基于CC2541的低功耗藍牙模塊的設計

摘 要：設計一款以TI公司CC2541為核心器件，能夠快速連接并且可以進行雙向數據交換的超低功耗藍牙模組。對該超低功耗藍牙模組電路組成及原理進行了詳細介紹，并從電流以及數據完整性的角度對該模塊的功耗性能與穩定性進行了分析。

關鍵詞：CC2541;低功耗;藍牙模塊

中圖分類號：TP925 ?文獻標識碼：A

Abstract：This paper designs an ultra-low power Bluetooth module based on TI company cc2541，which can connect quickly and exchange data in two directions.The circuit composition and principle of the ultra-low power Bluetooth module are introduced in detail，and the power performance and stability of the module are analyzed from the perspective of current and data integrity.

Key words：CC2541;low power consumption;Bluetooth module

藍牙無線技術是使用最廣泛的全球短距離無線標準之一[1]，藍牙技術聯盟（SIG）在制定藍牙4.0規范時為了提高數據傳輸的穩定性在射頻、基帶協議、鏈路管理協議（LMP）中采取了差錯檢驗和校正、進行數據編解碼、差錯控制、數據加噪等可靠性措施[2]，極大提高了藍牙數據傳輸的可靠性。傳統藍牙設備的待機功耗量大一直是其缺陷之一，主要原因是傳統藍牙采用16～32個通道進行廣播，低功耗藍牙采用3和廣播通道，并且每次廣播開啟時間由傳統藍牙的22.5ms減少到0.6～1.2ms，大幅度降低了廣播導致的待機功耗[3]。除此之外低功耗藍牙設計了深度睡眠狀態替換傳統藍牙的空閑狀態，進一步降低了功耗。在連接速度方面低功耗藍牙也又傳統藍牙的6s降低到3ms，幾乎是瞬間的連接[4]。隨著科技的發展，智能穿戴、智能儀表逐步普及，超低功耗的短距離無線傳輸成為了必不可少的一部分。本文針對目前的市場需求，從硬件電路設計和軟件系統兩個方面，設計開發了一款超低功耗藍牙模塊。解決了藍牙功耗問題以及傳輸數據量較大時容易丟包的問題。

1 低功耗藍牙模塊硬件電路設計

1.1 硬件原理

主控模塊采用TI（Texas Instruments）公司的CC2541芯片及其外圍電路實現，CC2541使用的8051 CPU內核是一個單周期的8051兼容內核。中斷控制器提供了18個中斷源，分為6個中斷組，每組與四個中斷優先級相關。數字內核與外設由一個1.8V的低差穩壓器供電，另外CC2541還包括一個電源管理功能，可以實現不同供電模式的長電池壽命的低功耗應用運行，有5中不同的復位源來復位設備。外圍電路包含了阻抗匹配電路、天線、時鐘電路、濾波器、以及各個I/O口和通信接口。采用郵票孔的封裝方式，可以很方便的在其他設備上應用。藍牙模塊系統框圖如圖1所示。

藍牙模塊分別采用3.3V供電，每一路供電都有相應的電容作為濾波保護，采用32.768KHz和32MHz的晶振作為晶振源，并且設計了LED作為指示，當藍牙連接時LED常亮，在進行數據傳輸時，LED閃爍，斷開連接時LED熄滅，根據LED的狀態可以很清楚的知道藍牙的工作狀態。電氣原理圖如圖2所示。

1.2 天線設計

天線是無線通信系統中的重要元器件，廣泛應用于無線電通信、廣播、電視、雷達、導航等工程。天線性能的好壞直接影響到整個系統的性能。發射天線的任務是將高頻電流或者導行電磁波轉變為空間中傳播的無線電磁波，而接收天線則是將空間中傳播的無線電波轉變為高頻電流或者導行電磁波。天線主要起著在高頻電流或者導行電磁波和空間無線電波之間的換能作用。天線的設計準則就是將換能效果得到最優。該低功耗藍牙模塊采用蛇形天線的設計，天線形狀如圖3所示。

通過對天線進行回波損耗方針，仿真圖如圖4所示，可以看出該天線參數比較好，可以達到2.45GHz頻段和帶寬要求。

2 低功耗藍牙模塊軟件開發

2.1 低功耗藍牙模塊軟件設計流程

低功耗藍牙模塊除了可以實現數據的透傳功能以外還需要能夠處理相應的AT指令。用戶可以通過發送AT指令來對藍牙模塊進行一些參數的設置、狀態的查詢等，例如：修改藍牙名稱、修改傳輸波特率、查詢RSSI值。當藍牙模塊未與手機或者其他藍牙連接時，低功耗藍牙模塊會直接判斷是否為AT指令。如果是則進行相應的操作。如果不是則將數據取出，不做處理。當藍牙模塊已經被連接時，收到數據后同樣會先判斷是否為AT指令。如果是則進行相應的操作。如果不是則將數據取出，發送給接收端。軟件設計流程如圖5所示。

圖5

2.2 防止數據丟包設計

由于藍牙協議的限制，在數據傳輸時每個數據包不能超過20字節。在傳輸數據量較大時，經常會出現數據接收不完全的現象。為了解決這個問題，當有數據需要被發送時，首先讀取數據長度，如果長度小于20字節，則直接發送。如果大于20字節，則將數據分成兩個或者多個數據包分次進行發送。經過實際測試該方法可以有效解決數據丟包問題。

2.3 低功耗設計

想要實現藍牙模塊的低功耗，首先要在設置里打開“Power Saving”，之后需要將所有的周期事件刪除，因為當協議棧里有周期事件運行時，藍牙芯片是不會進入低功耗模式的。做完上述工作后，我們還需要對每一個引腳進行配置。確保模塊能夠具有最低的功耗。當模塊沒有被連接并且沒有數據傳輸時，芯片將進入低功耗模式。經過我們的實際測試，模塊在進入低功耗模式后功耗在10uA左右，完全滿足我們的要求。

3 總結

本設計以TI的CC5241為核心處理器，具有超低功耗，實現了近距離無線數據的傳輸，解決了發送較大數據容易丟包的問題。本模塊可以應用在多種場合，為其他廠商提供了更多的選擇方案，具有很強的實際意義。

參考文獻：

[1]王偉.藍牙4.2：物聯網首選無線技術標準[J].電子技術應用，2015（2）：7.

[2]楊迪娜.藍牙技術聯盟發布4.2版本帶來科技生活新體驗[J].單片機與嵌入式系統應用，2015.15（3）：82.

[3]李俠，沈峰，李德勝.基于Android系統的低功耗藍牙應用程序開發[J].重慶科技學院報：自然科學版，2014，16（5）：133.

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

[5]TI.2.4G Bluetooh low energy System-on-Chip[EB/OL].

[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.

作者簡介：張超峰，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統應用與開發、電子系統設計、氣體檢測分析。