映射到XDATA 存储空间。 CC2530 包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。 调试接口执行一个专有的两线串行接口，用于内电路调试。通过这个调试接口，可 以执行整个闪存存储器的擦除、控制使能哪个振荡器、停止和开始执行用户程序、执行 8051 内核提供的指令、设置代码断点，以及内核中全部指令的单步调试。使用这些技 术，可以很好地执行内电路的调试和外部闪存的编程。设备含有闪存存储器以存储程序 代码。闪存存储器可通过用户软件和调试接口编程。闪存控制器处理写入和擦除嵌入式 闪存存储器。闪存控制器允许页面擦除和 4 字节编程。I/O 控制器负责所有通用 I/O 引脚。CPU 可以配置外设模块是否控制某个引脚或它们是否受软件控制，如果是的话， 每个引脚配置为一个输入还是输出，是否连接衬垫里的一个上拉或下拉电阻。CPU 中 断可以分别在每个引脚上使能。每个连接到 I/O 引脚的外设可以在两个不同的 I/O 引 脚位置之间选择，以确保在不同应用程序中的灵活性。 系统可以使用一个多功能的五通道 DMA 控制器，使用 XDATA 存储空间访问存 储器， 因此能够访问所有物理存储器。每个通道（触发器、优先级、传输模式、寻址 模式、源和目标指针和传输计数）用 DMA 描述符在存储器任何地方配置。许多硬件 14 外设（AES 内核、闪存控制器、USART、定时器、ADC 接口）通过使用 DMA 控制 器在 SFR 或 XREG 地址和闪存/SRAM 之间进行数据传输，获得高效率操作。定时器 1 是一个 16 位定时器，具有定时器/PWM 功能。它有一个可编程的分频器，一个16 位周期值，和五个各自可编程的计数器/捕获通道，每个都有一个 16 位比较值。每个 计数器/捕获通道可以用作一个 PWM 输出或捕获输入信号边沿的时序。它还可以配置 在 IR 产生模式，计算定时器 3 周期，输出是 ANDed，定时器 3 的输出是用最小的 CPU 互动产生调制的消费型 IR 信号。 MAC 定时器（定时器 2）是专门为支持 IEEE 802.15.4 MAC 或软件中其他时槽的 协议设计。定时器有一个可配置的定时器周期和一个 8 位溢出计数器，可以用于保持 跟踪已经经过的周期数。一个 16 位捕获寄存器也用于记录收到/发送一个帧开始界定 符的精确时间，或传输结束的精确时间，还有一个 16 位输出比较寄存器可以在具体时 间产生不同的选通命令（开始 RX，开始 TX，等等）到无线模块。定时器 3 和定时器 4 是 8 位定时器，具有定时器/计数器/PWM 功能。它们有一个可编程的分频器，一个 8 位的周期值，一个可编程的计数器通道，具有一个 8 位的比较值。每个计数器通道 可以用作一个 PWM 输出。 睡眠定时器是一个超低功耗的定时器，计算 32.768-kHz 晶振或 32.768-kHz RC 振 荡器的周期。睡眠定时器在除了供电模式 3 的所有工作模式下不断运行。这一定时器 的典型应用是作为实时计数器，或作为一个唤醒定时器跳出供电模式 1 或 2。 15 图 3.6CC2540引脚描述 表 3.2CC2540 引脚描述 引脚引脚类型描述 AVDD128电源（模拟）2-V3.6-V 模拟电源连接 AVDD227电源（模拟）2-V3.6-V 模拟电源连接 AVDD324电源（模拟）2-V3.6-V 模拟电源连接 AVDD429电源（模拟）2-V3.6-V 模拟电源连接 AVDD521电源（模拟）2-V3.6-V 模拟电源连接 AVDD631电源（模拟）2-V3.6-V 模拟电源连接 DCOUPL40电源（数字）1.8V 数字电源去耦。不使用外部电路供应。 DGND-USB1电源（数字）2-V3.6-V 数字电源连接 DVDD-USB4电源（数字）2-V3.6-V 数字电源连接 DVDD139电源（数字）2-V3.6-V 数字电源连接 DVDD210电源（数字）2-V3.6-V 数字电源连接 P0_019数字 I/O端口 0.0 P0_118数字 I/O端口 0.1 P0_217数字 I/O端口 0.2 P0_316数字 I/O端口 0.3 P0_415数字 I/O端口 0.4 P0_514数字 I/O端口 0.5 P0_613数字 I/O端口 0.6 P0_712数字 I/O端口 0.7 16 ADC 支持 7 到 12 位的分辨率，分别在 30 kHz 或 4 kHz 的带宽。DC 和音频 转换可以使用高达八个输入通道（端口 0）。输入可以选择作为单端或差分。参考电压 可以是内部电压、AVDD 或是一个单端或差分外部信号。ADC 还有一个温度传感输入 通道。ADC 可以自动执行定期抽样或转换通道序列的程序。 CC2540 相对于其他的蓝牙芯片具有以下的特性与优势： （1）单芯片集成解决方案可显著降低物理尺寸与成本； （2）基于闪存的器件支持器件固件现场升级，并可在片上存储数据，从而不断提高 灵活性，满足开发人员需求； （3）具有低功耗 RF IC、协议栈、基本软件以及应用支持的完整解决方案； （4）超低功耗，不仅可显著延长电池使用寿命，而且还有助于使用纽扣或碱性电池 （无需充电电池） 。 3.3 硬件电路的设计 通过以上说明，确定了元器件的选择，了解元器件的实际应用及其封装，用 P1_011数字 I/O端口 1.0-20-mA 驱动能力 P1_19数字 I/O端口 1.1-20-mA 驱动能力 P1_28数字 I/O端口 1.2 P1_37数字 I/O端口 1.3 P1_46数字 I/O端口 1.4 P1_55数字 I/O端口 1.5 P1_638数字 I/O端口 1.6 P1_737数字 I/O端口 1.7 P2_036数字 I/O端口 2.0 P2_135数字 I/O端口 2.1 P2_234数字 I/O端口 2.2 P2_3/XOSC32K_ Q2 33数字 I/O端口 2.3/32.768 kHz XOSC P2_4/XOSC32K_Q 1 32 模拟数字 I/O 端口 2.4/32.768 kHz XOSC RBIAS 30 模拟 I/O 参考电流的外部精密偏置电阻 RESET_N20数字输入复位，活动到低电平 RF_N26RF I/ORX 期间负 RF 输入信号到 LNA RF_P25RF I/O TXRX 期间来自正 RFPA输入信的负号到RF 输LNA出信 号XOSC_Q122模拟 I/O TX32-MHz期间来自晶振引脚PA 的正1 或外RF部输出信号时钟输 入XOSC_Q223模拟 I/O32-MHz 晶振引脚 2 USB-N3数字 I/OUSB N USB-P2数字 I/OUSB P GND-接地接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。 17 PROTEL 软件绘制原理图。 （1）仿真器接口电路的设计 CCDBG 仿真器是世嵌科技推出的第二代仿真器，支持公司 CC 系列低功耗无 线收发器和片上系统芯片。可以通过 Flash Programmer 下载符合不同 RF SOC 要求的固 件程序。还可以配合世嵌科技 CC2540 等无线模块，实现完整的针对 315/433MHz 和 2.4GHz 频段，不同网络标准及协议的支持，使用户开发 WSN 和 ZigBee 应用的必备助 手。此款仿真器的 USB 接口用于连接机，即使不带串口的笔记本电脑也可以使用。 电路板上仿真器接口设计如下图所示： 图 3.7 仿真口电路设计图 其中，0 欧姆电阻在电路中没有任何功能，只是为了方便测输入电压值，可以接上 电压表，这样方便测输入电压。0.01uF 的电容起电源去耦作用，因为在此处电路有多个 单元公用同一个电源供电，为了防止个单元之间的耦合，需要加去耦电路。同时， 0.01uF 的电容在此处还有短路高频干扰信号的作用，防止高频干扰信号通过电源线传入 电路，干扰电路板的工作。 （2）CC2540 操作只需要极少的外部元件，应用电路如下图所示： 18 图 3.8CC2540 应用电路设计图 其外围元器件的作用及其用值如下表所示： 表 3.3CC2540 应用电路的器件值 19 在这部分的设计中特别要注意天线输入/输出匹配：当使用诸如单极子的一个不平 衡的天线时，应该使用一个巴伦来优化性能。巴伦还以使用低成本的分立电感和电容实 现。在此巴伦包括 L1，C8，L2 和 C6。当使用的是诸如折叠偶极子这样的平衡天线， 巴伦可以忽略。 巴伦是平衡转不平衡的匹配。从平衡的输入转为不平衡的输出，后端可以接滤波电 路，再接单端天线，形成一个射频收发电路。巴伦设计要求有精准的180相移，有最 小的差损以及相等平衡的阻抗。设计中常用到的巴伦电路有L-C巴伦、传输线巴伦、微 带印刷巴伦等，此次设计中采用的是L-C巴伦。 LC巴伦设计本质上是一个电桥，称为“格子形式”巴伦。电路中包含两个电容两 个电感，分别产生 90相移。 描述 值 C1内部数字稳压器的去耦电容1 F C232kHz xtal 负载电容15 pF C332kHz xtal 负载电容15 pF C4RF 匹配网络的部分18 pF C5RF 匹配网络的部分18 pF C6RF 匹配网络的部分1 pF C7RF 匹配网络的部分1 pF C8RF 匹配网络的部分1 pF C932kHz xtal 负载电容12 pF C1032MHz xtal 负载电容12 pF L132MHz xtal 负载电容2nH L2RF 匹配网络的部分2nH L3RF 匹配网络的部分1nH L4RF 匹配网络的部分3nH D132.768KHz D232MHz 20 巴伦电路如下图中框图所示： 图 3.9 巴伦电路 其中，RI 为平衡输入，RL 为不平衡输出，巴伦电路的 L、C 的值计算方法如下所述。 在工作平率时满足： fw2 (3) 式中 f=2.4GHz。 LIRRcZ (4) wZLc (5) cZwC1 (6) 从而，计算得 L1=L2=2nH，C6=C8=1pF。 RF 输入输出为高阻抗差分式，引脚分别为 RF_N 与 RF_P，内部含有 T/R 选择开关 电路，用于收发电路切换，这种切换操作大致需要 150S 的时间。本设计采用单极天 线，为了获得最好的通信性能，应采用非平衡变压器。分立器件 L1、C8、L2 以及 C5 构成非平衡变压器，用来连接差分输出端和单极天线。由于天线距离 RF 引脚有一段距 离，所以需要针对天线到 RF 引脚的反馈传输线设计阻抗匹配，由于是单极天线，所以 匹配阻抗为 50，这部分阻抗由非平衡变压器和 PCB 微带传输线组成。 32-MHz 晶振使用了一个外部 32-MHz 振荡器D2 和两个负载电容（C9 和 C10）。 32-MHz 晶振看到的负载电容由下式给定： pLCCCC109111 (7) 21 D1是一个可选的 32.768-kHz 晶振，有两个负载电容（C2 和 C3）用于 32.768- kHz晶振。32.768-kHz 晶振用于要求非常低的睡眠电流消耗和精确唤醒时间的应用。 32.768-kHz晶振看到的负载电容由下式给定： PLCCCC103111 (8) 由此可算得C9=C10=12pF，C2=C3=15pF。 （3）射频微带线的计算： 在射频部分的 PCB 板设计过程中，我们不仅要遵守 PCB 板设计和布线的一些规则， 还必须考虑射频电路的一些特征，合理布局，避免干扰。此外，微带线的设计也是射频 PCB 板的一个重点。 当电路的频率达到射频甚至微波的时候，电路之间的连线就要用微带线，微带线在 电路中的主要作用有两个：一是根据要求，设计具有一定特性阻抗 Z 的微带线，用以输 入输出信号或者连接电路，如果它与前端电路的输出阻抗和后端电路的输入阻抗匹配， 就可以使信号传输过程中的功率损耗减到最小；二是用微带线的阻抗特性，应用到电路 的输入、输出或级间匹配中。 在此次设计中包含 2.4G 的射频电路，其输入输出都要用到特征阻抗 Zo 为 50 欧姆 的微带线来和电路匹配。根据所选择的 PCB 板的性能来设计 50 欧姆的微带线，在材料 一定的情况下，微带线的特征阻抗取决于微带线的宽度 W，而这个 W 是根据 PCB 板的 介电常数 r ，板子厚度 h 等参数决定的。 444 . 1 ln 3 2 393 . 1 1 h w h w eff f o z z (9) 其中， h w e rr ff121 2 1 2 1 ， 8 . 376 o o f u z 是在自由空间的波阻抗， 微带线的长度公式如下： ff o e c l 4 1 4 1 (10) 在此设计中使用的是 FR4 覆铜板，其介电常数为 4.0-4.6（此次设计取 4.0） ，覆铜厚度 为 0.5，板厚度为 0.8mm。利用以上公式计算的微带线宽 0.5mm，长为 20mm。 22 3.4 电路板的调试 当电路板焊接完成后进行系统调试之前，首先调试好系统的各个模块，其中包括电 源电路、数据采集、无线传输电路。在这些模块的调试中要借助实验室现有的工具或软 件，例如万用表、示波器。仿真口等。看连线是否与逻辑图一致，有无短路、虚焊等现 象。器件的型号、规格、极性是否有误，接插方向是否正确。检查完毕，可用万用表测 量一下线路板正负电源端之间的电阻，排除电源短路的可能性。 图 3.10 数据采集传输电路板 图 3.11 数据接收显示电路板 蓝牙模块之间的调试主要是两个模块之间的通信。在两台计算机的两个串口在两个 23 蓝牙模块之间传输一些数据或文本，在两个蓝牙模块通信正常的情况下，一端用蓝牙模 块与计算机串口相连，另一端用设计好的蓝牙无线数据采集传输模块，结合简单的收发 软件进行调试。 在电路调试好后，通过仿真口接口电路把电路板与电脑连接，利用 TEXAS INSTRUMENT 软件观看调试结果。调试显示结果如下所述。 3.4.1 发送节点的调试 （1）将仿真器的另一端通过 10 芯仿真器线与发送节点底板的调试接口相连，注意 连接线头的朝向。 （2）通过 TEXAS INSTRUMENT 运行 Flash Programmer 程序，此刻会列出已经连 接的节点信息，同时，也可测试此节点可以擦除程序，如下图 3.12 所示： 图 3.12 发送节点无线通信能力的测试 （3）用同样的连接方式，也可测试出此节点可以写入程序。 24 图 3.13 发送节点无线通信能力的测试 （4）用同样的连接方式，通过此软件观察此节点中程序运行的情况：点击“Flash Image”最后面的添加文件的按钮，选择应用笔记-无线通信测试/CC2540-TxNode.hex 固件，Action 列表中选择“Erase，program and verify” ，确认无误后，观察测试结果- 软件提示：Error in HEX file verification。 由此可知，*.HEX 文件被引入此节点的过程中发生错误，因此无法正常运行此程序。 25 图 3.13 发送节点无线通信能力的测试 3.4.2 接收节点的调试 （1）将仿真器的另一端通过 10 芯仿真器线与接收节点底板的调试接口相连，注意 连接线头的朝向。 （2）通过 TEXAS INSTRUMENT 运行 Flash Programmer 程序，此刻会列出已经连 接的节点信息，同时，也可测试此节点可以擦除程序，如下图所示： 图 3.14 接收节点无线通信能力的测试 （3）用同样的连接方式，也可测试出此节点可以写入程序。 26 图 3.15 接收节点无线通信能力的测试 （4）用同样的连接方式，通过此软件观察此节点中程序运行的情况：点击“Flash Image”最后面的添加文件的按钮，选择应用笔记-无线通信测试/CC2540-TxNode.hex 固件，Action 列表中选择“Erase，program and verify” ，确认无误后，观察测试结果- 软件提示：Error in HEX file verification。 由此可知，*.HEX 文件被引入此节点的过程中发生错误，因此无法正常运行此程序。 27 图 3.16 接收节点无线通信能力的测试 4 总结和展望 4.1 总结 蓝牙技术是一种发展迅速的无线通信技术，以低成本、短距离无线连接为基础，为 便携式电子设备和固定式电子设备通信环境建立一个特别连接。利用蓝牙技术构建无线 数据采集传输模块，可以减少系统间的电缆连接，应用于各种场合，因此在工矿、仓库 具有广泛的应用前景。 为了实现对现场温度与压力的数据采集和短距离内数据的无线传输，本次设计设计 了一种基于 CC2540 的蓝牙无线监测系统。该系统与相关软件相结合，已经完成了硬件 的设计和调试工作。此次毕业设计中，学到了跟多元器件的应用方法和电路结构，诸如 多单元公用电源时的去耦、优化电路性能的巴伦电路以及天线匹配微带线的计算，更多 的是了解了 TI 公司的 CC2540 是一种低成本、低功耗短距离 RF 连接的设计。 4.2 展望及今后工作的建议 由于蓝牙技术具有体积小、功耗小、抗干扰等突出的优点，利用蓝牙芯片作为实现 无线通信的手段。总之，整个蓝牙协议结构简单，使用重传机制来保证链路的可靠性， 在基带、链路管理和应用层中还可实行分级的多种安全机制，并且通过跳频技术可以消 除网络环境中来自其它无线设备的干扰。 诚然，由于蓝牙技术是一种较新的无线通信技术和本人的知识面和时间上的局限性， 因而此蓝牙无线监测系统还存在许多问题，一下是有待进一步完善所需要做的一些工作： （1）通过修改系统线路及元件布局，使蓝牙模块工作稳定，能正确运行程序； （2）通过增加蓝牙芯片功率等级和改进天线等途径增加蓝牙无线传输的通信距离； （3）通过改进蓝牙无线数据采集传输模块的软件，不仅实现蓝牙点对点的传输， 而且还 i 可以实现与多个上位机进行点对多点的通信。 通过以上这些改进措施，蓝牙无线监测模块将有很强的使用性，所以该系统将会有 更大的应用前景。 28 致 谢 本设计的完成是在我们的指导老师胡驰老师的悉心指导和关心下进行的。从课题选 择、方案制定、工作实施到论文修改，无不参透着他的心血。在每次设计遇到问题时老 师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设 计的修改的整个过程中，花费了胡老师很多的宝贵时间和精力，在此向老师表示衷心地 感谢！老师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！ 感谢和我同一设计小组的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并 指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下能这样顺利地结稿， 在此表示深深的谢意。 感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此 之间姐妹般的感情，维系着寝室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我们 相处的很融洽，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再 聚在一起读书、听音乐，没关系，各奔前程，大家珍重。我们在一起的日子，我会记一 辈子的。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有 多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！ 29 参考文献 1 朱刚等编著，蓝牙技术原理与协议M，北方交通大学出版社，2002 年。 2 金纯，超低功耗（ULP）蓝牙技术规范解析M ，国防工业出版社，2010 年。 3 黄智伟编著，蓝牙硬件电路M，北京航空航天大学出版社，2005 年。 4 金纯等编著，蓝牙协议及其源代码分析M ，国防工业出版社，2006 年。 5 李明亮，邢斌，蓝牙硬件电路与蓝牙核心技术及应用M，北京电子科技出版社，2006 。 6 余生全，Bluetooth 协议栈 RFCOMM 协议层分析与设计J.小型微型机计算机系统J.2003(9)： (1037-1040) 7 梁军学，郁滨.Linux 蓝牙协议栈的 USB 设备驱动J.计算机工程，2008,349(9)：273-275. 8 李想，蓝牙 RFCOMM 协议分析与实现J，电子科技，2007(4)：(3540)。 9 李育林蓝牙技术的协议标准通信技术及应用J2007(8)：(6667) 。 10 丛延奇，刘英莉，基于 MCU 实现蓝牙与 PC 机之间 HCI 层传输J，电子技术应用，2004 年第 11 期：P43-P44。 11 何国泉，李跃忠，黄志红，基于 HCI 层的单片机对蓝牙模块的控制J，科技光产， 20051：P4345。 12 黄智伟编著，单片无线发射与接收电路设计，西安电子科技大学出版社J，2009 13 朱刚、谈振辉、周贤伟，蓝牙技术原理与协议，北方交通大学出版社J，2002 14 Chatschik.An Overview of the Bluetooth Wireless TechnologyJ,IEEE Communication Magazine,2001,12(2):86-94. 15 N.Golmie, N.Chevrollier，Techniques to improve Blueloolh performance in intefferenve environmentsJ，Proc.IEEE MILCOM,2001(1)：581-585. 30 附录 A：发送节点原理图 31 附录 B：发送节点 PCB 顶层图 32 附录 C：发送节点 PCB 底层图 附录 D：发送节点 PCB 图 33 附录 E：接收节点电路图 34 附录 F：接收节点 PCB 顶层图 35 附录 G：接收节点 PCB 底层图 附录 H：接收节点 PCB 图 36