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MSP430的低功耗特性在藍(lán)牙產(chǎn)品中的應(yīng)用
摘要：在介紹MSP430F447單片機(jī)和LBMx-2002藍(lán)牙模塊的特點(diǎn)和功能的基礎(chǔ)上，著重介紹了單片機(jī)和藍(lán)牙系統(tǒng)的各種低功耗工作特性，并充分利用其節(jié)能特性實(shí)現(xiàn)MSP430F447單片機(jī)在便攜式藍(lán)牙產(chǎn)品中的應(yīng)用。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）無線電信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，是一種面向低功耗的無線技術(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)來說仍然較大，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。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。
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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
SCO connection HV3(1s interval sniff mode)(Master)
SCO connection HV1(Slave)
SCO connection HV1(Master)
ACL Data transfer,115.2kbps UART(Slave)master to Slave
ACL Data transfer,115.2kbps UART(Slave)Slave (Master)Master to Slave
ACL Data transfer,115.2kbps UART(Master) Slave to Master Deep Sleep Mode,Initial
ACL connection ,Sniff Mode 40ms interval,57.6kbps UART
ACL connection,Sniff Mode 1.28s interval,38.4kbps UART
Park Mode
Peak current during RF burst 32mA
33mA
67mA
67mA
60mA
56mA
63mA
20mA
50μA
4mA
1mA
0.6mA
80mA
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。
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