基于CC2541藍(lán)牙模塊與單片機(jī)的串口通信

1、課程設(shè)計(jì)：基于CC2541藍(lán)牙模塊與單片機(jī)的串口通信 基于CC2541藍(lán)牙模塊與單片機(jī)的串口通信摘要藍(lán)牙技術(shù)作為一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，可提供低功耗、短距離的無線空中接口，在各種固定與移動設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線通信。在移動通信、無線數(shù)據(jù)采集、無線遙控與遙測、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及自動控制等多種領(lǐng)域，藍(lán)牙技術(shù)都有著廣泛的應(yīng)用。藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范具有多個層次，完整的藍(lán)牙協(xié)議棧的開發(fā)是一項(xiàng)很復(fù)雜的工程，而在大多數(shù)嵌入式應(yīng)用中，只是需要實(shí)現(xiàn)基本的無線數(shù)據(jù)傳輸功能，并不需要實(shí)現(xiàn)全部的藍(lán)牙協(xié)議棧。針對此類應(yīng)用，若是能提供一套實(shí)用的藍(lán)牙無線接口、實(shí)現(xiàn)一個通用的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，就可以比較有效地縮短開發(fā)周期，降低開

2、發(fā)成本。藍(lán)牙通訊最初設(shè)計(jì)初衷是方便移動電話（手機(jī)）與配件之間進(jìn)行低成本、低功耗無線通信連接，現(xiàn)在已經(jīng)成為IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)，得到全球上萬家廠商支持。本文通過對美國德州儀器半導(dǎo)體公司（TI）開發(fā)的CC2541藍(lán)牙模塊與51單片機(jī)搭建電路實(shí)現(xiàn)無線通信技術(shù)。 BLE（Bluetooth Low Energy），藍(lán)牙 4.0 標(biāo)準(zhǔn)里的一個子集，藍(lán)牙 4.0 分為兩部分，一個是能夠兼容傳統(tǒng)藍(lán)牙的高速部分，另外就是這里的 BLE， 的兩大顯著特點(diǎn)：BLE功耗低，速率低。所以你就別打算用 BLE 來做音頻傳輸或者文件傳輸了，目前 BLE最大的傳輸速率只能達(dá)到 45K 字節(jié)/每秒。BLE 協(xié)議棧，藍(lán)牙

3、4.0 里的 BLE，只是一個協(xié)議規(guī)范，而 BLE 協(xié)議棧則是該協(xié)議的代碼實(shí)現(xiàn)。藍(lán)牙組織 SIG，只負(fù)責(zé)制定協(xié)議，而協(xié)議如何實(shí)現(xiàn)，則需要各個芯片公司完成。可以這樣理解，BLE 協(xié)議棧是芯片公司預(yù)先編好的源碼或者庫。關(guān)鍵詞：藍(lán)牙 單片機(jī) 通信 BLE4.01 緒論1. 背景介紹藍(lán)牙技術(shù)的最初倡導(dǎo)者是五家世界著名的計(jì)算機(jī)和通信公司：愛立信Ericsson、國際商用機(jī)器IBM、英特爾Intel、諾基亞NoMa和東芝Toshiba。1998年5月，以愛立信為首，此五家IT巨人共同提出了一種近距離無線數(shù)字通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最高傳輸速率可達(dá)1Mbs(有效傳輸速率為720Kbs)，最大傳輸距離為10

4、m的無線通信技術(shù)，即藍(lán)牙技術(shù)，并成立了國際化組織藍(lán)牙SIG(SpecialInterest Group)，致力于藍(lán)牙規(guī)范的制定和藍(lán)牙技術(shù)在全球范圍內(nèi)的推廣。藍(lán)牙通信有很多優(yōu)點(diǎn)，首先是低功耗，以BLE 4.0為例，一節(jié)鈕扣電池在靜態(tài)工作狀態(tài)可以支持一年；其次是低成本，TI公司的CC2540藍(lán)牙SOC方案芯片出售價(jià)僅1美元，可以讓人們低廉使用藍(lán)牙技術(shù)；再次是開放性，2.4GHz的頻段全球開放，沒有政府監(jiān)管；最后是適合時代潮流，現(xiàn)在是手機(jī)的時代，藍(lán)牙技術(shù)本來就為它而生。藍(lán)牙4.0協(xié)議是2010年6月由SIG（Special Interest Group）發(fā)布的最新標(biāo)準(zhǔn)，它有2種模式：BLE（Blue

5、tooth low energy）只能與4.0協(xié)議設(shè)備通信，適應(yīng)節(jié)能且僅收發(fā)少量數(shù)據(jù)的設(shè)備（如家用電子）；BR/EDR（Basic Rate / Enhanced Data Rate），向下兼容（能與3.0/2.1/2.0通信），適應(yīng)收發(fā)數(shù)據(jù)較多的設(shè)備（如耳機(jī)）。目前，蘋果公司的iPhone 4S、iPhone 5、miniPad和iPad 3；小米手機(jī)2；三星公司的Galaxy SIII和Note II；HTC ONE系列等移動設(shè)備都支持藍(lán)牙4.0CC2540/CC2541，美國德州儀器半導(dǎo)體公司（簡稱 TI）的 BLE 芯片，TI 實(shí)現(xiàn)的 BLE協(xié)議棧同樣是 ble 協(xié)議的代碼實(shí)現(xiàn)，這些

6、BLE 代碼正是運(yùn)行在 CC2540/CC2541 芯片上，簡單的說 CC254x 就是一顆帶有藍(lán)牙功能的 51 單片機(jī)，其他單片機(jī)有的資源，例如定時器，UART，SPI，ADC，GPIO，USB(CC2540 專有)，I2C(CC2541 專有)等等，CC254x 也都有，而 BLE 協(xié)議棧也就是一些復(fù)雜一點(diǎn)的 C 語言源碼2. 硬件設(shè)備CC254x 的應(yīng)用非常廣，三種金典應(yīng)用：1 串口透傳，2 穿戴式設(shè)備，3PC上的 BLE 適配器，這樣就對應(yīng)了三種設(shè)備，帶有帶串口的 SmartRF 開發(fā)板（用來開發(fā)大部分的應(yīng)用），帶有三軸加速度計(jì)的 Keyfob 防丟器開發(fā)板（用來開發(fā)穿戴式設(shè)備），最后

7、是CC2540USBdongle，可以直接插在 USB 口上（開發(fā) BLE 適配器或者虛擬串口等應(yīng)用）。而且TI 的 BLE 協(xié)議棧例程，也是建立在這三種設(shè)備上。2.1 SmartRF 開發(fā)板SmartRF 開發(fā)板兼容 TI 官方的 SmartRF05EB 開發(fā)板，TI 的 BLE 協(xié)議棧里提供的大部分例程，均基于該開發(fā)板創(chuàng)建，我們除了升級了 LCD 為 12864 外，其余完全兼容，TI 協(xié)議棧例程可以直接在我們的 SmartRF 上運(yùn)行，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)?TI 經(jīng)常有版本更新或者新的例程出來。2.2 Keyfob 開發(fā)板Keyfob 開發(fā)板帶有一個三軸加速度計(jì)和一個蜂鳴器，除了可以開發(fā)

8、防丟器外，還有更多的想象空間：計(jì)步器、運(yùn)動檢測等等。和 SmartRF 開發(fā)板一樣，采用的也是底板分離的設(shè)計(jì)，核心板和 SmartRF 相同（Keyfob默認(rèn)發(fā) CC2541 核心板，CC2541 版本的 keyfob 資源更多）。Keyfob 的反面有一個型號為 CR2032 的紐扣電池座。我們采用的電池座和 TI 的 Sensortag開發(fā)板的質(zhì)量一樣，厚實(shí)、耐用。2.3 CC-Debugger 仿真器CC254x 不支持串口下載，所以只能通過 CC-Debugger 燒寫，除了燒寫功能，也可以在 IAR 開發(fā)軟件里，通過CC-Debugger 連接芯片在線調(diào)試你開發(fā)的程序，單步運(yùn)行、打斷

9、點(diǎn)等，所以又叫仿真器。TI 官方開發(fā)板配套使用的全部是 CC-Debugger 仿真器3. 軟件環(huán)境IAR for 8051 開發(fā)環(huán)境，F(xiàn)lash Programmer 固件燒寫軟件2 CC2541芯片的特性參數(shù)CC2541 是一款針對藍(lán)牙低能耗以及私有2.4GHz 應(yīng)用的功率優(yōu)化的真正片載系統(tǒng)(SoC) 解決方案。它使得使用低總體物料清單成本建立強(qiáng)健網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成為可能。CC2541 將領(lǐng)先RF 收發(fā)器的出色性能和一個業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 MCU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存存儲器、8kBRAM 和很多其它功能強(qiáng)大的特性和外設(shè)組合在一起。CC2541 上CC2541 非常適合應(yīng)用于需要超低能耗的系統(tǒng)。這

10、由多種不同的運(yùn)行模式指定。運(yùn)行模式間較短的轉(zhuǎn)換時間進(jìn)一步使低能耗變?yōu)榭赡?。如?CC2540 上的 USB 未啟用并且 CC2541 上的I2C/ 額外I/O 未啟用，那么CC2541 與CC2540 在6mm x 6mm 方形扁平無引腳(QFN) 40 封裝內(nèi)引腳兼容。與CC2540 相比，CC2541 提供更低RF 流耗。CC2541 沒有CC2540 所具有的USB 接口，并在TX模式中提供較低的最大輸出功率CC2541 還增加了1 個HW I2C 接口。CC2541 與CC2533 優(yōu)化RF4CE IEEE 802.15.4 SoC引腳兼容。CC2541 有2 個不同的版本：分別具有1

11、28kB 和256kB 閃存的的CC2541F128/F256。1特性（1）射頻 2.4GHz藍(lán)牙符合低能耗規(guī)范和私有的RF 片載系統(tǒng) 支持250kbps，500kbps，1Mbps，2Mbps 的制器內(nèi)核數(shù)據(jù)速率 出色的鏈路預(yù)算，不使用外部前段而支持長距離應(yīng)用 高達(dá)0dBm 的可編程輸出功率 出色的接收器靈敏度（1Mbps 時為- 94dBm），可選擇性，和阻擋性能 適合于針對符合世界范圍內(nèi)的無線電頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)：ETSI EN 300 328 和 EN 300 440 2 類 （歐洲），F(xiàn)CC CFR47 15 部分（美國），和ARIB STD-T66（日本）（2）布局 極少的外部組件 提供

12、參考設(shè)計(jì) 支持 6mm × 6mm 方形扁平無引腳 (QFN)-40 封裝 與 CC2540 引腳兼容 （當(dāng)不使用 USB 或者 I2C 時） (ADC)（3）低功率 工作模式 RX 低至：17.9mA 工作模式 TX (0 dBm)：18.2mA 功率模式 1（4s 喚醒）：270s 功率模式2（睡眠定時器打開）：1s 功率模式3（外部中斷）：0.5s（4）工作模式下TPS62730兼容低功率 RX 低至：14.7mA（3V 電源） TX (0 dBm)：14.3 mA（3V 電源）（5）微控制器 具有代碼預(yù)取功能的高性能和低功率8051 微控制器內(nèi)核 系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，128 或

13、者256 KB 在所有功率模式下具有保持功能的8KB RAM 支持硬件調(diào)試 擴(kuò)展基帶自動化，包括自動確認(rèn)和地址解碼 所有功率模式中對所有相關(guān)寄存器的保持（6）外設(shè) 功能強(qiáng)大的 5 通道直接內(nèi)存訪問 (DMA) 通用定時器（1 個 16 位，2 個 8 位） 紅外(IR) 生成電路 具有捕捉功能的32kHz 睡眠定時器 精確數(shù)字接收到的數(shù)字信號強(qiáng)度指示器(RSSI)支持 電池監(jiān)視器和溫度感應(yīng)器 含 8 通道和可配置分辨率的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 高級加密標(biāo)準(zhǔn) (AES) 安全協(xié)處理器 2 個功能強(qiáng)大的支持幾個串行協(xié)議的通用異步接收發(fā)器 (UART) 23 個通用 I/O 引腳(21 &#

14、215; 4mA，2 × 20mA) I2C 接口 2 個具有LED 驅(qū)動功能的I/O 引腳 安全裝置定時器 集成的高性能比較器（7）開發(fā)工具 CC2541 評估模塊工具包 (CC2541EMK) CC2541 小型開發(fā)工具包 (CC2541DK-MINI) SmartRF 軟件 提供IAR 嵌入式Workbench2.軟件特性（1）符合針對單模式藍(lán)牙低能耗(BLE) 解決方案的符合藍(lán)牙4.0 協(xié)議的堆棧器 完全功率優(yōu)化堆棧，包括控制器和主機(jī) GAP - 中心設(shè)備，外設(shè)，或者廣播器（包括組合角色） 屬性協(xié)議(ATT) / 通用屬性配置文件(GATT) 客戶端和服務(wù)器 L2CAP 說明

15、（2）示例應(yīng)用和配置文件 針對GAP 中心和外圍作用的一般應(yīng)用 距離臨近，加速計(jì)，簡單關(guān)鍵字，和電池GATT 服務(wù) BLE 軟件棧內(nèi)支持更多應(yīng)用（3）多重配置選項(xiàng) 單芯片配置，允許應(yīng)用運(yùn)行在CC2541 上 用于運(yùn)行在一個外部微處理器接口 BTool - 用于評估、開發(fā)和測試的視窗(Windows) PC 應(yīng)用 3.應(yīng)用范圍 2.4GHz藍(lán)牙低能耗系統(tǒng) 私有的2.4 GHz 系統(tǒng) 人機(jī)接口器件（鍵盤，鼠標(biāo)，遙控） 體育和休閑設(shè)備1 個HW I2C 接口。 移動電話附件 消費(fèi)類電子產(chǎn)品4.含有TPS62730的CC2541 TPS62730是一款具有旁通模式的2MHz 降壓轉(zhuǎn)換器 延長電池壽命高

16、達(dá)20% 在所有工作模式下減少的電流 30nA 旁通模式電流以支持低功率模式 RF 性能并未改變 小型封裝允許小型解決方案尺寸 CC2541 可控3 基于單片機(jī)的藍(lán)牙硬件接口設(shè)計(jì)1.單片機(jī)C8051簡介微控制器(MCu)是藍(lán)牙應(yīng)用系統(tǒng)的核心，它的選擇將直接影響到系統(tǒng)的性能。C8051F120是Cygnal公司的一種與8051兼容的高速SOC單片機(jī)，它具有高速CIP51內(nèi)核、靈活的IO交叉開關(guān)、先進(jìn)的時鐘系統(tǒng)、JTAG系統(tǒng)調(diào)試接口以及多源復(fù)位系統(tǒng)它性能卓越，內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，速度可達(dá)100MIPS，比普通的51快40倍，而且在資源豐富、體積小、功耗低、集成度高且調(diào)試方便。下面列出了它的一些主要

17、特性：（1）高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP51內(nèi)核；（2）真正8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；（3）2周期的16×16的乘法和累加引擎；（4）8448(8K+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM；（5）可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；（6）硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus12C和兩個UART串行接El10l；（7）5個通用的16位定時器；（8）具有6個捕捉比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器定時器陣列；（9）FLASH存儲器具有在系統(tǒng)中重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新固件；（10）片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)測

18、試；（11）可在工業(yè)溫度范NI(45"C一+85。c)N用27V36V的電壓工作。（12）C8051F120為100腳TQFP封裝。2.單片機(jī)與藍(lán)牙模塊的連接目前，最流行的HCI是通過通用異步收發(fā)器(UART)和通信串行總線(USB)連接的。其中UART通常更受青睞，因?yàn)槠湫阅芎蛿?shù)據(jù)吞吐率水平與USB接口相當(dāng)，且傳輸協(xié)議較為簡單，減少了軟件開銷，是一種更為經(jīng)濟(jì)高效的硬件解決方案。藍(lán)牙模塊電源線藍(lán)牙模塊的電壓管理器共有4個輸入，分別是Vcc(12)、MASTER(28)、SW（27）和SW1（23）。Vcc提供電源電壓，典型值是33V；MASTER(28)為UART提供一個獨(dú)立的電源回

19、路，可以與單片機(jī)邏輯接口相同，可以連接到Vcc；SW（27）信號控制內(nèi)部電壓穩(wěn)壓器導(dǎo)通或關(guān)斷。將Vcc（12）、MASTER(28)、SW（27）和SW1（23）連接在一起使用時，不需要考慮藍(lán)牙模塊的加電順序。 圖1：藍(lán)牙模塊的外圍電路數(shù)據(jù)線和信號線單片機(jī)C8051F120具有兩個UART，在此選用UART0。在編程時候可通過交叉開關(guān)設(shè)置，將UART0分配到兩個管腳上，例如P3.1(TXD)和P3.0(RXD)，分別與藍(lán)牙模塊的RXD和TXD相連。另外，單片機(jī)端需另外分配兩個管腳，例如P12和P13，分別作為流量控制信號CTS和RTS，分別與藍(lán)牙模塊的RTS和CTS相連。若CTS為1則允許對方

20、發(fā)送，若CTS為0則禁止對方發(fā)送。 圖2：單片機(jī)的外圍電路藍(lán)牙模塊天線藍(lán)牙模塊ANT管腳連接到50歐的天線，天線的電壓駐波比小于2：1。在本課題的實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)和藍(lán)牙模塊是焊接在一個PCB板上的。由于藍(lán)牙模塊采用平面封裝，而且引腳很密集，要想直接焊接到PCB板上很困難，而且天線也很難焊接上去。因而自行設(shè)計(jì)了一個輔助電路板，先將藍(lán)牙模塊焊接到此輔助電路板上，然后將要用到的藍(lán)牙模塊的部分引腳引出來，通過插座將藍(lán)牙模塊連接到PCB板上，這樣就使得藍(lán)牙模塊的裝卸變得很方便。輔助電路板引出的管腳有GND地線、VCC33V、數(shù)據(jù)收發(fā)線RXD和TXD、流控線RTS和CTS、使能信號線EN、復(fù)位信號線

21、RESET，其中BT EN即圖3中的ON信號，實(shí)際應(yīng)用中將它與VCC接在一起，其他的與單片機(jī)相連。 圖3：CC2541與單片機(jī)的連接電路4 軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)通過UART控制藍(lán)牙模塊時，最底層的數(shù)據(jù)傳輸是通過UART實(shí)現(xiàn)的。因而需要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)UART接口函數(shù)來完成最基本的字節(jié)級的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。UART即通用異步通信接收發(fā)送器，它是一種同步異步傳輸?shù)拇薪涌?，工作在同步傳輸?shù)臑榘腚p工方式，而工作在異步傳輸?shù)臑槿p工方式。單片機(jī)的UART用一個SFR(且ISBUF)的地址可以訪問發(fā)送寄存器和接收寄存器，并允許在軟件尚未讀取前一個接收字節(jié)的情況下，開始接收第2個輸入數(shù)據(jù)字節(jié)。C8051F120的UAR

22、T工作模式有模式O、模式1、模式2、模式3共4種，其中模式0是同步半雙工方式，其余全為異步全雙工方式。相關(guān)程序如下：#include <ioCC2540.h>#include <reg52.h>#include <intrins.h>unsigned char tmp;unsigned int c=0;sbit led1=P20; /指示燈0sbit led2=P21; /指示燈1sbit led3=P23; /指示燈3void init(); /串口初始化void send(unsigned char a); /單字節(jié)發(fā)送函數(shù)void ctrl(); /接

23、收處理函數(shù)void main() init(); while(1) if(RI=1) /是否有數(shù)據(jù)到來 RI = 0; tmp = SBUF; /暫存接收到的數(shù)據(jù) ctrl(); void init() /串口初始化 ES=0; /關(guān)中斷 SCON = 0x50; / REN=1允許串行接受狀態(tài)，串口工作模式1,10 /位UART（1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位， /無奇偶校驗(yàn)），波特可變 TMOD = 0x20; /定時器1工作于方式2，8位自動重載模式,用 /于產(chǎn)生波特率 TH1=TL1=0xFD; /波特率9600 （本次測試采用晶振為11.0592） PCON &= 0x7

24、f; /波特率不倍增 TR1 = 1; /定時器1開始工作，產(chǎn)生波特率 /發(fā)送標(biāo)志位置1 TI=0; /接收標(biāo)志位置0 RI=0; EA=0; ES=1; led1=0; /初始化設(shè)置3個指示燈全亮 led2=0; led3=0;void send(unsigned char a) /單字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送 /注意：若單片機(jī)TXD（P3.1）無上拉能力，必須在P3.1端接上拉電阻。本次測試需要接上拉電阻 TI=0; SBUF=a; while(TI=0); TI=0; if(c%2) /發(fā)送指示燈標(biāo)志，每接收一次，此燈亮滅交替 led3=1; else led3=0; c+; void ctrl() /接收處理函數(shù) switch(tmp) case '1': led1=1; /收到字符1，指示燈0滅 send(tmp); break; case '2': /收到字符2，指示燈1滅 led2=1； send(tmp); break; case '3': /收到字符3，指示燈0、1亮 led1=0; led2=0; send(tmp); break; case '4': /收到字符4，指示燈0、1滅 led1=1; led2=1; send(tmp); break; case '