基于嵌入式处理器MCF5272家庭蓝牙网关的实现

摘要： 蓝牙是一种近距离无线通信技术，由于其低成本、低功耗和高可靠性的优点而被现代家庭网络所广泛接受。文中介绍了蓝牙技术和由各种信息家电所构成的家庭网络的基本概念，以及 Motorola公司的嵌入式处理器MCF5272的一些基本性能特征，并阐述了基于MCF5272实现家庭蓝牙网关的具体方案。 这种家庭蓝牙网关主要由蓝牙网关控制模块、射频收发模块、外网接口模块三部分构成，在文中还分别讨论了每一个模块的设计原理。
关键字： 信息家电  蓝牙  家庭蓝牙网关  MCF5272

引言

信息家电（IA，Information Appliances）是融合了计算机和通信技术的新型消费电子产品，随着信息家电进一步数字化、网络化、智能化和自动化的发展趋势，出现了家庭网络。而由于蓝牙技术低成本、低功耗、低复杂性、高效率、高可靠性、强互操作性和良好兼容性等特点，使其被家庭网络所接受。为了合理有效地管理网络中的家电，并使其顺利地实现与家庭网络以外的因特网、移动通信网甚至固定市话网之间的通信，蓝牙网关的如何实现则成为问题的关键。本文基于蓝牙技术，介绍了用Motorola公司的嵌入式处理器MCF5272来实现家庭蓝牙网关的具体方案。

一、蓝牙与家庭网络

蓝牙（Bluetooth）是一种近距离无线通信技术规范，用来描述和规定各种信息产品（包括通信产品、计算机产品和消费电子产品）相互之间是如何用短距离无线电系统进行连接的。蓝牙技术的最大好处是消除了千头万绪、令人头疼的电缆线，从而实现信息电子设备之间的信息传递与同步。它具备通用电缆在成本、安全和承载能力等方面的种种特征。主要有以下几个特点：

l         蓝牙通过嵌入芯片来为现有的设备增添无线连接的功能。这种微芯片的面积只有1cm见方，能使设备在短距离范围内发送无线电信号，来寻找另一个蓝牙设备，一旦找到，相互之间便开始通信、交换信息。蓝牙可以像因特网那样传输数据，也可以像移动电话网那样传输语音。

l         蓝牙的无线传输距离一般为10m~100m左右，发射功率大约为1mv~100mv。蓝牙使用的是2.4~2.4835GHz的工业、科研、医疗全球通自由频段。在世界上绝大部分国家无需申请无线电执照或许可证，使人们可以随时随地毫无障碍地使用蓝牙设备。它采用跳频扩谱技术，每秒1600跳，在建立连接时为3200跳，是典型的微功率设备，适于家庭范围。

l         蓝牙设备可以实现点到点的通信，一台蓝牙设备最多可以同时和7台设备建立无线连接。通信协议采用分层结构，支持语音/数据访问点、外设连接、个人网络（PAN）等三大范畴的应用。在通信链路层采用认证、加密、和密钥管理来进行安全控制。在应用层采用PIN（个人标识码）进行单双向认证。

l         蓝牙的传输速率理论上可以达到每信道1Mbit/s，实际应用时的有效值为每信道721Kbit/s，大约是普通电话线的13倍。它支持64Kbps的实时语音传输，语音编码采用PCM和CVSD。仅传输语音时，支持三路全双工；当语音和数据同时传输或者仅传输数据时，支持433.9Kbps对称双工或723.2/57.6Kbps的非对称双工通信。

使用蓝牙技术的家庭网络指网络家电和其它设备通过嵌入蓝牙模块，比如USB卡、UART卡、PCM卡等，利用无线方式连在一起使其之间相互通信，并利用具有路由功能的家庭蓝牙网关与外部网络互连，能提供集中的或异地的音频/视频通信、计算机控制和管理等，实现信息在家庭内以及与外部之间的充分通信和共享。

二、嵌入式处理器MCF5272

MCF5272微处理器是Motorola公司生产的高集成的ColdFire微处理器。考虑到在设计下一代互联网设备、LAN电话系统、低端网络控制、工业控制、图像设备，还是存储解决方案时，摩托罗拉的MCF5272的高性能及通用性都能满足嵌入式系统设计和应用要求。

MCF5272采用ColdFireV2可变长RISC处理器核和DigitalDNA技术，在66MHz时钟下能够达到63MIPS的优良处理能力。其内部SIM(System Integrated Module)单元集成了丰富的通用模块，如10/100Mbps快速以太网控制器、USB1.1接口等，并且能够与常用的外围设备(如SDRAM、ISDN收发器)实现无缝连接，从而简化了外围电路设计，降低了产品成本、体积和功耗。主要有以下特点：

l         MCF5272内部集成了4K字节的SRAM、16K字节ROM、1K字节的指令Cache，以及片外扩展的FLASH和SDRAM。支持8、16和32位的SRAM和ROM，SDRAM控制器支持16~256M的SDRAM芯片。32位地址数据总线，内核和总线时钟均为66MHz，有16个通用数据寄存器。

l         MCF5272内部集成了UART、USB控制器，只需很少的外围芯片就可以实现两个RS232串口和一个USB Slave接口。MCF5272还内嵌一个FEC(快速以太网控制器)，片外扩展一片LXT971，快速以太网媒体存取控制（MAC），支持100Mbps MII，10Mbps MII和10Mbps 7-Wire物理接口。

l         ColdFire系列处理器支持背景调试模式，它提供了对底层硬件的调试手段。在背景调试模式下，通过向CPU发送命令，可以实现对CPU寄存器、系统存储器的访问。使用Motorola推荐的26针插座接到BDM仿真头，实现代码的下载和调试。

l         合乎USB1.1标准，可操作内或外收发器的设备控制器。提供48个通用的I/O引脚，支持7个外部中断。

三、蓝牙网关的实现方案

家庭蓝牙网关的实现方案如图Fig-1所示，主要包括蓝牙网关控制模块、射频收发模块、外网连接模块三部分。其中，以MCF5272为核心部件的蓝牙网关控制模块对家庭网络通过射频收发模块为与信息家电的连接提供了无线接口，对外与PSTN 网通过RJ11接口连接，与Internet网通过RJ45接口连接，成为公共网进入家庭的咽喉要道。

1、蓝牙网关控制模块

蓝牙网关控制模块是家庭蓝牙网关的核心部分，采用了Motorola嵌入式处理器MCF5272，具有较好的处理能力的同时也支持蓝牙上层协议栈、终端的接入控制、话路交换等功能。本设计方案对MCF5272的RAM和ROM进行了扩充，外扩了16M字节的SDRAM（2×HY641620HG）和4M字节的FLASH　ROM（2×AM29LV1600B）。这样，MCF5272执行存储在闪存FLASH里的程序，并将一些临时数据存放在同步数据随机存取器SDRAM里，用户可以通过键盘和液晶显示等与MCF5272进行简单的交互，完成一些诸如日期、时间等简单参数的设置。

MCF5272的UART1可以直接和支持蓝牙技术的USB、RS232、PC卡等连接，实现上层与底层的蓝牙协议通信。通过串口直接与射频收发模块相连，通过MCF5272的I/O引脚和外部中断线可以连接电话线路接口和以太网接口。除此以外，蓝牙网关控制模块还包括时钟电路、复位电路以及电源供应几监控电路等。

2、射频收发模块

射频收发模块由蓝牙收发器和天线组成，功能就是为网关和终端提供无线通道。各种控制信号、数据信号都通过串口和MCF5272进行传递。该模块以射频单元控制器芯片为核心，由滤波器、功放、低噪放、收发切换开关和一些外围电路组成。为了使蓝牙的传输距离在空旷地带能达到100m左右，可以考虑在射频控制器之前加一级射频放大电路，由控制器芯片的内置微处理器对其内存单元和RAM实施有效管理，调用底层蓝牙协议栈。即通过USB蓝牙设备、RS232蓝牙设备、PC卡蓝牙设备与家庭网络中的信息家电终端连接。

3、外网接口模块

外网接口模块包括电话线路接口和以太网接口。

电话线路接口用于从发送和接收器发送话音信号、放大发送的DTMF信号。一方面来自RJ11的振铃及双音多频等信号，送到DTMF接收器；另一方面放大来自DTMF发送器的DTMF信号及来自PCM解码器的话音信号，送到RJ11上。DTMF收发器完成DTMF信号的检测和产生，发送到网络以供MCF5272响应。

以太网接口与电话线路接口一起为MCF5272提供了外部通道，其中网络变压器起到了隔离RJ45与电路板的作用，以避免相互干扰。以太网收发器则起着透明传输的作用，一方面将网线上的差分串行信号变成MCF5272可以方便读取的并行数据，另一方面将MCF5272的并行数据变成差分信号送到网线上。

结束语

基于上述蓝牙网关控制模块、射频收发模块、外网接口模块，以Motorola嵌入式处理器MCF5272为核心的家庭蓝牙网关得以实现。三个模块的硬件成本低，且整个系统设计开发周期较短，发射功率较低，充分利用现有网络资源具有向上兼容性及可扩展性，成为由信息家电构成的 络与PSTN网、Internet网连接的关键。这种家庭蓝牙网关必将成为蓝牙技术在家庭网络中应用的主流。

 

参考文献：

1、  庄奕琪. 蓝牙——梦想与实现. 北京：机械工业出版社,  2002.3:30-36

2、  Motorola, MCF5272 ColdFire IntegratedMicroprocessor User’s Manual, REV2,2002

3、  杨四海，马利. 信息家电嵌入式系统选择方案. 自动化技术应用, 2002,21(4):66-67

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5、  郑沁，佘炎．蓝牙技术在测控系统中的应用及其调频技术的研究［J］．微计算机信息，2004，20-11:122-124

6、  邹乐，张宏泽，王晓春，沈连丰. 在PC机上实现蓝牙PSTN电话网关[J]. 电子工程师,2001,27(10):8-11