智能传感器的蓝牙协议栈与SoC结构设计

基带层电路，可以建立蓝牙通信网络中的物理链路，从而形成微微网(piconet)。基带层中有两种物理链路，一种是面向连接的同步链路(SCO)，另一种是异步无连接链路(ACL)。此外，基带层还可为语音和数据分组提供不同水平的前向纠错(FEC)或循环冗余度校验(CRC)处理，并可对数据进行加密。同时，基带层电路还为不同类型的数据(包括传输信息数据、链路管理和控制信息)提供特定的信道。

    (3)链路管理层(LMP)电路

　　链路管理层电路也叫作链路管理器电路，功能是提供链路管理通信协议。链路管理协议用来对链路进行设置和控制，并负责建立和撤销各蓝牙设备间的连接、功率控制以及认证和加密，同时还控制蓝牙设备的工作状态(保持hold 、休眠park 、呼吸sniff 和活动active )。链路管理层的主要功能由软件完成，链路管理器电路提供运行于蓝牙设备的处理器中的软件。链路管理器之间的通信协议称为链路管理协议(LMP)。

　　蓝牙技术整体框架以HCI(Host Controller Interface)为界，区分为硬件模块以及上层软件协议两部分。

　　蓝牙技术标准中，选择了USB、UART 或是RS232 作为硬件模块与主机间的接口。当蓝牙模块以USB、UART或RS232中的任何一个接口与主机连接时，HCI 接口上层的通信协议由主机负责处理，而HCI 接口下层的通信协议则由模块内的基带层芯片与RF 芯片负责。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

　　根据蓝牙标准，蓝牙系统的基本组成包括天线、收发器、基带控制器。由此可知，在天线、RF收法器和基带控制器的支持下，蓝牙系统的组成可以十分灵活，即可实现多种不同的实现方案。

　　嵌入式蓝牙系统是将RF和基带部分集成在一块芯片上，单芯片蓝牙硬件模块结构如图2所示。在嵌入式蓝牙器件中，硬件结构可分为链路管理器、链路控制器与RF模块3部分，负责处理LMP层、基带层与RF层的协议。链路管理器内包含处理器(CPU)、内存等组件。链路管理器与基带层芯片合称为链路控制器。RF模块内含RF射频发射组件，与主机相连接的接口位于链路控制器上。

　　在嵌入式方案中，蓝牙协议的上层软件协议也全部固化在芯片中，芯片通过USB或UART接口与应用系统相连接。由于片内嵌入了CPU，所以，嵌入式蓝牙系统实际上是一个智能终端，适合于任何具有CPU器件的系统。例如，智能传感器中，只要增加一个单芯片蓝牙器件，就可以组成一个以蓝牙为通信方式的传感器。

　　由图2可知，它由微处理器(CPU)、无线收发器(RF)、基带控制器(BB)、闪存(Flash程序存储器)、通用异步收发器UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)、通用串行接口USB(Universal Serial Bus)及蓝牙测试模块组成。其中蓝牙基带控制器是蓝牙硬件模块的关键模块。其主要功能是在微处理器控制下，实现蓝牙基带部分的所有实时处理功能，包括负责对接收的bit流进行符号定时提取和恢复；分组头及净荷的循环冗余度校验(CRC)，分组头及净荷的前向纠错码FEC处理，加密和解密处理等，且能提供从基带控制器到其它芯片的接口等。CPU一般采用RISC结构的嵌入式微处理器，如ARM7TDMI微处理器，才能满足对蓝牙核心协议的高速处理和大量数据bit流的处理。Flash存储器用于存放基带和链路管理层中的所有协议软件。SRAM作为CPU 的运行空间，在工作时把Flash中的软件调入SRAM中处理。射频收发器负责接收或发送高频的通信信号。UART和USB接口提供到HCI的主机控制器接口传输层的物理连接，是上层协议与蓝牙硬件模块进行通信的通道。蓝牙测试模块主要提供无线层和基带层的认证和一致性规范，同时还管理产品的生产和售后的测试，为可选模块。

3 嵌入蓝牙协议栈的SoC结构设计

　　根据上述蓝牙协议栈硬件结构可以看出，如果使用SoC 结构设计蓝牙协议栈，则可以实现嵌入蓝牙通信模块，同时向用户开放内部CPU的目的。

　　在设计嵌入蓝牙协议的SoC 结构时，需要考虑如下问题。

① 数据处理能力与速度。数据处理能力主要体现在两个方面：一个是数据缓冲存储器的规模，另一个是对数据处理算法支持的程度。数据处理速度是一个重要的问题。数据处理速度不仅与系统时钟频率有关，还与CPU 和内部总线的结构直接相关。

② 通信操作与系统运行的关系。在嵌入了蓝牙通信栈的SoC 中，通信是系统的一个功能，SoC 还需要实现系统的其它功能。由于CPU 串行结构的特点，当系统需要同时启用通信功能和其它重要功能时(例如实施系统的数据采集操作等)，就需要使用适当的方法进行协调。实际上这也就是嵌入式蓝牙SoC 器件的系统实时性问题。

③ 器件的功率损耗。功率损耗是SoC 设计中的一个重要问题。除了采用相应的技术实现最低功率损耗问题外，还必须通过系统结构设计降低系统的功率损耗。对于对功率损耗有特殊要求的系统，低功耗设计更是必不可少的内容。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

　　由上述三个要求可知，在嵌入式蓝牙SoC中，如果数据处理量比较大，则需要考虑数据处理的速度问题。用户系统CPU属于串行工作方式，因此，在大数据量的通信过程中，如何完成系统的其它功能，是SoC结构设计的一个重要方面。例如，使用蓝牙技术传输图像时，其中的通信系统必须保持连续工作状态，

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