基于CC2540的超低功耗蓝牙模块的设计

金 纯，贾珍梅，刘鲁云，金 洁

(1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院 无线传输重点实验室,重庆 400065；2.重庆金瓯科技发展有限责任公司，重庆 400041；3.重庆师范大学，重庆 400047)

基于CC2540的超低功耗蓝牙模块的设计

金 纯1,2，贾珍梅1，刘鲁云2，金 洁3

(1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院 无线传输重点实验室,重庆 400065；2.重庆金瓯科技发展有限责任公司，重庆 400041；3.重庆师范大学，重庆 400047)

对由概念走向商用化的穿戴式智能设备而言，超低功耗蓝牙模块成为其不可缺少的一部分。以TI公司CC2540蓝牙低功耗芯片为核心器件，开发了一款超低功耗蓝牙模块。对该超低功耗蓝牙模块系统电路的各部分组成进行了详细介绍，并从蓝牙模块电源电流和信号完整性两个角度对模块低功耗的实现进行了分析，最后通过与移动终端通信的应用示例验证了该蓝牙模块的可行性。

CC2540； 低功耗； 蓝牙模块

超低功耗(Ultra Low Power, ULP)蓝牙原名Wibree，是蓝牙4.0新增的技术规范，主要解决蓝牙超低功耗下的低速数据传输问题，是一种低功耗、低成本，并且开放标准的新型短距离无线通信技术。它与现有的无线技术能够很好的匹配，可用于小型设备之间的简单数据传输，传输距离在10 m以内，仅需一枚纽扣电池便可运行10年。超低功耗蓝牙技术能够提供一种全新的蓝牙连接，可满足各种领域的需要，如工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等，市场将会非常庞大[1]。尤其对于目前大量涌现的穿戴式智能设备，超低功耗蓝牙模块以其轻薄短小、便于携带、功耗低等优势被广泛推广。

本项目以德州仪器公司研发的CC2540[2]蓝牙低功耗芯片为核心，开发了一款基于蓝牙4.0新标准的集普通蓝牙和超低功耗蓝牙双协议的蓝牙模块。该模块集成有CC2540蓝牙主控芯片、带通滤波器、电源电路、内置微带天线、晶振电路以及外围接口电路等。其应用范围包括：2.4 GHz低功耗蓝牙系统、移动手机接入设备、健身和娱乐设备、消费电子设备、人机交互设备(如无线蓝牙键盘、鼠标、耳机、远程蓝牙遥控等)以及医疗设备等[3]。

1 蓝牙模块系统电路设计

1.1 蓝牙模块原理框图及核心芯片

本设计以德州仪器公司研发的CC2540芯片为核心，把天线、蓝牙阻抗匹配电路、滤波器、主芯片CC2540、电源电路以及通信接口电路集成在长31.8 mm、宽14.5 mm的尺寸范围内，其系统框图见图1。

其中蓝牙主控芯片采用TI公司研发的符合蓝牙4.0标准的高性价比、低功耗的单模芯片CC2540，CC2540是蓝牙低功耗片上系统解决方案，集成了RF射频收发器、增强工业标准的8051MCU、系统可编程flash存储器、8 kbyte RAM和许多其他的支持功能和外围设备。CC2540工作的载波频率范围是2 400.0～2 483.6 MHz的ISM频段，同时具有片上存储数据、固件实时更新和高达+97 dB的链路预算，并支持无外部前端的远程应用程序和精确的数据接收信号强度检测(RSST)。CC2540芯片具有2种不同的版本：CC2540 F128和CC2540 F256，即这两种版本分别拥有128 kbyte和256 kbyte的闪存[2]。CC2540具有3种低功耗功率模式，模式三的功率可低至0.4 μA，工作电压范围为2.0～3.6 V，使得芯片稳定工作。

图1 蓝牙模块系统框图

1.2 蓝牙模块芯片外围电路设计

该超低功耗蓝牙模块外围电路是围绕主控芯片CC2540 核心芯片设计的。外围电路包括两个时钟电路、电源电路、阻抗匹配电路、通信接口电路、天线等。CC2540的模拟电源管脚和数字电源管脚就近接滤波电容。片内采用一个1.8 V的稳压器连接一个去耦电容为所需电路提供稳定电压，实现电源工作的稳定性。在实际电路设计中可通过CC2540芯片管脚40连接一个1 μF的电容实现。在两个时钟电路中，其中一个时钟电路用一个工作频率为32.768 kHz的石英晶振和两个均为15 pF的电容实现，石英晶振接芯片管脚33和32，另一个时钟电路由一个工作频率为32 MHz的石英晶振和两个分别为22 pF和12 pF的电容实现，32 MHz的石英晶振接芯片管脚22和23[3]。

1.3 蓝牙模块射频阻抗匹配电路

本设计中所采用的蓝牙芯片CC2540的管脚RF_P和管脚RF_N是一对差分输入输出的偶极信号端口，且模块设计中采用的是型号为AN5020的不平衡单极子天线[4-5]，因此需要在射频输入输出管脚与蓝牙天线之间连接一个巴伦(平衡/不平衡)匹配电路来实现射频收发信号的匹配。匹配电路的设计可采用分离电容和电感元件实现，也可采用匹配芯片来实现匹配电路，本项目设计中考虑到设计的简便以及模块的高度集成，采用了深圳市星维电子有限公司生产的型号为RFBLN2012060A8T的匹配滤波器来实现射频阻抗匹配。

2 蓝牙模块基于兼容性的PCB版设计

在蓝牙模块PCB版图设计的过程中，首先使用Cadence自带的Allegro Design Entry CIS软件设计电路原理图，然后通过Cadence自带的Allegro PCB Design GXL软件进行手工布线，生成PCB版图。而在进行PCB版图布线设计的过程中，为提高蓝牙模块的电磁兼容性，需要做到以下几方面[6]：

1)电源信号线的宽度要选取适当，电源信号线在接数字电源管脚时，应先串接一个参数合适的磁珠(本设计采用深圳市原力达电子有限公司生产的型号为MPZ1608D101B的磁珠)，以滤除电源信号的高频部分信号，再与数字电源管脚相连，然后数字信号电源管脚就近接适当参数的滤波电容，从而减少高频信号对电源信号的干扰。而模拟电源管脚只需就近接滤波电容，以减少高频信号对电源信号的干扰。

2)模拟信号与数字信号在设计时要保持适当的间距，以避免这两种信号的相互干扰。

3)各部件之间的引线应该尽量地短，以减小信号的延迟，从而减小平行线之间产生的干扰。

4)在布线的过程中，尽量用45°折线以减少高频信号对外的发射及耦合。

5)根据介质材料参数和传输线结构参数对传输线的线宽进行严格计算，以尽可能地保证阻抗精确。

3 蓝牙模块超低功耗的实现

本项目设计的超低功耗蓝牙模块主要从电源电路和信号完整性两个角度分析，实现蓝牙模块的超低功耗。

3.1 电源电路的分析

电源电路为整个蓝牙模块提供电源，电源电路性能的优良是蓝牙模块正常工作的基础，良好的电源电路性能不仅能够减少整个蓝牙模块的功耗和故障，同时也会延长蓝牙模块的使用寿命。本项目设计的蓝牙模块的工作电压分为3.8 V和3 V两种，其中3.8 V主要是射频部分和模拟基带的PMU单元的电压，而3 V主要是处理器内核及片内外设的供电电压。

本项目蓝牙模块供电的电路原理图如图2所示，图中的LED1 RED表示模块已经上电。12 V的输入供电电源经过一个防止电源反接的二极管(图2中IN4007)和两个滤波电容C2，C3，然后通过LM2576S-ADJ电源芯片输入5 V电源电压。由于本项目设计的蓝牙模块的供电电源仅为3.8 V，因此需要通过稳压管(IN4790)将电源稳压置3.9 V。需要注意的是，根据LM2576S-ADJ芯片数据手册可知LM2576S-ADJ的供电电压为12 V，但是在12 V供电电源与LM2576S-ADJ芯片之间存在二极管，这就导致该芯片的供电电压不足，因此为了保证芯片的输入供电电压达到芯片的临界值，芯片要保持其校准器处于关闭状态，同时该芯片的ON/OFF引脚不能接地。

由于处理器内核级片内外设供电电源为3 V，因此需要将图2中稳压管稳压后的电源3.9 V连接1个电压调节器，经过降压得到3 V的供电电源。电压调节器采用CX6203E系列中的XC6203 E332PR，XC6203E332PR是一个高精密度、低功耗的正向电压调节器，输出电压范围为1.8～6.0 V，精确度约0.1 V，输出电流最大可达到400 mA，XC6203E332PR的降压电路如图3所示。

图2 BLE0102C2P模块的电源电路原理图

图3 XC6203E332PR降压电路图

3.2 信号完整性分析

在高速数字设计领域，高的信号噪声会对低噪声器件产生影响，导致其无法准确传递“消息”。由于在低功耗模式下各种资源极其有限，因此对板卡设计阶段的分布式电路分析就变得越来越关键。信号的边沿速率只有几ns，因此需要仔细分析板卡阻抗，确保合适的信号线终端，减少这些线路的反射，保证电磁干扰处于一定的规则范围之内，获得良好的信号完整性，信号的完整性分析关注器件间的互连—驱动管脚源、目的接收管脚和连接它们的传输线[6]。

在理想的条件下，源管脚的信号在沿着传输线传输时是不会有损伤的，但考虑到传输线的长度、特定激励频率下的线轨阻抗特性以及连接两端的终端特性等，信号在沿着传输线传输时就会因反射和电磁兼容(EMI)等问题影响信号的完整性。以下是对反射和EMI以及本项目提出的解决方法的分析。

在布线的过程中，两根相邻的线相当于两根传输线，且比较均匀，传输线上的电流与两线间的电压一般是随着时间变化的，又由于在传输线上和线间分布有上述电路参数，导致不同位置处的电流、电压也不同，在两根平行的传输线上，将传输线分成无穷多的小段，整个传输线便可视为有许多传输线的小段级联构成，对从x到x+dx的一小段传输线可以作出如图4所示的电路模型，此电路模型中的R0dx和L0dx分别是dx长的一段传输线上的电阻、电感，C0dx和G0dx是dx长的一段传输线两线间的电容和电导。

(1)

(2)

整理式(1)和式(2)，并略去二阶微量，即得

(3)

(4)

图4 主要电路的分布式参数分析

图5 无限小代尔塔电路分布式参数分析

如图5所示，根据电压完整性原理，可以得出如下方程

(5)

将式(5)进行整理，即得

(6)

通过分析可知，信号的完整性问题是由反射造成的，而反射是由阻抗不匹配导致的，因此为了减少反射，获得干净的信号波形，且没有响铃特征，就需要在电路中实现很好的阻抗匹配。本项目设计采用在相关点添加终端电阻或RC网络的方案，以此实现终端阻抗的匹配，从而减少反射，降低功耗。其方案如图6所示。

图6 阻抗匹配方案

3.3 仿真结果分析

图7和图8分别为本项目所设计的超低功耗蓝牙模块两个节点上的信号完整性分析及终端阻抗匹配信号分析，从图中可以看出此模块在这两个节点上由于实现了信号阻抗的匹配，最大程度地减少了能量损失。本文的设计在此模块的数千个节点上都实现类似的阻抗匹配，因此可以节约大量的能耗损失，实现模块的超低功耗。

4 蓝牙模块通信测试

目前有很多设备开始支持蓝牙4.0技术，如移动电话、PC、平板计算机等。本测试是以支持蓝牙4.0的iPhone 4s 为例，通过在iPhone 4s 上运行的示例程序“BTDemo”，让手机和该蓝牙模块相互收发数据。主要步骤如下：

1)该蓝牙模块保持出厂默认参数，通过串口和PC连接，上电并处于数据通信模式。(串口默认波特率为9 600 Baud)。

图7 蓝牙模块-管脚信号完整性分析(截图)

图8 蓝牙模块-终端阻抗匹配分析(截图)

2)打开“BTModule”软件。

3)点击查找键，如图9所示，手机会搜索周边的蓝牙4.0数据通信模块设备。片刻后显示出设备名称，说明找到了该蓝牙4.0数据通信模块“BLE0102C2P”，“BLE0102C2P”为设计的蓝牙模块型号。

图9 待连接状态(截图)

4)点击连接按钮“2”，待连接成功后，“连接”按钮会显示为“断开”按钮，同时模块端的Link脚会变为高电平，先前闪烁的STATE_LED熄灭。

5)选择数据测试“3”，发送数据框中输入待发送的数据“Hello World”，选择发送“4”，手机会将这段数据发送到蓝牙模块，模块接收到这串数据后，向PC的串口送出这串数据，如图10所示。

图10 数据发送和接收状态(截图)

PC串口向模块的串口发送数据“Hello World”，手机端会收到数据并在接收数据框中显示出来，从而实现蓝牙模块的通信。

5 小结

本项目是针对目前基于蓝牙传输的穿戴式智能设备的大量涌现，以及各行业的技术人员并不是都很了解蓝牙技术这种矛盾设计了这款面向开发人员的简便易用，实现在低功耗模式下数据稳定高速传输的黑盒子蓝牙模块。相关人员可直接使用该模块扩展简单外围，就能快速设计出方案甚至产品，低成本、高效率地推出个性化的移动设备新外设。该蓝牙模块实物图如图11所示。

图11 蓝牙模块实物图

[1]金纯，肖玲娜，罗纬，等.超低功耗蓝牙技术规范解析[M].北京：国防工业出版社，2010.

[2]TI.2.4GHz Bluetooth low energy System-on-Chip[EB/OL].[2014-04-08].http://www.ci.com.cn/produce/cn/CC2540.

[3]曹青春,刘辉.基于CC2540的蓝牙射频模块设计[J].海南师范大学学报, 2013, 26(2): 34-36.

[4]严朝雄.消费类电子产品天线阻抗匹配的研究[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[5]陈雅娟，龙云亮.小型宽带微带天线的研究进展[J].系统工程与电子技术，2000，22(7):21-23.

[6]曾峰，侯亚宁，曾凡雨.印制电路板(PCB)设计与制作[M].北京：电子工业出版社,2002.

中国移动宣布4G网络向虚拟运营商全面开放

近日，中国移动正式宣布，已经向虚拟运营商全面开放4G网络和提供4G转售业务。同时中国移动将向虚拟运营商提供全新4G资费套餐。

中国移动称，将针对语音、短彩信、流量、WLAN等业务全面提供套餐模式、模组模式、单价资源池模式，并建立根据市场主流资费变化及时优化虚拟运营批发价格的调价机制。据中国移动介绍，首家与中国移动合作的虚拟运营商“分享通信”已顺利完成系统对接，并于11月初实现了试点放号，预计将于年内在全国25省的31个城市正式商用放号。此外，三五互联也在福建实现了试点放号，并将在近期正式商用放号。

在上周结束的2014中国移动全球合作伙伴大会期间，中国移动召开虚拟运营工作推进会，与17家虚拟运营商代表共同研讨加速推进虚拟运营商商用放号工作。

中国移动表示，自今年5月以来，中国移动目前已经完成了虚拟运营商业务流程、规范制定、号码分配与制作和支撑系统的建设与上线，同步制定和完善了虚拟运营商USIM卡制作、端到端测试等多个业务流程，为虚拟运营商的大范围商用放号做好了准备。中国移动称，正在根据虚拟运营商的合作意愿和计划加快开展与爱施德等9家企业的系统联调测试，并将于2015年1月份再实现7家企业商用放号，力争在2015年上半年实现全部17家虚拟运营商的正式商用放号。

Design of Ultra Low Power Bluetooth Module Based on CC2540

JIN Chun1,2,JIA Zhenmei1, LIU Luyun2, JIN Jie3

(1.WirelessTransmissionKeyLaboratory,SchoolofCommunication&InformationEngineering,ChongqingUniversityofPosts&Telecommunications,Chongqing400065,China; 2.ChongqingJinouScience&TechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Chongqing400041,China; 3.ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China)

Ultra low power(ULP) bluetooth module is an indispensable part for the commercialization of wearable intelligent device.In the paper, an ULP bluetooth module based on TI CC2540 chip is designed.The block diagram of hardware circuit of bluetooth module is introduced in detail, and the realization of ULP is analyzed from two angles that power supply and signal integrity, the feasibility of the bluetooth module is verified through the communication with mobile terminal.

CC2540；ultra low power；bluetooth module

重庆市科技攻关(应用研发类)项目(cstc2012gg-yyjs0631)

TN925

A

10.16280/j.videoe.2015.01.015

2014-04-16

【本文献信息】金纯，贾珍梅，刘鲁云，等.基于CC2540的超低功耗蓝牙模块的设计[J].电视技术,2014，39(1).

金 纯(1966— )，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为无线通信、计算机软件、物联网等；

贾珍梅(1988— )，女，硕士生，主要研究方向为无线传感器网络、无线通信。

责任编辑：李 薇