基于CC2541的低功耗蓝牙模块的设计

摘 要：设计一款以TI公司CC2541为核心器件，能够快速连接并且可以进行双向数据交换的超低功耗蓝牙模组。对该超低功耗蓝牙模组电路组成及原理进行了详细介绍，并从电流以及数据完整性的角度对该模块的功耗性能与稳定性进行了分析。

关键词：CC2541;低功耗;蓝牙模块

中图分类号：TP925  文献标识码：A

Abstract：This paper designs an ultra-low power Bluetooth module based on TI company cc2541，which can connect quickly and exchange data in two directions.The circuit composition and principle of the ultra-low power Bluetooth module are introduced in detail，and the power performance and stability of the module are analyzed from the perspective of current and data integrity.

Key words：CC2541;low power consumption;Bluetooth module

藍牙无线技术是使用最广泛的全球短距离无线标准之一[1]，蓝牙技术联盟（SIG）在制定蓝牙4.0规范时为了提高数据传输的稳定性在射频、基带协议、链路管理协议（LMP）中采取了差错检验和校正、进行数据编解码、差错控制、数据加噪等可靠性措施[2]，极大提高了蓝牙数据传输的可靠性。传统蓝牙设备的待机功耗量大一直是其缺陷之一，主要原因是传统蓝牙采用16～32个通道进行广播，低功耗蓝牙采用3和广播通道，并且每次广播开启时间由传统蓝牙的22.5ms减少到0.6～1.2ms，大幅度降低了广播导致的待机功耗[3]。除此之外低功耗蓝牙设计了深度睡眠状态替换传统蓝牙的空闲状态，进一步降低了功耗。在连接速度方面低功耗蓝牙也又传统蓝牙的6s降低到3ms，几乎是瞬间的连接[4]。随着科技的发展，智能穿戴、智能仪表逐步普及，超低功耗的短距离无线传输成为了必不可少的一部分。本文针对目前的市场需求，从硬件电路设计和软件系统两个方面，设计开发了一款超低功耗蓝牙模块。解决了蓝牙功耗问题以及传输数据量较大时容易丢包的问题。

1 低功耗蓝牙模块硬件电路设计

1.1 硬件原理

主控模块采用TI（Texas Instruments）公司的CC2541芯片及其外围电路实现，CC2541使用的8051 CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。中断控制器提供了18个中断源，分为6个中断组，每组与四个中断优先级相关。数字内核与外设由一个1.8V的低差稳压器供电，另外CC2541还包括一个电源管理功能，可以实现不同供电模式的长电池寿命的低功耗应用运行，有5中不同的复位源来复位设备。外围电路包含了阻抗匹配电路、天线、时钟电路、滤波器、以及各个I/O口和通信接口。采用邮票孔的封装方式，可以很方便的在其他设备上应用。蓝牙模块系统框图如图1所示。

蓝牙模块分别采用3.3V供电，每一路供电都有相应的电容作为滤波保护，采用32.768KHz和32MHz的晶振作为晶振源，并且设计了LED作为指示，当蓝牙连接时LED常亮，在进行数据传输时，LED闪烁，断开连接时LED熄灭，根据LED的状态可以很清楚的知道蓝牙的工作状态。电气原理图如图2所示。

1.2 天线设计

天线是无线通信系统中的重要元器件，广泛应用于无线电通信、广播、电视、雷达、导航等工程。天线性能的好坏直接影响到整个系统的性能。发射天线的任务是将高频电流或者导行电磁波转变为空间中传播的无线电磁波，而接收天线则是将空间中传播的无线电波转变为高频电流或者导行电磁波。天线主要起着在高频电流或者导行电磁波和空间无线电波之间的换能作用。天线的设计准则就是将换能效果得到最优。该低功耗蓝牙模块采用蛇形天线的设计，天线形状如图3所示。

通过对天线进行回波损耗方针，仿真图如图4所示，可以看出该天线参数比较好，可以达到2.45GHz频段和带宽要求。

2 低功耗蓝牙模块软件开发

2.1 低功耗蓝牙模块软件设计流程

低功耗蓝牙模块除了可以实现数据的透传功能以外还需要能够处理相应的AT指令。用户可以通过发送AT指令来对蓝牙模块进行一些参数的设置、状态的查询等，例如：修改蓝牙名称、修改传输波特率、查询RSSI值。当蓝牙模块未与手机或者其他蓝牙连接时，低功耗蓝牙模块会直接判断是否为AT指令。如果是则进行相应的操作。如果不是则将数据取出，不做处理。当蓝牙模块已经被连接时，收到数据后同样会先判断是否为AT指令。如果是则进行相应的操作。如果不是则将数据取出，发送给接收端。软件设计流程如图5所示。

图5

2.2 防止数据丢包设计

由于蓝牙协议的限制，在数据传输时每个数据包不能超过20字节。在传输数据量较大时，经常会出现数据接收不完全的现象。为了解决这个问题，当有数据需要被发送时，首先读取数据长度，如果长度小于20字节，则直接发送。如果大于20字节，则将数据分成两个或者多个数据包分次进行发送。经过实际测试该方法可以有效解决数据丢包问题。

2.3 低功耗设计

想要实现蓝牙模块的低功耗，首先要在设置里打开“Power Saving”，之后需要将所有的周期事件删除，因为当协议栈里有周期事件运行时，蓝牙芯片是不会进入低功耗模式的。做完上述工作后，我们还需要对每一个引脚进行配置。确保模块能够具有最低的功耗。当模块没有被连接并且没有数据传输时，芯片将进入低功耗模式。经过我们的实际测试，模块在进入低功耗模式后功耗在10uA左右，完全满足我们的要求。

3 总结

本设计以TI的CC5241为核心处理器，具有超低功耗，实现了近距离无线数据的传输，解决了发送较大数据容易丢包的问题。本模块可以应用在多种场合，为其他厂商提供了更多的选择方案，具有很强的实际意义。

参考文献：

[1]王伟.蓝牙4.2：物联网首选无线技术标准[J].电子技术应用，2015（2）：7.

[2]杨迪娜.蓝牙技术联盟发布4.2版本带来科技生活新体验[J].单片机与嵌入式系统应用，2015.15（3）：82.

[3]李侠，沈峰，李德胜.基于Android系统的低功耗蓝牙应用程序开发[J].重庆科技学院报：自然科学版，2014，16（5）：133.

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

[5]TI.2.4G Bluetooh low energy System-on-Chip[EB/OL].

[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.

作者简介：张超峰，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统应用与开发、电子系统设计、气体检测分析。