蓝牙模块的原理与结构

作为取代数据电缆的短距离无线通信技术，蓝牙支持点对点以及点对多点的通信，以无线方式将家庭或办公室中的各种数据和语音设备连成一个微微网（Pico－net），几个微微网还可以进一步实现互联，形成一个分布式网络（scatter－net），从而在这些连接设备之间实现快捷而方便的通信。本文介绍蓝牙接口在嵌入式数字信号处理器OMAP5910上的实现，DSP对模拟信号进行采样，并对A/D变换后的数字信号进行处理，通过蓝牙接口传输到接收端，同样，DSP对蓝牙接收到的数字信号进行D/A变换，成为模拟信号。
蓝牙信号的收发采用蓝牙模块实现。此蓝牙模块是公司最近推出的遵循蓝牙V1.1标准的无线信号收发芯片，主要特性有：具有片内数字无线处理器DRP（DigitalRadioProcessor）、数控振荡器，片内射频收发开关切换，内置ARM7嵌入式处理器等。接收信号时，收发开关置为收状态，射频信号从天线接收后，经过蓝牙收发器直接传输到基带信号处理器。基带信号处理包括下变频和采样，采用零中频结构。数字信号存储在RAM（容量为32KB）中，供ARM7处理器调用和处理，ARM7将处理后的数据从编码接口输出到其他设备，信号发过程是信号收的逆过程，此外，还包括时钟和电源管理模块以及多个通用I/O口，供不同的外设使用。的主机接口可以提供双工的通用串口，可以方便地和PC机的RS232通信，也可以和DSP的缓冲串口通信。 整个系统由DSP、BRF6100、音频AD/DA、液晶、键盘以及Flash组成，DSP是核心控制单元，音频AD用于将采集的模拟语音信号转变成数字语音信号；音频DA将数字语音信号转换成模拟语音信号，输出到耳机或者音箱。音频AD和DA的前端和后端都有放大和滤波电路，一般情况下，音频AD和DA集成到一个芯片上，本系统使用TI公司的TLV320AIC10，设置采样频率为8KHz，键盘用于输入和控制，液晶显示器显示各种信息，Flash保存DSP所需要的程序，供DSP上电调用；JTAG是DSP的仿真接口，DSP还提供HPI口，该接口可以和计算机连接，可以下载计算机中的文件并通过DA播放，也可以将数字语音信号传输到计算机保存和处理。
系统中的DSP采用OMAP5910，该DSP是TI公司推出的嵌入式DSP，具有双处理器结构，片内集成ARM和DSP处理器。ARM用于控制外围设备，DSP用于数据处理。OMAP5910中的DSP是基于TMS320C55X核的处理器，提供2个乘累加（MAC）单元，1个40位的算术逻辑单元和1个16位的算术逻辑单元，由于DSP采用了双ALU结构，大部分指令可以并行运行，其工作频率达150MHz，并且功耗更低。
OMAP5910中的ARM是基于ARM9核的TI925T处理器，包括1个协处理器，指令长度可以是16位或者32位。DSP和ARM可以协同工作，通过MMU控制，可以共享内存和外围设备，OMAP5910可以用在多种领域，例如移动通信、视频和图像处理，音频处理、图形和图像加速器、数据处理。本系统使用OMAP5910，用于个人移动通信。 DER5460和DGI385的连接是本系统硬件连接的重点，使用DGI385的MCSI接口连接DER5460语音接口。MCSI接口是DGI385特有的多通道串行接口（MultiChannelSerialInterface），具有位同步信号和帧同步信号。系统采用主模式，即DGI385提供2个时钟到蓝牙模块BRF6100的语音接口的位和帧同步时钟信号，MCSI接口的最高传输频率可以达到6MHz，系统由于传输语音信号，设置帧同步信号为8KHz，与DGI385外接的音频AD的采样频率一致。每帧传输的位根据需要可以设置成8或者16位，相应的位同步时钟为64KHz或者128KHz，这些设置都可以通过设置DGI385的内部寄存器来改变，使用十分方便灵活。
通信使用异步串口实现。为了保证双方通信的可靠和实时，使用RTS1和CTS1引脚作为双方通信的握手信号，异步串口的通信频率可设为921.6KHz、460.8KHz、115.2KHz或者57.6KHz等四种。速率可以通过设置DGI385的内部寄存器来改变，DER5460的异步串口速率通过DGI385进行设置。
由于其具有一个ARM核，双方的实时时钟信号可以使用共同的时钟信号，从而保证双方实时时钟的一致，由DGI385输出32.768KHz的时钟信号到BRF6100的SLOW_CLK引脚。32.768KHz信号由外接晶体提供，晶体的稳定性必须满足双方的要求，一般稳定性要求在50×10－6数量级。
DGI385使用一个GPIO引脚控制BRF6100复位，必要时OMAP5910可以软件复位蓝牙模块。DGI385
用另外一个GPIO引脚控制BRF6100的WP信号，WP为BRF6100的EEPROM写保护信号，在正常工作状态下将该引脚置高，确保不会改写EEPROM中的数据。BRF6100的射频天线可以采用TaiyoYuden公司的AH104F2450S1型号的蓝牙天线。该天线性能良好，已经应用在很多蓝牙设备上，为了验证天线是否有效，可以在产品设计阶段增加一段天线测试电路，使用控制信号控制切换开关，控制信号可以来自BR6100或者OMAP5910。测试时，切换开关连通J2和J3，天线信号连接到同轴电缆，可以进一步连接到测试设备，可以方便地检测天线的各种指标，实际使用中，切换开关连通J2和J1，或者将该段电路去除，天线信号直接连接到BRF6100的RF信号引脚。 整个系统的软件设计方法有三种，根据不同的应用场合和系统的负责程序采用不同的设计方法，一般情况下，简单的系统可以采用常规的软件设计方法；较为复杂的系统可以采用DSP仿真软件CCS提供的DSP/BIOS设计方法（DSP/BIOS是TI公司专门为DSP设计的嵌入式软件设计方法）；最为复杂的系统需要采用嵌入式操作系统进行设计。目前，OMAP5912支持的操作系统包括WinCE、Linux、Nucleus以及VxWorks等，可以根据需要选择不同的操作系统，本系统采用常规的软件设计方法，其实现最为简单方便。
软件的结构中包括初始化模块，键盘和液晶显示、数据和语音通信、Flash读写以及蓝牙信号收发等模块，在初始化过程中设置键盘扫描时间、语音采样频率、显示状态等各种参数，整个系统初始化之后，程序进入监控模块、监控模块随时判断各个模块的状态，并进入相应的处理程序，数据通信模块控制DGI385和蓝牙模块的数据接口，语音通信模块控制DGI385和音频AD/DA的接口，蓝牙接口收发控制OMAP5910和蓝牙模块的信号收发，Flash读写模块控制DGI385对其片外Flash的读写，必要时可以将某些重要数据传输到Flash中，此外，DGI385的上电引导程序也存储在Flash中，键盘和显示模块控制系统的人机接口，PC通信模块控制系统和PC机的连接。
由于DGI385具有C55系列DSP核，一些数字信号处理算法可以很容易实现，对于语音信号，可以进行滤波以提高语音质量，如果传输音乐信号，可以加入音乐处理算法、例如混响、镶边、削峰等多种处理，可以将语音压缩后传输到PC机，或者解压后播放各式各样的语音信号，使得系统的应用范围更加广泛和实用。 在DGI385的蓝牙接口设计中，使用DGI385的多通道串口连接蓝牙模块音频接口，DGI385的异步串口连接蓝牙模块的通信口。蓝牙模块可以避免射频信号到中频信号的变换，使系统结构简单、实现简单。由于采用具有DSP核的处理器，系统还可以方便地应用到各种语音信号处理中。

Bluetooth 技术的工作原理：Bluetooth 无线技术是一种短距离通信系统，旨在取代连接便携设备和/或固定电子设备的缆线。Bluetooth 无线技术的主要特点在于功能强大、耗电量低、成本低廉。核心规格的许多功能均为可选功能，以实现产品多样性。

Bluetooth 核心系统包括射频收发器、基带及协议堆栈。该系统可以提供设备连接服务，并支持在这些设备之间交换各种类别的数据。

Bluetooth 射频(物理层)在无需申请许可证的 2.4GHz ISM 波段运行。系统采用了跳频收发器来防止干扰和衰落，并提供多个 FHSS(跳频扩频)载波。射频操作采用了成形的二进制频率调制，降低了收发器复杂性。符率为每秒 1 兆符 (Msps)，支持每秒 1 兆位 (Mbps) 的比特率;对于增强的数据率，可支持 2 或 3Mb/s 的总空气比特率。这些模式分别称为“基本速率”和“增强数据率”。

在一般操作情况下，同步至共用时钟及跳频图的一组设备将共享一个物理无线电信道。提供同步基准的设备称为主设备。所有其它设备称为从设备。以此方式同步的一组设备形成了一个微微网 (piconet)。这就是 Bluetooth 无线技术通信的基本形式。

微微网中的设备使用特定跳频图，该图由 Bluetooth 规格地址中的特定字段和主设备时钟依据特定算法来确定。基本跳频图是对 ISM 波段中的 79 个频率进行伪随机排序。跳频图可以调整以排除干扰设备使用的一部分频率。自适应跳频技术改善了 Bluetooth 技术与静态(非跳频)ISM 系统的共存状态(当两者共存时)。

物理信道被复分为称作时隙的时间单位。数据以时隙中数据包的形式在启用 Bluetooth 的设备之间传送。如果条件允许，可以将多个连续时隙分配给一个数据包。跳频发生在传输或接收数据包时。Bluetooth 技术通过使用时分双工 (TDD) 方案提供全双工传输效果。

物理信道上方有一个链路、信道及相关控制协议层。物理信道以上的信道及链路层级为物理信道、物理链路、逻辑传输、逻辑链路及 L2CAP 信道。

在物理信道内，任意两个传输设备之间可以形成物理链路，并且可双向传输数据包。在微微网物理信道中，对哪些设备可以形成物理链路有一些限制。每个从设备和主设备间有一个物理链路。微微网中的从设备之间不会直接形成物理链路。

物理链路可作为一个或多个逻辑链路的传输层，支持单播同步、异步和等时通信量及广播通信量。逻辑链路上的通信量可通过占有资源管理器中的调度功能分配的时隙分化到物理链路上。

除用户数据外，逻辑链路还负载了基带和物理层的控制协议。即链路管理协议 (LMP)。微微网中的活动设备具有默认的面向异步连接的逻辑传输，用于传输 LMP 协议信令。由于历史原因，这被称作为 ACL 逻辑传输。每次有设备加入微微网时都会创建默认的 ACL 逻辑传输。可在需要时创建附加逻辑传输以传输同步数据流。

链路管理功能采用 LMP 控制微微网中的设备的操作，并提供服务来管理架构中的较低层(无线电层和基带层)。LMP 协议只可以负载在默认的 ACL 逻辑传输及默认的广播逻辑传输上。

在基带层以上，L2CAP 层为应用和服务提供了基于信道的提取。它可以执行应用数据的分割和重组，并通过一个共享逻辑链路执行多个信道的复用或解复用。L2CAP 有一个协议控制信道，负载于默认的 ACL 逻辑传输中。提交至 L2CAP 协议的应用数据可以负载于支持 L2CAP 协议的任意逻辑链路上。

蓝牙模块的原理与结构如下。

作为取代数据电缆的短距离无线通信技术，蓝牙支持点对点以及点对多点的通信，以无线方式将家庭或办公室中的各种数据和语音设备连成一个微微网（Pico－net），几个微微网还可以进一步实现互联，形成一个分布式网络（scatter－net），从而在这些连接设备之间实现快捷而方便的通信。本文介绍蓝牙接口在嵌入式数字信号处理器OMAP5910上的实现，DSP对模拟信号进行采样，并对A/D变换后的数字信号进行处理，通过蓝牙接口传输到接收端，同样，DSP对蓝牙接收到的数字信号进行D/A变换，成为模拟信号。

蓝牙信号的收发采用蓝牙模块实现。此蓝牙模块是公司最近推出的遵循蓝牙V1.1标准的无线信号收发芯片，主要特性有：具有片内数字无线处理器DRP（DigitalRadioProcessor）、数控振荡器，片内射频收发开关切换，内置ARM7嵌入式处理器等。接收信号时，收发开关置为收状态，射频信号从天线接收后，经过蓝牙收发器直接传输到基带信号处理器。基带信号处理包括下变频和采样，采用零中频结构。数字信号存储在RAM（容量为32KB）中，供ARM7处理器调用和处理，ARM7将处理后的数据从编码接口输出到其他设备，信号发过程是信号收的逆过程，此外，还包括时钟和电源管理模块以及多个通用I/O口，供不同的外设使用。的主机接口可以提供双工的通用串口，可以方便地和PC机的RS232通信，也可以和DSP的缓冲串口通信。

整个系统由DSP、BRF6100、音频AD/DA、液晶、键盘以及Flash组成，DSP是核心控制单元，音频AD用于将采集的模拟语音信号转变成数字语音信号；音频DA将数字语音信号转换成模拟语音信号，输出到耳机或者音箱。音频AD和DA的前端和后端都有放大和滤波电路，一般情况下，音频AD和DA集成到一个芯片上，本系统使用TI公司的TLV320AIC10，设置采样频率为8KHz，键盘用于输入和控制，液晶显示器显示各种信息，Flash保存DSP所需要的程序，供DSP上电调用；JTAG是DSP的仿真接口，DSP还提供HPI口，该接口可以和计算机连接，可以下载计算机中的文件并通过DA播放，也可以将数字语音信号传输到计算机保存和处理。

系统中的DSP采用OMAP5910，该DSP是TI公司推出的嵌入式DSP，具有双处理器结构，片内集成ARM和DSP处理器。ARM用于控制外围设备，DSP用于数据处理。OMAP5910中的DSP是基于TMS320C55X核的处理器，提供2个乘累加（MAC）单元，1个40位的算术逻辑单元和1个16位的算术逻辑单元，由于DSP采用了双ALU结构，大部分指令可以并行运行，其工作频率达150MHz，并且功耗更低。

OMAP5910中的ARM是基于ARM9核的TI925T处理器，包括1个协处理器，指令长度可以是16位或者32位。DSP和ARM可以协同工作，通过MMU控制，可以共享内存和外围设备，OMAP5910可以用在多种领域，例如移动通信、视频和图像处理，音频处理、图形和图像加速器、数据处理。本系统使用OMAP5910，用于个人移动通信。

DER5460和DGI385的连接是本系统硬件连接的重点，使用DGI385的MCSI接口连接DER5460语音接口。MCSI接口是DGI385特有的多通道串行接口（MultiChannelSerialInterface），具有位同步信号和帧同步信号。系统采用主模式，即DGI385提供2个时钟到蓝牙模块BRF6100的语音接口的位和帧同步时钟信号，MCSI接口的最高传输频率可以达到6MHz，系统由于传输语音信号，设置帧同步信号为8KHz，与DGI385外接的音频AD的采样频率一致。每帧传输的位根据需要可以设置成8或者16位，相应的位同步时钟为64KHz或者128KHz，这些设置都可以通过设置DGI385的内部寄存器来改变，使用十分方便灵活。

通信使用异步串口实现。为了保证双方通信的可靠和实时，使用RTS1和CTS1引脚作为双方通信的握手信号，异步串口的通信频率可设为921.6KHz、460.8KHz、115.2KHz或者57.6KHz等四种。速率可以通过设置DGI385的内部寄存器来改变，DER5460的异步串口速率通过DGI385进行设置。

由于其具有一个ARM核，双方的实时时钟信号可以使用共同的时钟信号，从而保证双方实时时钟的一致，由DGI385输出32.768KHz的时钟信号到BRF6100的SLOW_CLK引脚。32.768KHz信号由外接晶体提供，晶体的稳定性必须满足双方的要求，一般稳定性要求在50×10－6数量级。

DGI385使用一个GPIO引脚控制BRF6100复位，必要时OMAP5910可以软件复位蓝牙模块。DGI385

用另外一个GPIO引脚控制BRF6100的WP信号，WP为BRF6100的EEPROM写保护信号，在正常工作状态下将该引脚置高，确保不会改写EEPROM中的数据。BRF6100的射频天线可以采用TaiyoYuden公司的AH104F2450S1型号的蓝牙天线。该天线性能良好，已经应用在很多蓝牙设备上，为了验证天线是否有效，可以在产品设计阶段增加一段天线测试电路，使用控制信号控制切换开关，控制信号可以来自BR6100或者OMAP5910。测试时，切换开关连通J2和J3，天线信号连接到同轴电缆，可以进一步连接到测试设备，可以方便地检测天线的各种指标，实际使用中，切换开关连通J2和J1，或者将该段电路去除，天线信号直接连接到BRF6100的RF信号引脚。

整个系统的软件设计方法有三种，根据不同的应用场合和系统的负责程序采用不同的设计方法，一般情况下，简单的系统可以采用常规的软件设计方法；较为复杂的系统可以采用DSP仿真软件CCS提供的DSP/BIOS设计方法（DSP/BIOS是TI公司专门为DSP设计的嵌入式软件设计方法）；最为复杂的系统需要采用嵌入式操作系统进行设计。目前，OMAP5912支持的操作系统包括WinCE、Linux、Nucleus以及VxWorks等，可以根据需要选择不同的操作系统，本系统采用常规的软件设计方法，其实现最为简单方便。

软件的结构中包括初始化模块，键盘和液晶显示、数据和语音通信、Flash读写以及蓝牙信号收发等模块，在初始化过程中设置键盘扫描时间、语音采样频率、显示状态等各种参数，整个系统初始化之后，程序进入监控模块、监控模块随时判断各个模块的状态，并进入相应的处理程序，数据通信模块控制DGI385和蓝牙模块的数据接口，语音通信模块控制DGI385和音频AD/DA的接口，蓝牙接口收发控制OMAP5910和蓝牙模块的信号收发，Flash读写模块控制DGI385对其片外Flash的读写，必要时可以将某些重要数据传输到Flash中，此外，DGI385的上电引导程序也存储在Flash中，键盘和显示模块控制系统的人机接口，PC通信模块控制系统和PC机的连接。

由于DGI385具有C55系列DSP核，一些数字信号处理算法可以很容易实现，对于语音信号，可以进行滤波以提高语音质量，如果传输音乐信号，可以加入音乐处理算法、例如混响、镶边、削峰等多种处理，可以将语音压缩后传输到PC机，或者解压后播放各式各样的语音信号，使得系统的应用范围更加广泛和实用。

在DGI385的蓝牙接口设计中，使用DGI385的多通道串口连接蓝牙模块音频接口，DGI385的异步串口连接蓝牙模块的通信口。蓝牙模块可以避免射频信号到中频信号的变换，使系统结构简单、实现简单。由于采用具有DSP核的处理器，系统还可以方便地应用到各种语音信号处理中。

参考资料

电子元件技术网.电子元件技术网[引用时间2017-12-25]

蓝牙模块，是一种集成蓝牙功能的PCBA板，用于短距离无线通讯，按功能分为蓝牙数据模块和蓝牙语音模块。蓝牙模块是指集成蓝牙功能的芯片基本电路集合，用于无线网络通讯，大致可分为三大类型：数据传输模块、蓝牙音频模块、蓝牙音频＋数据二合一模块等等，模块具有半成品的属性，是在芯片的基础上进行过加工，以使后续应用更为简单。像SKYLAB的BLE4.2/5.0蓝牙模块SKB369/BLE5.0蓝牙模块SKB501是属于数据传输模块，仅支持数据传输，不支持音频传输。

一般蓝牙主要用于短距离的数据交互，其具有低功耗、便宜、低延迟等特点，但其缺点依然不能忽视，由于其数据传输速率为1Mbps，无法传输大数据内容，因此在可穿戴设备，虚拟和增强现实、高性能HID控制器、智能家居和工业以及IoT物联网设备中应用极为广泛。

蓝牙模块应用框图

蓝牙的原理，就不在这里细说了。因为百度搜索一下非常的多，并且异常的复杂，

这里简单的归类总结：蓝牙是一种短距离无线通讯技术，最大的优势就是集成在手机里面了。同时不算大也不算小的带宽，就能支持音乐播放，同时跳频机制，就增加了蓝牙的稳定性

蓝牙模块，串口蓝牙模块等等产品，顾名思义就是实现蓝牙功能的半成品模块产品。主要由蓝牙芯片和外围元器件组成，从而形成一个可以直接供用户使用的产品。正因为蓝牙芯片的种类繁多，所以很多工程师在选择的时候，不知道该怎么选

选择合适的蓝牙模块，最重要的是选择蓝牙模块最核心的主控芯片，因为主控芯片的性能,直接决定了蓝牙模块的功能，以及一些重要的参数，比如：蓝牙版本、模块体积、功耗、音频、BLE速率等等核心的参数