基于CC2540的超低功耗蓝牙模块的设计
金纯1，2
贾珍梅1 刘鲁云2 金洁3
（1.重庆邮电大学通信与信息工程学院，无线传输重点实验室,重庆
400065；2.重庆金瓯科技发展有限责任公司，重庆
400041；3.重庆师范大学， 重庆 400047）
摘要：针对由概念走向商用化的穿戴式智能设备而言，超低功耗蓝牙模块成为其不可缺少的一部分。本项目以TI公司CC2540蓝牙低功耗芯片为核心器件，开发了一款超低功耗蓝牙模块。本文对该超低功耗蓝牙模块系统电路框图的各部分组成进行了详细介绍，并从蓝牙模块电源电流和信号完整性两个角度对模块低功耗的实现进行了分析，最后通过与iPone4s通信的应用示例验证该蓝牙模块的可行性。
关键词：CC2540； 低功耗； 蓝牙模块
Design of Ultra low power Bluetooth module Based on CC2540
Jin Chun1.2,Jia Zhenmei1，Liu Luyun2,
Jin Jie3
（1.Wireless
Transmission Key Laboratory, School of Communication & Information
Engineering, Chongqing University of Posts & Telecommunications, Chongqing
400065, China; 2.Chongqing Jinou Science&Technology Development Co. , Ltd.
,Chongqing 400041, China; 3.Chongqing Normal University,Chongqing
400047)
Abstract: Ultra low
power(ULP) Bluetooth module is an indispensable for the
commercialization of wearable
intelligent device. This paper designs an ULP Bluetooth module based
on TI’s chip of CC2540. The block diagram of hardware circuit of Bluetooth module is introduced in detail,
and the realization of ULP is analyzed from two angles which power supply current and
signal integrity, the feasibility of the Bluetooth module is
verified through the communication with
iPone4s.
Key words: CC2540；Ultra low power；Bluetooth module
【中图分类号】TN925 【文献标识码】
A
1. 引言
超低功耗(Ultra Low Power,ULP)蓝牙原名Wibree，是蓝牙4.0新增的技术规范，主要解决的问题是蓝牙超低功耗下的低速数据传输，是一种低功耗，低成本，并且开放标准的新型短距离无线通信技术，它与现有的无线技术能够很好的匹配，可用于小型设备之间的简单数据传输，传输距离在10m以内，仅需一枚纽扣电池便可运行10年。超低功耗蓝牙技术能够提供一种全新的蓝牙连接，可满足各种领域的需要，如工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等，市场将会非常庞大[1]。尤其对于目前大量涌现的穿戴式智能设备，超低功耗蓝牙模块以其轻薄短小、便于携带，功耗低等优势被广泛推广。
本项目以德州仪器公司研发的CC2540[2]蓝牙低功耗芯片为核心，开发了一款基于蓝牙4.0新标准的集普通蓝牙和超低功耗蓝牙双协议的蓝牙模块。该模块集成有CC2540蓝牙主控芯片、带通滤波器、电源电路、内置微带天线、晶振电路以及外围接口电路等。该蓝牙模块的应用范围包括：2.4G低功耗蓝牙系统、移动手机接入设备、健身和娱乐设备、消费电子设备、人机交互设备(如无线蓝牙键盘、鼠标、耳机和远程蓝牙遥控)以及医疗设备等[3]。
2. 蓝牙模块系统电路设计
2.1 蓝牙模块原理框图及核心芯片
本设计以德州仪器公司研发的CC2540芯片为核心，把天线、蓝牙阻抗匹配电路、滤波器、主芯片CC2540、电源电路以及通信接口电路集成在外形尺寸长、宽(31.8mm*14.5mm)的尺寸范围内。其系统框图如图1所示。
其中蓝牙主控芯片采用TI公司研发的符合蓝牙4.0标准的高性价比、低功耗的单模芯片CC2540，CC2540是真正的蓝牙低功耗片上系统解决方案，集成了优秀的RF射频收发器、增强工业标准的8051MCU、系统可编程flash存储器、8-KB RAM和许多其他强大的支持功能和外围设备。CC2540工作的载波频率范围是2400MHz-2483.6MHz的ISM频段，同时具有片上存储数据、固件实时更新和高达+97dB的出色链路预算，并支持无外部前端的远程应用程序和精确的数据接收信号强度检测(RSST)。CC2540芯片具有两种不同的版本：CC2540F128/F256，即这两种版本分别拥有128KB和256KB的闪存[2]。CC2540具有三种低功耗功率模式，模式三的功率可低至0.4μA，工作电压范围为2V-3.6V，使得芯片稳定工作。
图1 蓝牙模块系统框图
2.2 蓝牙模块芯片外围电路设计
该超低功耗蓝牙模块外围电路是围绕主控芯片CC2540 核心芯片设计的。外围电路包括两个时钟电路、电源电路、阻抗匹配电路、通信接口电路、天线等。CC2540的模拟电源管脚和数字电源管脚就近接滤波电容。片内采用一个1.8V的稳压器连接一个去耦电容为所需电路提供稳定电压，实现电源工作的稳定性。在实际电路设计中可通过CC2540芯片管脚40连接一个1μF的电容实现。在两个时钟电路中，其中一个时钟电路用一个工作频率为32.768KHz的石英晶振和两个均为15pF的电容实现，石英晶振接芯片管脚33和32，另一个时钟电路由一个工作频率为32MHz的石英晶振和两个分别为22pF和12pF的电容实现，32MHz的石英晶振接芯片管脚22和23[3]。
2.3 蓝牙模块射频阻抗匹配电路
本设计中所采用的蓝牙芯片CC2540的管脚RF_P和管脚RF_N是一对差分输入输出的偶极信号端口，且模块设计中采用型号为AN5020的不平衡单极子天线[4]，因此需要在射频输入输出管脚与蓝牙天线之间连接一个巴伦(平衡/不平衡)匹配电路来实现射频收发信号的匹配。匹配电路的设计可采用分离电容和电感元件实现，也可采用匹配芯片来实现匹配电路，本项目设计中考虑到设计的简便以及模块的高度集成，采用了深圳市星维电子有限公司生产的型号为RFBLN2012060A8T的匹配滤波器来实现射频阻抗匹配。
3. 蓝牙模块基于兼容性的PCB版设计
在蓝牙模块PCB版图设计的过程中，首先使用Cadence自带的Allegro Design Entry CIS软件设计电路原理图，然后通过Cadence自带的Allegro PCB Design GXL软件进行手工布线，生成PCB版图。而在进行PCB版图布线设计的过程中，为提高蓝牙模块的电磁兼容性，需要做到以下几个方面[5]：(1)电源信号线的宽度要选取适当，电源信号线在接数字电源管脚时，应先串接一个参数合适的磁珠(本设计采用深圳市原力达电子有限公司生产的型号为MPZ1608D101B的磁珠)，以滤除电源信号的高频部分信号，再与数字电源管脚相连，然后数字信号电源管脚就近接适当参数的滤波电容，从而减少高频信号对电源信号的干扰。而模拟电源管脚只需就近接滤波电容，以减少高频信号对电源信号的干扰。（2）模拟信号与数字信号在设计时要保持适当的间距，以避免这两种信号的相互干扰。（3）各部件之间的引线应该尽量地短，以减小信号的延迟，从而减小平行线之间产生的干扰。（4）在布线的过程中，尽量用45度折线以减少高频信号对外的发射及耦合。（5）根据介质材料参数和传输线结构参数对传输线的线宽进行严格计算，以尽可能的保证阻抗精确。
4. 蓝牙模块超低功耗的实现
本项目设计的超低功耗蓝牙模块主要是从电源电路和信号完整性两个角度分析，实现蓝牙模块的超低功耗。
4.1 电源电路的分析
电源电路为整个蓝牙模块提供电源，电源电路性能的优良是蓝牙模块正常工作的基础，良好的电源电路性能不仅能够减少整个蓝牙模块的功耗和故障，同时也会延长蓝牙模块的使用寿命，由此可见，电源电路的优秀设计对模块的正常工作是至关重要的。本项目设计的蓝牙模块的工作电压分为3.8V和3V两种，其中3.8V主要是射频部分和模拟基带的PMU单元的电压，而3V主要是处理器内核及片内外设的供电电压。
12V的输入供电电源经过一个防止电源反接的二极管(图2中IN4007)和两个滤波电容C2、C3，然后通过LM2576S-ADJ电源芯片输入5V电源电压。由于本项目设计的蓝牙模块的供电电源仅为3.8V，因此需要通过稳压管（IN4790）将电源稳压置3.9V。需要注意的是：根据LM2576S-ADJ芯片数据手册可知LM2576S-ADJ的供电电压为12V，但是在12V供电电源与LM2576S-ADJ芯片之间存在二极管，这就导致该芯片的供电电压不足，因此为了保证芯片的输入供电电压达到芯片的临界值，芯片要保持其校准器处于关闭状态，同时该芯片的ON/OFF引脚不能接地。本项目蓝牙模块供电的电路原理图如图2所示，图中的LED1表示模块已经上电。
由于处理器内核级片内外设供电电源为3V，因此需要将图2中稳压管稳压后的电源3.9V连接一个电压调节器，经过降压得到3V的供电电源。这里电压调节器采用CX6203E系列中的XC6203E332PR，XC6203E332PR是一个高精密度、低功耗的正向电压调节器，其输出电压范围为1.8V~6.0V，精确度在0.1V左右，输出电流最大可达到400mA，XC6203E332PR的降压电路如图3所示：
图2 BLE0102C2P模块的电源电路原理图
图3 XC6203E332PR降压电路图
4.2 信号完整性分析
在高速数字设计领域，高的信号噪声会对低噪声器件产生影响，导致其无法准确传递“消息”。由于在低功耗模式下各种资源极其有限，因此对板卡设计阶段的分布式电路分析就变得越来越关键。信号的边沿速率只有几纳秒，因此需要仔细分析板卡阻抗，确保合适的信号线终端，减少这些线路的反射，保证电磁干扰处于一定的规则范围之内，获得良好的信号完整性，信号的完整性分析关注器件间的互连—驱动管脚源、目的接收管脚和连接它们的传输线[5]。
在理想的条件下，源管脚的信号在沿着传输线传输时是不会有损伤的，但考虑到传输线的长度、特定激励频率下的线轨阻抗特性以及连接两端的终端特性等，信号在沿着传输线传输时就会因反射和电磁兼容(EMI)等问题影响信号的完整性。以下是对反射和EMI以及本项目提出的解决方法的分析。
在布线的过程中，两根相邻的线相当于两根传输线，且比较均匀，传输线上的电流与两线间的电压一般是随着时间变化的，又由于在传输线上和线间分布有上述电路参数，导致不同位置处的电流、电压也不同，在两根平行的传输线上，将传输线分成无穷多的小段，整个传输线便可视为有许多传输线的小段级联构成，对从x到x+dx的一小段传输线可以作出如图4所示的电路模型，此电路模型中的R0dx和L0dx分别是dx长的一段传输线上的电阻、电感，C0dx和G0dx是dx长的一段传输线两线间的电容和电导。
图4 主要电路的分布式参数分析
在x处，传输线中的电流用i(x,t)表示，两线间的电压用u(x,t)表示，因此在x+dx处的电流和电压分别是 
和
。根据基尔霍夫定律，对长度为dx的传输线可得方程(1)(2)：
（1）
（2）
整理式(1)(2)，并略去二阶微量，即得式(3)(4)：
（3）
（4）
如图4所示：如果将x+dx处连接到MAX3232芯片(该芯片实现本项目蓝牙模块接口与通用串口之间电平的转换)的引脚上，就表明MAX3232引脚上的电压为x+dx处的电压，它的值为
，而且脉冲激励电源在电压平稳后到下降这段时间可以视为直流激励电源，因此，将图4处的电路图进行简化如图5所示：
图5无限小代尔塔电路分布式参数分析
如图5所示：根据电压完整性原理，我们可以得出如下的方程：
（5）
将方程式(5)进行整理，即得方程式(6)：
（6）
在这里令A=
，B=
，C=
，p=
则方程式可简化为：
，根据A、B、C的值可以分为过阻尼、欠阻尼、临界阻尼和无阻尼四种情况，且假设特征根为P1和P2，因此在过阻尼情况下，值为
，在欠阻尼情况下，假设
, 
，值为
，在临界阻尼情况下，
，在无阻尼情况下，假设
，
，值为
，根据波形图可知，属于欠阻尼情况。
通过分析，信号的完整性问题是由反射造成的，发射的起因是阻抗不匹配，为了减少反射，获得干净的信号波形，没有响铃特征，就需要很好的阻抗匹配，通常是在设计中的相关点添加终端电阻或RC网络，以此匹配终端阻抗，减少反射，降低功耗。其方案如图6所示：
图6 阻抗匹配方案
4.3 仿真结果分析
图7和图8分别为本项目所设计的超低功耗蓝牙模块两个节点上的信号完整性分析及终端阻抗匹配信号分析，从图中可以看出此模块在这两个节点上由于实现了信号阻抗的匹配，最大程度的减少了能量的损失。我们在此模块的数千个节点上都实现了类似的阻抗匹配，因此可以节约大量的能耗损失，实现模块的超低功耗。
图7 蓝牙模块-管脚信号完整性分析 图8 蓝牙模块-终端阻抗匹配分析
5. 蓝牙模块通信测试
目前有很多设备开始支持蓝牙4.0技术，如移动电话、个人电脑、平板电脑等。本测试是以支持蓝牙4.0的iPhone 4S 为例，通过在iPhone 4S 上运行的示例程序“BTDemo”，让手机和该蓝牙模块相互收发数据。主要步骤如下所示：
（1）该蓝牙模块保持出厂默认参数，通过串口和PC连接，上电并处于数据通讯模式。
（串口默认波特率为9600）
（2）打开“BTModule”软件。
（3）点击查找键“1”，手机会搜索周边的蓝牙4.0数据通信模块设备。片刻后显示出设备名称，说明找到了该蓝牙4.0数据通信模块“BLE0102C2P”。其中“BLE0102C2P”为所设计的蓝牙模块的型号。
（4）点击连接按钮“2”，待连接成功后，连接按钮会显示为断开按钮，同时模块端的Link
脚会变为高电平，先前闪烁的STATE_LED熄灭。
（5）选择数据测试“3”，发送数据框中输入待发送的数据“Hello World”，选择发送“4”，手机会将这段数据发送到蓝牙模块，模块接收到这串数据后，向PC的串口送出这串数据。
PC串口向模块的串口发送数据“Hello World”，手机端会收到数据并在接收数据框中显示出来，从而实现蓝牙模块的通信。
6. 小结
本项目是针对目前基于蓝牙传输的穿戴式智能设备的大量涌现，以及各行各业的技术人员并不是都很了解蓝牙技术这种矛盾设计了这款面向开发人员的简便易用，实现在低功耗模式下数据稳定高速传输的黑盒子蓝牙模块。使得并不是很了解蓝牙技术的人员可直接使用该模块扩展简单外围，就能快速设计出方案甚至产品，以最低的成本、最高的效率推出个性化的移动设备新外设。该蓝牙模块实物图如下所示：
参考文献：
[1]金纯,肖玲娜,罗纬等.超低功耗蓝牙技术规范解析[M].北京：国防工业出版社，2010.5.
[2]TI.2.4GHz Bluetooth low energy
System-on-Chip[EB/OL].[2012-11-20].
http://www.ci.com.cn/produce/cn/CC2540
[3]曹青春,刘辉.基于CC2540的蓝牙射频模块设计.海南师范大学学报,2013(26).
[4]严朝雄.消费类电子产品天线阻抗匹配的研究[D].武汉理工大学,2011.
[5]曾峰,侯亚宁,曾凡雨. 印制电路板(PCB)设计与制作[M].
北京：电子工业出版社,2002.
作者简介：