關(guān)鍵詞：MSP430 低功耗 藍(lán)牙 LBMx-2002

藍(lán)牙技術(shù)是一項(xiàng)新興的計(jì)算機(jī)與通信方面的短距離（１０ｍ～１００ｍ）無(wú)線電信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，是一種面向低功耗的無(wú)線技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，盡管藍(lán)牙功耗很小，但是藍(lán)牙在工作時(shí)天線發(fā)射所需要的功耗相對(duì)來(lái)說(shuō)仍然較大，因此在小型便攜式產(chǎn)品中為了實(shí)現(xiàn)小容量電池供電?熏需要考慮如何進(jìn)一步降低功耗、延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。

本文介紹ＴＩ公司ＭＳＰ４３０系列中Ｆ４４７單片機(jī)以及ＬＧ Ｉｎｎｏｔｅｋ公司Ｃｌａｓｓ ２藍(lán)牙模塊ＬＢＭｘ－２００２的特點(diǎn)和使用，并介紹如何利用它們本身具有的各種低功耗運(yùn)行方式最大限度地降低系統(tǒng)功耗，以較小的硬件尺寸、較好的便攜性和移動(dòng)性實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線數(shù)據(jù)和信息的傳輸。

１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型的藍(lán)牙應(yīng)用系統(tǒng)如圖１所示。系統(tǒng)由多個(gè)可移動(dòng)的藍(lán)牙從設(shè)備（ＳＬＡＶＥ）、一個(gè)負(fù)責(zé)與藍(lán)牙從設(shè)備建立連接的藍(lán)牙主設(shè)備（ＭＡＳＴＥＲ）以及一臺(tái)管理計(jì)算機(jī)組成。藍(lán)牙主設(shè)備可以通過ＲＳ－２３２、ＰＣＩ或者ＵＳＢ與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)。藍(lán)牙從設(shè)備可以設(shè)計(jì)為各種便攜和移動(dòng)器件，例如車輛管理系統(tǒng)的車載裝置、門禁系統(tǒng)的身份卡。藍(lán)牙主設(shè)備不斷查詢是否有新的藍(lán)牙設(shè)備，再將查詢到的信息通過接口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)決定是否對(duì)其進(jìn)行連接，并建立數(shù)據(jù)鏈路，控制各個(gè)從設(shè)備與主設(shè)備的通信。計(jì)算機(jī)與各種藍(lán)牙接入裝置之間的各種信息通過藍(lán)牙數(shù)據(jù)鏈路完成交換。

２ 藍(lán)牙接入裝置硬件結(jié)構(gòu)

以藍(lán)牙從設(shè)備為例，藍(lán)牙從設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)如圖２所示。系統(tǒng)由ＭＳＰ４３０Ｆ４４７、ＬＢＭｘ－２００２藍(lán)牙模塊、ＲＳ－２３２接口、串行存儲(chǔ)器、ＬＣＤ顯示屏以及微帶天線組成。單片機(jī)通過ＵＡＲＴ１控制藍(lán)牙模塊的工作。作為從設(shè)備需要主設(shè)備發(fā)起連接，未建立連接時(shí)，一直處在等待連接狀態(tài)。數(shù)據(jù)鏈路建立后，單片機(jī)接收藍(lán)牙模塊返回的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過ＬＣＤ屏顯示。ＲＳ－２３２接口用于配置從設(shè)備信息，如從設(shè)備的ＩＤ、安全連接ＰＩＮ碼等。從設(shè)備信息由計(jì)算機(jī)通過ＲＳ－２３２接口發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將其保存在內(nèi)部的Ｆｌａｓｈ或者擴(kuò)展的串行存儲(chǔ)器中。

２．１ ＭＳＰ４３０Ｆ４４７單片機(jī)

ＭＳＰ４３０Ｆ４４７工作電壓范圍１．８Ｖ～３．６Ｖ。在１ＭＨｚ時(shí)，不同運(yùn)行模式下的額定工作電流為０．１μＡ～４００μＡ，具有五種節(jié)能工作方式，可以使系統(tǒng)在保證正常運(yùn)行條件下最大限度地降低功耗。內(nèi)部具有硬件乘法器、ＦＬＬ＋時(shí)鐘系統(tǒng)、１２位Ａ／Ｄ、模擬比較器和定時(shí)器模塊，還包括六個(gè)Ｉ／Ｏ端口以及兩個(gè)硬件ＵＡＲＴ。另外，它還支持高達(dá)１６０段位的ＬＣＤ驅(qū)動(dòng)器，可以不另外增加液晶驅(qū)動(dòng)模塊而直接連接ＬＣＤ顯示屏。單片機(jī)內(nèi)部具有電源電壓管理單元，可以很方便地實(shí)現(xiàn)電池電壓監(jiān)測(cè)。

    ＭＳＰ４３０Ｆ４４７有六種運(yùn)行模式，一種是ＡＭ正常運(yùn)行模式，其余為低功耗運(yùn)行模式：

（１）ＬＰＭ０（Ｌｏｗ－ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｅ ０）：ＣＰＵ和ＭＣＬＫ主時(shí)鐘關(guān)閉，ＡＣＬＫ輔助時(shí)鐘、ＳＭＣＬＫ子系統(tǒng)主時(shí)鐘和ＦＬＬ＋鎖頻環(huán)保持活躍；

（２）ＬＰＭ１：ＣＰＵ、ＭＣＬＫ和ＦＬＬ＋關(guān)閉，ＡＣＬＫ和ＳＭＣＬＫ保持活躍；

（３）ＬＰＭ２：ＣＰＵ、ＭＣＬＫ、ＦＬＬ＋和ＤＣＯＣＬＫ關(guān)閉，ＡＣＬＫ和數(shù)字時(shí)鐘發(fā)生器保持活躍；

（４）ＬＰＭ３：ＣＰＵ、ＭＣＬＫ、ＦＬＬ＋、ＤＣＯＣＬＫ和數(shù)字時(shí)鐘發(fā)生器關(guān)閉，ＡＣＬＫ保持活躍；

（５）ＬＰＭ４：ＣＰＵ、ＭＣＬＫ、ＡＣＬＫ、ＦＬＬ＋、ＤＣＯＣＬＫ和時(shí)鐘發(fā)生器關(guān)閉，晶振停止振蕩。

以ｆ（ＡＣＬＫ）＝３２．７６８Ｈｚ，ｆ（Ｓｙｓｔｅｍ）＝１ＭＨｚ，ＶＣＣ＝３Ｖ為例，單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，ＡＭ時(shí)消耗電流為４２０μＡ，ＬＰＭ０時(shí)為５５μＡ，ＬＰＭ２時(shí)為１７μＡ，ＬＰＭ３時(shí)為１．６μＡ（２５℃），ＬＰＭ４時(shí)為０．１μＡ（２５℃）。

２．２ 藍(lán)牙模塊

本文使用ＬＧ Ｉｎｎｏｔｅｋ公司Ｃｌａｓｓ ２ 藍(lán)牙模塊ＬＢＭｘ－２００２，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖３所示。其內(nèi)核藍(lán)牙模塊采用ＣＳＲ公司的ＢｌｕｅＣｏｒｅ２－Ｅｘｔ單片藍(lán)牙，通過對(duì)ＢｌｕｅＣｏｒｅ２－Ｅｘｔ的進(jìn)一步封裝，極大地降低了電路設(shè)計(jì)的難度。

    ＬＢＭｘ－２００２提供完全兼容藍(lán)牙系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信，向主機(jī)提供ＵＡＲＴ和ＵＳＢ接口，支持７２３．２ｋｂｐｓ／５７．６ｋｂｐｓ數(shù)據(jù)速率及Ａ律、μ律壓縮，提供每秒８ｋＨｚ采樣率，雙向同步串行音頻接口。內(nèi)部具有４ＭＢ／８ＭＢ的ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ。其協(xié)議棧采用ＢｌｕｅＣｏｒｅ２－Ｅｘｔ ＨＣＩＳｔａｃｋ１．１ｖ１４．３，兼容藍(lán)牙規(guī)范１．１版本。整個(gè)模塊的尺寸相當(dāng)小，只有１２．５ｍｍ×１７．５ｍｍ。

它的供電電壓為３．０Ｖ～３．６Ｖ，工作電流在ＡＣＬ數(shù)據(jù)傳輸(ＵＡＲＴ／１１５．２ｋｂｐｓ)是２０ｍＡ，在只有Ｖｏｉｃｅ時(shí)(ＨＶ３ Ｐａｃｋｅｔ)是３３ｍＡ，具體如表１所示。

藍(lán)牙支持三種節(jié)能工作模式：ＨＯＬＤ（保持）模式、ＳＮＩＦＦ（呼吸）模式和ＰＡＲＫ（暫停）模式。在ＨＯＬＤ模式下，只有一個(gè)內(nèi)部計(jì)數(shù)器工作。當(dāng)處于ＨＯＬＤ模式的單元被激活，數(shù)據(jù)傳遞立即重新開始。ＨＯＬＤ模式一般用于連接多個(gè)ＰＩＣＯＮＥＴ（微微網(wǎng)）的情況。在ＳＮＩＦＦ模式下，從設(shè)備降低了從微微網(wǎng)“收聽”消息的速率，“呼吸”間隔也可以適當(dāng)調(diào)整。在ＰＡＲＫ模式下，設(shè)備依然與微微網(wǎng)同步但沒有數(shù)據(jù)傳送。工作在ＰＡＲＫ模式下的設(shè)備放棄了ＭＡＣ地址，偶爾收聽主設(shè)備的消息并恢復(fù)同步，檢查廣播消息。這三種工作模式以ＰＡＲＫ模式節(jié)能效率最高，依次是ＨＯＬＤ模式和ＳＮＩＦＦ模式。

圖4 軟件流程圖

    通過表１可以看出?熏藍(lán)牙建立連接后在ＰＡＲＫ模式條件下的消耗電流最低，通過控制藍(lán)牙的工作狀態(tài)與ＭＳＰ４３０的低功耗模式相結(jié)合，可以極大地降低系統(tǒng)工作電流，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。在本文的藍(lán)牙接入裝置中，通過單片機(jī)外接高頻晶振、關(guān)閉頻率鎖定環(huán)ＦＬＬ＋等內(nèi)部模塊，將單片機(jī)的節(jié)能模式設(shè)定到了ＬＰＭ３，只要保持輔助時(shí)鐘ＡＣＬＫ活躍，就可以響應(yīng)藍(lán)牙模塊通過ＵＡＲＴ返回的數(shù)據(jù)和消息。藍(lán)牙模塊建立連接后，只要沒有數(shù)據(jù)傳輸，就將其工作模式置為ＰＡＲＫ模式。當(dāng)主設(shè)備需要再次傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，需要向從設(shè)備發(fā)送退出ＰＡＲＫ命令。從設(shè)備退出ＰＡＲＫ模式后，即可與主設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換。

表1 LBMx-2002藍(lán)牙模塊的工作電流

３ 藍(lán)牙接入裝置的軟件實(shí)現(xiàn)

下面以從設(shè)備為例說(shuō)明從設(shè)備的工作過程（不涉及存儲(chǔ)器和ＬＣＤ操作，主從設(shè)備之間只建立ＡＣＬ數(shù)據(jù)鏈路）。首先單片機(jī)初始化，設(shè)置ＡＣＬＫ輔助時(shí)鐘，設(shè)置ＵＡＲＴ０和ＵＡＲＴ１等內(nèi)部模塊時(shí)鐘為ＡＣＬＫ，藍(lán)牙模塊復(fù)位；設(shè)置連接模式后，單片機(jī)進(jìn)入ＬＰＭ３休眠狀態(tài)；當(dāng)主設(shè)備通過Ｉｎｑｕｉｒｙ查詢到從設(shè)備并建立連接后，單片機(jī)退出休眠模式，并修改藍(lán)牙模塊的被查詢方式以及設(shè)置ＰＡＲＫ模式的使能，隨后主從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換；當(dāng)沒有數(shù)據(jù)交換時(shí)，藍(lán)牙模塊進(jìn)入ＰＡＲＫ模式，單片機(jī)隨即進(jìn)入ＬＰＭ３休眠狀態(tài)，以降低功耗；當(dāng)數(shù)據(jù)的傳輸恢復(fù)時(shí)系統(tǒng)再退出休眠狀態(tài)。圖４為系統(tǒng)軟件流程圖。

該藍(lán)牙接入裝置通過改變單片機(jī)和藍(lán)牙模塊的運(yùn)行方式，最大限度地降低了整個(gè)裝置的功耗。實(shí)驗(yàn)證明，其節(jié)能效果非常顯著，在小數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)下完全可以使用高容量的鋰電池實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的便攜性、可移動(dòng)性和較長(zhǎng)的使用時(shí)間，因此具有較好的實(shí)用價(jià)值。