基于蓝牙芯片技术的无线通信模块设计【详解】
蓝牙技术是一个开放性的、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，可以用于近距离通过无线连接的方式实现固定设备以及移动设备 之间的网络互连，在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小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，有些地方工作人员甚至难以接近，特别是一些工业环境禁止使用电 缆(如超净或真空封闭的房间)或者很难使用电缆来传送数据(如高速旋转的设备、高空设 备、不适于布线的强腐蚀恶劣环境)，这时采用蓝牙等无线通信技术代替电缆来实现现场设 备与监控网络间的数据传输就能有效解决上述问题。为此本文针对工业现场设备、接入点、 手操器等设计蓝牙无线通信模块，该模块具有体积小、完全嵌入蓝牙协议、性能可靠和组网 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。
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+平衡不平衡变换器、LTCC 陶瓷天线等。电 源由配套主设备引入，经过电源模块电平转换，为蓝牙主芯片、存储器、带通滤波器和平衡 不平衡转换器等提供所需的+3.3V 和+1.8V 电源。下面将对各个模块分别介绍。、
2.1 BlueCore2 芯片介绍
蓝牙模块采用了 BlueCore2-External(BC212015)芯片，BlueCore2 是英国CSR 公司推 出的一款工作在2.4GHZ 的ISM(工业、科学、医学)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。芯片内部主要集成有32Kbyte 片上RAM、 DSP、MCU、射频前端以及各种I/O 口。各种I/O 口包括SPI、UART、USB、PIO、PCM、 I2C 等接口。其中SPI、UART、USB 接口主要用来传输数据I2C 总线用于链接EEPROMPIO 接口为可编程接口PCM 接口用来传输语音在BlueCore2 中UART 接口的最大传输 数率为1.5Mbps，能够达到蓝牙标准中规定的723.2kbps 的数据传输数率。
2.2 储存电路
由于蓝牙芯片并不自带协议栈，需要外拓一块FLASH 用来储存协议栈和应用软件。本设 计中选用了Silicon 存储科技公司(SST) 的SST39VF 系列中的一款， 闪存型号为 SST39VF800。SST39VF800 是SST 多用途高精度CMOS 闪存技术的成功典范，它采用了分 立门电路的元件设计方式和氧化通道喷射技术，使得其存储可靠性大大提高，工艺和性能都 远优于其它竞争对手。此外SST 还专门为便携式设备进行了SST39VF800 的性能优化，使 得它在运行中的能耗更小，程序执行速度更快，更加适合便携式设备使用。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，为了适应工业 现场苛刻的要求选用了支持-20℃~+85℃工业级温度范围的型号。
2.3 带通滤波器+平衡不平衡转换器(Balun)
通常射频发射机输出的是TX_A 和TX_B 两路差分信号，其输出特性是平衡(对称) 的。而天线输出的电缆是采用50 欧姆的不平衡同轴电缆，同轴电缆直接与平衡的系统连接 时，同轴电缆不单屏蔽层的里面有高频电流，而且屏蔽层的外面也有高频电流流过，这样就 会引起不必要的耦合，造成许多干扰，严重时甚至使周围的设备不能正常工作。所以，有必 要在天线和发射机输出端之间接入平衡-不平衡转换器。带通滤波器一般是无源器件它的作 用是滤除接收机不需要的频带内的信号，为低噪声放大器(LNA)提供选择性信号起到减 小干扰的作用。本设计中采用了台湾ACX 公司的集成带通滤波器+平衡不平衡转换器的器 件FB2520，带通滤波器和平衡-不平衡转换器集成在一起集成度更高有效的减小了电路板的 面积，该器件具有外型小巧，插入损耗低等优点，能够很好的完成平衡到不平衡端的转换和 带通滤波的功能。
2.4 电源模块 蓝牙模块需要
3.3V 和1.8V 两种电压，其中1.8V 是为蓝牙芯片和带通滤波器+平衡不平 衡转换器供电，3.3V 是为FLASH 芯片和蓝牙芯片的外围I/O 脚提供电压。由于从主设备引 入的电压为3.3V，所以在蓝牙模块上需要DC-DC 芯片实现电压转换。本设计中采用了广泛 应用于移动电话的XC6204B182MR 高速LDO 转换芯片进行3.3V 到1.8V 电压转换，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电源需要。
2.5 晶振CSX-5032
选用的晶振为CSX-5032 为一款无铅表面制作的贴片晶体单元。具有高可靠性的陶瓷密 封封装确保了元件高频时的稳定性和卓越的可焊性在小灵通、GPS 手持设备、蓝牙、WLAN 等广泛应用。我们选用了一款16MHz 的型号，外型尺寸为5mmX3.2mm，25℃频率公差为 +-10ppm，频率稳定性为+-5ppm。
蓝牙模块的软件设计分为两个部分：协议层加载、模块初始参数设置。蓝牙协议为建立 于蓝牙技术之上的多种应用提供了完整的解决办法，但对于不同应用一般只用到蓝牙协议中 的某几个，而且对于每部分协议也不必用它所提供的全部功能。
3.1 协议层加载
如图 2 所示由于本模块主要应用于工业无线通信，所以在模块的外部FLASH 中只加载了 基带(包括LC)，LM 和HCI(主机控制接口)协议层。其中HCI 为蓝牙硬件中基带控制器 和链路管理器提供了命令接口，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 接口提供了对蓝牙基带的统一访问模式。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，以后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，为上层的应用开发提供一个 完整的平台。
在外部主机具有 UART 或者USB 接口，蓝牙模块与主机信号电平兼容的情况下，不需 要再添加其他辅助电路，本蓝牙模块就可以和主机直接相连。
无线传感器网络节点硬件的模块化设计
随着人们对于环境监测要求的不断提高，无线传感器网络技术以其投资成本低、架设方便、可靠性高的性能优势得到了比较广泛的应用。由于无线传感器网络节点需要实现采集、处理、通信等多个功能，因此硬件上采用模块化设计可以大大提高网络节点的稳定性和安全性。那么下面我就来讨论一下无线传感器网络节点硬件的模块化设计。
1 CC2430芯片简介
CC2430是一款工作在2.4 GHz免费频段上，支持IEEE 802.15.4标准的无线收发芯片。该芯片具有很高的集成度，体积小功耗低。单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。CC2430拥有1个8位MCU(8051)，8 KB的RAM，32 KB、64 KB或128 KB的Flash，还包含模拟数字转换器(ADC)，4个定时器(Timer)，AESl28协处理器，看门狗定时器(Watchdog-timer)，32.768 kHz晶振的休眠模式定时器，上电复位电路(Power-on-Reset)，掉电检测电(Brown-out-Detection)，以及21个可编程I/O接口。
CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA在接收和发射模式下，电流损耗分别为26.7 mA和26.9 mA休眠时电流为O.5 μA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
2 无线传感器网络系统结构
整个无线传感器网络由若干采集节点、1个汇聚节点、1个中转器、1个上位机控制中心组成，系统结构如图1所示。无线传感器网络采集节点完成数据采集、预处理和通信工作汇聚节点负责网络的发起和维护，收集并上传数据，将中转器下发的命令通告采集节点中转器负责上传收集到的数据并将控制中心发出的命令信息传递给汇聚节点控制中心负责处理最终上传数据，并且可以由用户下达网络的操作命令。
采集节点和汇聚节点由CC2430作为控制核心，采集节点可采集并传递数据，汇聚节点负责收集所有采集节点采集到的数据。中转器采用ARM处理器作为控制核心，和汇聚节点采用串口通信，以GPRS通信方式和上位机控制中心进行交互。上位机控制中心实现人机交互，可以处理、显示上传的数据并且可以直接由客户下达网络动作执行命令。
3 节点模块化设计
汇聚节点和采集节点在硬件配置上基本相同，采用模块化设计使得设计通用性更好。
每个节点主要由控制模块、无线模块、采集模块、电源模块4部分构成。
3.1 控制模块
控制模块主要由CC2430及其外围电路构成，完成对采集数据的处理、存储以及收发工作，并对电源模块进行管理。芯片CC2430包括21个可编程I/0口，其中8路A/D接口，可满足多路传感器的采集、处理需求。CC2430自带了一个复位接口，外接一个复位按键可以实现硬件初始化系统。32 MHz晶振提供系统时钟，32.768 kHz晶振供系统休眠时使用。
节点选用芯片FM25L256作为存储设备，这是一款256 Kb铁电存储器，其SPI接口频率高达25 MHz，低功耗运行以及10年的数据保持力保证了节点数据存储的低成本以及可靠性。
3.2 无线模块
无线模块负责节点间数据和命令的传输，因此，合理设计无线模块是节点稳定、高效通信的重要保证。
TI公司提供了一个适用于CC2430的微带巴伦电路，这个设计把无线电RF引脚差分信号的阻抗转换为单端50 Ω。由于该电路直接影响节点的通信质量，在使用前必须对其进行仿真验证。设计中选用ADS仿真软件进行仿真，采用了版图和原理图的联合仿真方法。仿真电路图如图5所示，微带电路为TI提供的微带巴伦电路，分立元件均选自村田公司元件库内的模型，严格保证了仿真数据的`真实性和可靠性。巴伦电路在工作频段内(2.400～2.4835 GHz)信号传输特性高效、稳定。
3.3 采集模块
采集模块负责采集数据并调理数据信号。本设计中，监测的是土壤的温度和湿度数据，采用的传感器是PTWD-3A型土壤温度传感器以及TDR-3型土壤水分传感器。
PTWD-3A型土壤温度传感器采用精密铂电阻作为感应部件，其阻值随温度变化而变化。为了准确地进行测量，采用四线法测量电阻原理，将电阻信号调理成CC2430芯片A/D通道能采样的电压信号。由P354运算放大器、高精度精密贴片电阻以及2.5 V电源构成10 mA恒流源。10 mA的电流环流经传感器电阻R1、R2将电阻信号转换成为电压信号，由差分放大器LT1991一倍增益将信号转换为单端输出送入CC2430芯片的ADC通道进行采样。
TDR-3型土壤水分传感器输出信号即为电压信号。传感器输出信号通过P354运算放大器送入CC2430芯片的ADC通道进行采样。
3.4 电源模块
电源模块负责调理电压、分配能量，分为充电管理模块、双电源切换管理模块、电压转换模块3个模块。本设计中采用额定电压12 V、电容量3 Ah的铅酸电池供电。
作为环境监测的无线传感器网络应用，节点需要在野外无人看守的情况下进行工作，能量补给是系统持续工作的重要保证。本设计采用太阳能电池板为节点在野外工作时进行电能的补给，充电管理模块则是根据日照情况以及电池能量状态对铅酸电池进行合理、有效的充电。光电耦合器TLP521-100和场效应管Q共同构成了充电模块的开关电路，可以由CC2430芯片的I/0口很方便地进行控制。
在太阳能电池板对电池充电时，电池不能对系统进行供电，因此设计中采用了双电源供电方式，保持“一充一供”的工作状态，双电源切换管理模块负责电源的安全、快速切换。如图10所示，采用了两个开关电路对两块电源进行切换。
在电源进行切换时，总是先打开处于闲置状态的电源，再关闭正在为系统供电的电源，因此会在一段短暂的时间内同时有两个电源对系统供电，这是为了防止系统出现掉电情况。
电源模块需提供5 V、3.3 V、2.5 V等多组电源以满足节点各模块的供能需求。由于系统电源组较多，电压转换模块采用了开关型降压稳压器以及低压差线性稳压器等多种电压转换芯片来对电源进行电压转换，同时要确保电源模块供能的高效性。
结语
节点的设计对整个无线传感器网络系统至关重要。本设计采用了功能强大的射频芯片CC2430作为核心管理芯片，能较好地完成数据采集、分析、传输等多个功能。硬件的模块化设计大大加强了节点的稳定性、可靠性和通用性，在野外无人值守的情况下无线传感器网络系统可以长期、稳定地进行环境方面的监测。
单片机和wifi模块的连接
单片机和wifi模块是通过UART来实现连接的，具体的连接方式如下图所示。
单片机和wifi模块使用相同的电源，单片机和wifi的通信端口在连接的时候要交叉连接，即单片机的TXD和wifi模块的RXD连接，单片机的RXD和wifi模块的TXD连接。硬件连接好后就可以编写程序了。
数据通讯协议的实现
两个设备要通信，必须遵循相同的通信协议。wifi模块内已经实现全栈的通信协议，是一个透传模块，所以单片机只要和wifi模块实现UART通讯即可。单片机通过UART向wifi模块发送AT指令即可实现对wifi模块的设置，通过AT指令可以实现波特率的设置、wifi模式的设置、用户名和密码等数据的修改。这些参数设置好后，单片机就可以通过wifi和手机进行通讯了。
f8l10d有两种复位方式：一是四信lora模块的主电源可以控制，关闭主电源，再重新上电；二是控制reset脚为低电平200ms，使模块硬复位，类似于处理器硬复位。这种方式一般用于电池供电的手持设备，如果这种方式无法恢复，可能需要手动断电。
制作无线供电模块
2017年9月6日 19:27:56 还是的Markdown编辑器好用啊可以直接粘贴图片不用一张张上传所以先发布在这了再搬到csdn上。
2017年9月5日 焊好两PCB板。测试无线供电成功，记录实测数据。
2017年6月 AD设计 PCB打样板 元件选购
发射模块原理图：
/EN_WP为使能端，未验证。//TODO 验证/EN_WP使能端
R14可适当改大些以节能。
接收模块原理图：
都是设计为最小单面板，如果设计双面板可以更省长宽，但高度略加。
发射模块PCB，其中间那个电容的周围可以设计松一些比较好焊接。
15mmx15mm:
接收模块PCB背面还有条GND线连接了大线圈和 输出端的地脚，如果做纯单面则把这线放正面下方，会使板子宽度略增。
21mmx14mm:
本PCB附着在圆形下推式磁悬浮平台（//TODO 见另一篇文）边上，可掰下来。
输入空载4.69V，输出4.95V空载
当串接电阻加黄色LED时，
测有
另，
焊接标准工具集：
吸焊锡烟风机：
1.发送板C13电容封装买错
2.接收板未设计防金属安全检测，只适用于类似磁悬浮的无线供电等。
XKT-510规格书、T3168规格书.pdf
某宝上找比较新。
//TODO
//TODO
接收端也必须要单片机读取数据。
如果你只想通过按键就可以发送，可以使用315M/433M发送模块加上PT2262、PT2272组成的遥控模块，这种只需要按下按钮就能发送。
发送时可以附带4位数据，总共16总状态。只要在接收端加一块单片机就可以很容易的实现16路的抢答器了。
nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。
nRF24L01供应商：拍明芯城元器件商城
简介
输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。
极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm 时电流消耗为11.3mA ，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
应用领域
● 无线鼠标 键盘 游戏机操纵杆
● 无线门禁
● 无线数据通讯
● 安防系统
● 遥控装置
● 遥感勘测
● 智能运动设备
● 工业传感器
● 玩具
性能参数
◆ 小体积，QFN20 4x4mm封装
◆ 宽电压工作范围，1.9V~3.6V，输入引脚可承受5V电压输入
◆ 工作温度范围，-40℃～+80℃
◆ 工作频率范围，2.400GHz～2.525GHz
◆ 发射功率可选择为0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm
◆ 数据传输速率支持1Mbps、2Mbps [1]
◆ 低功耗设计，接收时工作电流12.3mA，0dBm功率发射时11.3mA，掉电模式时仅为900nA
◆ 126个通讯通道，6个数据通道，满足多点通讯和调频需要
◆ 增强型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校验和点对多点的地址控制
◆ 数据包每次可传输1～32Byte的数据
◆ 4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，适合与各种MCU连接，编程简单
◆ 可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度
◆ MCU可通过IRQ引脚块判断是否完成数据接收和数据发送
原理图
电路原理
nRF24L01原理图
