基于CC2540的超低功耗藍牙模塊的設計

金 純，賈珍梅，劉魯云，金 潔

(1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院 無線傳輸重點實驗室,重慶 400065；2.重慶金甌科技發展有限責任公司，重慶 400041；3.重慶師范大學，重慶 400047)

基于CC2540的超低功耗藍牙模塊的設計

金 純1,2，賈珍梅1，劉魯云2，金 潔3

(1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院 無線傳輸重點實驗室,重慶 400065；2.重慶金甌科技發展有限責任公司，重慶 400041；3.重慶師范大學，重慶 400047)

對由概念走向商用化的穿戴式智能設備而言，超低功耗藍牙模塊成為其不可缺少的一部分。以TI公司CC2540藍牙低功耗芯片為核心器件，開發了一款超低功耗藍牙模塊。對該超低功耗藍牙模塊系統電路的各部分組成進行了詳細介紹，并從藍牙模塊電源電流和信號完整性兩個角度對模塊低功耗的實現進行了分析，最后通過與移動終端通信的應用示例驗證了該藍牙模塊的可行性。

CC2540； 低功耗； 藍牙模塊

超低功耗(Ultra Low Power, ULP)藍牙原名Wibree，是藍牙4.0新增的技術規范，主要解決藍牙超低功耗下的低速數據傳輸問題，是一種低功耗、低成本，并且開放標準的新型短距離無線通信技術。它與現有的無線技術能夠很好的匹配，可用于小型設備之間的簡單數據傳輸，傳輸距離在10 m以內，僅需一枚紐扣電池便可運行10年。超低功耗藍牙技術能夠提供一種全新的藍牙連接，可滿足各種領域的需要，如工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、農業自動化和醫用設備控制等，市場將會非常龐大[1]。尤其對于目前大量涌現的穿戴式智能設備，超低功耗藍牙模塊以其輕薄短小、便于攜帶、功耗低等優勢被廣泛推廣。

本項目以德州儀器公司研發的CC2540[2]藍牙低功耗芯片為核心，開發了一款基于藍牙4.0新標準的集普通藍牙和超低功耗藍牙雙協議的藍牙模塊。該模塊集成有CC2540藍牙主控芯片、帶通濾波器、電源電路、內置微帶天線、晶振電路以及外圍接口電路等。其應用范圍包括：2.4 GHz低功耗藍牙系統、移動手機接入設備、健身和娛樂設備、消費電子設備、人機交互設備(如無線藍牙鍵盤、鼠標、耳機、遠程藍牙遙控等)以及醫療設備等[3]。

1 藍牙模塊系統電路設計

1.1 藍牙模塊原理框圖及核心芯片

本設計以德州儀器公司研發的CC2540芯片為核心，把天線、藍牙阻抗匹配電路、濾波器、主芯片CC2540、電源電路以及通信接口電路集成在長31.8 mm、寬14.5 mm的尺寸范圍內，其系統框圖見圖1。

其中藍牙主控芯片采用TI公司研發的符合藍牙4.0標準的高性價比、低功耗的單模芯片CC2540，CC2540是藍牙低功耗片上系統解決方案，集成了RF射頻收發器、增強工業標準的8051MCU、系統可編程flash存儲器、8 kbyte RAM和許多其他的支持功能和外圍設備。CC2540工作的載波頻率范圍是2 400.0～2 483.6 MHz的ISM頻段，同時具有片上存儲數據、固件實時更新和高達+97 dB的鏈路預算，并支持無外部前端的遠程應用程序和精確的數據接收信號強度檢測(RSST)。CC2540芯片具有2種不同的版本：CC2540 F128和CC2540 F256，即這兩種版本分別擁有128 kbyte和256 kbyte的閃存[2]。CC2540具有3種低功耗功率模式，模式三的功率可低至0.4 μA，工作電壓范圍為2.0～3.6 V，使得芯片穩定工作。

圖1 藍牙模塊系統框圖

1.2 藍牙模塊芯片外圍電路設計

該超低功耗藍牙模塊外圍電路是圍繞主控芯片CC2540 核心芯片設計的。外圍電路包括兩個時鐘電路、電源電路、阻抗匹配電路、通信接口電路、天線等。CC2540的模擬電源管腳和數字電源管腳就近接濾波電容。片內采用一個1.8 V的穩壓器連接一個去耦電容為所需電路提供穩定電壓，實現電源工作的穩定性。在實際電路設計中可通過CC2540芯片管腳40連接一個1 μF的電容實現。在兩個時鐘電路中，其中一個時鐘電路用一個工作頻率為32.768 kHz的石英晶振和兩個均為15 pF的電容實現，石英晶振接芯片管腳33和32，另一個時鐘電路由一個工作頻率為32 MHz的石英晶振和兩個分別為22 pF和12 pF的電容實現，32 MHz的石英晶振接芯片管腳22和23[3]。

1.3 藍牙模塊射頻阻抗匹配電路

本設計中所采用的藍牙芯片CC2540的管腳RF_P和管腳RF_N是一對差分輸入輸出的偶極信號端口，且模塊設計中采用的是型號為AN5020的不平衡單極子天線[4-5]，因此需要在射頻輸入輸出管腳與藍牙天線之間連接一個巴倫(平衡/不平衡)匹配電路來實現射頻收發信號的匹配。匹配電路的設計可采用分離電容和電感元件實現，也可采用匹配芯片來實現匹配電路，本項目設計中考慮到設計的簡便以及模塊的高度集成，采用了深圳市星維電子有限公司生產的型號為RFBLN2012060A8T的匹配濾波器來實現射頻阻抗匹配。

2 藍牙模塊基于兼容性的PCB版設計

在藍牙模塊PCB版圖設計的過程中，首先使用Cadence自帶的Allegro Design Entry CIS軟件設計電路原理圖，然后通過Cadence自帶的Allegro PCB Design GXL軟件進行手工布線，生成PCB版圖。而在進行PCB版圖布線設計的過程中，為提高藍牙模塊的電磁兼容性，需要做到以下幾方面[6]：

1)電源信號線的寬度要選取適當，電源信號線在接數字電源管腳時，應先串接一個參數合適的磁珠(本設計采用深圳市原力達電子有限公司生產的型號為MPZ1608D101B的磁珠)，以濾除電源信號的高頻部分信號，再與數字電源管腳相連，然后數字信號電源管腳就近接適當參數的濾波電容，從而減少高頻信號對電源信號的干擾。而模擬電源管腳只需就近接濾波電容，以減少高頻信號對電源信號的干擾。

2)模擬信號與數字信號在設計時要保持適當的間距，以避免這兩種信號的相互干擾。

3)各部件之間的引線應該盡量地短，以減小信號的延遲，從而減小平行線之間產生的干擾。

4)在布線的過程中，盡量用45°折線以減少高頻信號對外的發射及耦合。

5)根據介質材料參數和傳輸線結構參數對傳輸線的線寬進行嚴格計算，以盡可能地保證阻抗精確。

3 藍牙模塊超低功耗的實現

本項目設計的超低功耗藍牙模塊主要從電源電路和信號完整性兩個角度分析，實現藍牙模塊的超低功耗。

3.1 電源電路的分析

電源電路為整個藍牙模塊提供電源，電源電路性能的優良是藍牙模塊正常工作的基礎，良好的電源電路性能不僅能夠減少整個藍牙模塊的功耗和故障，同時也會延長藍牙模塊的使用壽命。本項目設計的藍牙模塊的工作電壓分為3.8 V和3 V兩種，其中3.8 V主要是射頻部分和模擬基帶的PMU單元的電壓，而3 V主要是處理器內核及片內外設的供電電壓。

本項目藍牙模塊供電的電路原理圖如圖2所示，圖中的LED1 RED表示模塊已經上電。12 V的輸入供電電源經過一個防止電源反接的二極管(圖2中IN4007)和兩個濾波電容C2，C3，然后通過LM2576S-ADJ電源芯片輸入5 V電源電壓。由于本項目設計的藍牙模塊的供電電源僅為3.8 V，因此需要通過穩壓管(IN4790)將電源穩壓置3.9 V。需要注意的是，根據LM2576S-ADJ芯片數據手冊可知LM2576S-ADJ的供電電壓為12 V，但是在12 V供電電源與LM2576S-ADJ芯片之間存在二極管，這就導致該芯片的供電電壓不足，因此為了保證芯片的輸入供電電壓達到芯片的臨界值，芯片要保持其校準器處于關閉狀態，同時該芯片的ON/OFF引腳不能接地。

由于處理器內核級片內外設供電電源為3 V，因此需要將圖2中穩壓管穩壓后的電源3.9 V連接1個電壓調節器，經過降壓得到3 V的供電電源。電壓調節器采用CX6203E系列中的XC6203 E332PR，XC6203E332PR是一個高精密度、低功耗的正向電壓調節器，輸出電壓范圍為1.8～6.0 V，精確度約0.1 V，輸出電流最大可達到400 mA，XC6203E332PR的降壓電路如圖3所示。

圖2 BLE0102C2P模塊的電源電路原理圖

圖3 XC6203E332PR降壓電路圖

3.2 信號完整性分析

在高速數字設計領域，高的信號噪聲會對低噪聲器件產生影響，導致其無法準確傳遞“消息”。由于在低功耗模式下各種資源極其有限，因此對板卡設計階段的分布式電路分析就變得越來越關鍵。信號的邊沿速率只有幾ns，因此需要仔細分析板卡阻抗，確保合適的信號線終端，減少這些線路的反射，保證電磁干擾處于一定的規則范圍之內，獲得良好的信號完整性，信號的完整性分析關注器件間的互連—驅動管腳源、目的接收管腳和連接它們的傳輸線[6]。

在理想的條件下，源管腳的信號在沿著傳輸線傳輸時是不會有損傷的，但考慮到傳輸線的長度、特定激勵頻率下的線軌阻抗特性以及連接兩端的終端特性等，信號在沿著傳輸線傳輸時就會因反射和電磁兼容(EMI)等問題影響信號的完整性。以下是對反射和EMI以及本項目提出的解決方法的分析。

在布線的過程中，兩根相鄰的線相當于兩根傳輸線，且比較均勻，傳輸線上的電流與兩線間的電壓一般是隨著時間變化的，又由于在傳輸線上和線間分布有上述電路參數，導致不同位置處的電流、電壓也不同，在兩根平行的傳輸線上，將傳輸線分成無窮多的小段，整個傳輸線便可視為有許多傳輸線的小段級聯構成，對從x到x+dx的一小段傳輸線可以作出如圖4所示的電路模型，此電路模型中的R0dx和L0dx分別是dx長的一段傳輸線上的電阻、電感，C0dx和G0dx是dx長的一段傳輸線兩線間的電容和電導。

(1)

(2)

整理式(1)和式(2)，并略去二階微量，即得

(3)

(4)

圖4 主要電路的分布式參數分析

圖5 無限小代爾塔電路分布式參數分析

如圖5所示，根據電壓完整性原理，可以得出如下方程

(5)

將式(5)進行整理，即得

(6)

通過分析可知，信號的完整性問題是由反射造成的，而反射是由阻抗不匹配導致的，因此為了減少反射，獲得干凈的信號波形，且沒有響鈴特征，就需要在電路中實現很好的阻抗匹配。本項目設計采用在相關點添加終端電阻或RC網絡的方案，以此實現終端阻抗的匹配，從而減少反射，降低功耗。其方案如圖6所示。

圖6 阻抗匹配方案

3.3 仿真結果分析

圖7和圖8分別為本項目所設計的超低功耗藍牙模塊兩個節點上的信號完整性分析及終端阻抗匹配信號分析，從圖中可以看出此模塊在這兩個節點上由于實現了信號阻抗的匹配，最大程度地減少了能量損失。本文的設計在此模塊的數千個節點上都實現類似的阻抗匹配，因此可以節約大量的能耗損失，實現模塊的超低功耗。

4 藍牙模塊通信測試

目前有很多設備開始支持藍牙4.0技術，如移動電話、PC、平板計算機等。本測試是以支持藍牙4.0的iPhone 4s 為例，通過在iPhone 4s 上運行的示例程序“BTDemo”，讓手機和該藍牙模塊相互收發數據。主要步驟如下：

1)該藍牙模塊保持出廠默認參數，通過串口和PC連接，上電并處于數據通信模式。(串口默認波特率為9 600 Baud)。

圖7 藍牙模塊-管腳信號完整性分析(截圖)

圖8 藍牙模塊-終端阻抗匹配分析(截圖)

2)打開“BTModule”軟件。

3)點擊查找鍵，如圖9所示，手機會搜索周邊的藍牙4.0數據通信模塊設備。片刻后顯示出設備名稱，說明找到了該藍牙4.0數據通信模塊“BLE0102C2P”，“BLE0102C2P”為設計的藍牙模塊型號。

圖9 待連接狀態(截圖)

4)點擊連接按鈕“2”，待連接成功后，“連接”按鈕會顯示為“斷開”按鈕，同時模塊端的Link腳會變為高電平，先前閃爍的STATE_LED熄滅。

5)選擇數據測試“3”，發送數據框中輸入待發送的數據“Hello World”，選擇發送“4”，手機會將這段數據發送到藍牙模塊，模塊接收到這串數據后，向PC的串口送出這串數據，如圖10所示。

圖10 數據發送和接收狀態(截圖)

PC串口向模塊的串口發送數據“Hello World”，手機端會收到數據并在接收數據框中顯示出來，從而實現藍牙模塊的通信。

5 小結

本項目是針對目前基于藍牙傳輸的穿戴式智能設備的大量涌現，以及各行業的技術人員并不是都很了解藍牙技術這種矛盾設計了這款面向開發人員的簡便易用，實現在低功耗模式下數據穩定高速傳輸的黑盒子藍牙模塊。相關人員可直接使用該模塊擴展簡單外圍，就能快速設計出方案甚至產品，低成本、高效率地推出個性化的移動設備新外設。該藍牙模塊實物圖如圖11所示。

圖11 藍牙模塊實物圖

[1]金純，肖玲娜，羅緯，等.超低功耗藍牙技術規范解析[M].北京：國防工業出版社，2010.

[2]TI.2.4GHz Bluetooth low energy System-on-Chip[EB/OL].[2014-04-08].http://www.ci.com.cn/produce/cn/CC2540.

[3]曹青春,劉輝.基于CC2540的藍牙射頻模塊設計[J].海南師范大學學報, 2013, 26(2): 34-36.

[4]嚴朝雄.消費類電子產品天線阻抗匹配的研究[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[5]陳雅娟，龍云亮.小型寬帶微帶天線的研究進展[J].系統工程與電子技術，2000，22(7):21-23.

[6]曾峰，侯亞寧，曾凡雨.印制電路板(PCB)設計與制作[M].北京：電子工業出版社,2002.

中國移動宣布4G網絡向虛擬運營商全面開放

近日，中國移動正式宣布，已經向虛擬運營商全面開放4G網絡和提供4G轉售業務。同時中國移動將向虛擬運營商提供全新4G資費套餐。

中國移動稱，將針對語音、短彩信、流量、WLAN等業務全面提供套餐模式、模組模式、單價資源池模式，并建立根據市場主流資費變化及時優化虛擬運營批發價格的調價機制。據中國移動介紹，首家與中國移動合作的虛擬運營商“分享通信”已順利完成系統對接，并于11月初實現了試點放號，預計將于年內在全國25省的31個城市正式商用放號。此外，三五互聯也在福建實現了試點放號，并將在近期正式商用放號。

在上周結束的2014中國移動全球合作伙伴大會期間，中國移動召開虛擬運營工作推進會，與17家虛擬運營商代表共同研討加速推進虛擬運營商商用放號工作。

中國移動表示，自今年5月以來，中國移動目前已經完成了虛擬運營商業務流程、規范制定、號碼分配與制作和支撐系統的建設與上線，同步制定和完善了虛擬運營商USIM卡制作、端到端測試等多個業務流程，為虛擬運營商的大范圍商用放號做好了準備。中國移動稱，正在根據虛擬運營商的合作意愿和計劃加快開展與愛施德等9家企業的系統聯調測試，并將于2015年1月份再實現7家企業商用放號，力爭在2015年上半年實現全部17家虛擬運營商的正式商用放號。

Design of Ultra Low Power Bluetooth Module Based on CC2540

JIN Chun1,2,JIA Zhenmei1, LIU Luyun2, JIN Jie3

(1.WirelessTransmissionKeyLaboratory,SchoolofCommunication&InformationEngineering,ChongqingUniversityofPosts&Telecommunications,Chongqing400065,China; 2.ChongqingJinouScience&TechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Chongqing400041,China; 3.ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China)

Ultra low power(ULP) bluetooth module is an indispensable part for the commercialization of wearable intelligent device.In the paper, an ULP bluetooth module based on TI CC2540 chip is designed.The block diagram of hardware circuit of bluetooth module is introduced in detail, and the realization of ULP is analyzed from two angles that power supply and signal integrity, the feasibility of the bluetooth module is verified through the communication with mobile terminal.

CC2540；ultra low power；bluetooth module

重慶市科技攻關(應用研發類)項目(cstc2012gg-yyjs0631)

TN925

A

10.16280/j.videoe.2015.01.015

2014-04-16

【本文獻信息】金純，賈珍梅，劉魯云，等.基于CC2540的超低功耗藍牙模塊的設計[J].電視技術,2014，39(1).

金 純(1966— )，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為無線通信、計算機軟件、物聯網等；

賈珍梅(1988— )，女，碩士生，主要研究方向為無線傳感器網絡、無線通信。

責任編輯：李 薇