摘 要： 在介紹MSP430F447單片機和LBMx-2002藍牙模塊" title="藍牙模塊">藍牙模塊的特點和功能的基礎上，著重介紹了單片機和藍牙系統的各種低功耗" title="低功耗">低功耗工作特性，并充分利用其節能特性實現MSP430F447單片機在便攜式藍牙產品中的應用。
關鍵詞：?MSP430? 低功耗? 藍牙? LBMx-2002
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藍牙技術是一項新興的計算機與通信方面的短距離（10ｍ～100ｍ）無線電信號傳輸標準，是一種面向低功耗的無線技術。在實際應用中，盡管藍牙功耗很小，但是藍牙在工作時天線發射所需要的功耗相對來說仍然較大，因此在小型便攜式產品中為了實現小容量電池供電,需要考慮如何進一步降低功耗" title="降低功耗">降低功耗、延長電池的使用時間" title="使用時間">使用時間。
本文介紹TI公司MSP430系列中F447單片機[4]演以及ＬＧ Ｉｎｎｏｔｅｋ公司Ｃｌａｓｓ ２藍牙模塊ＬＢＭｘ－２００２[2]的特點和使用，并介紹如何利用它們本身具有的各種低功耗運行方式最大限度地降低系統功耗，以較小的硬件尺寸、較好的便攜性和移動性實現點對點或者一點對多點的無線數據和信息的傳輸。
１ 系統結構
典型的藍牙應用系統如圖１所示。系統由多個可移動的藍牙從設備（ＳＬＡＶＥ）、一個負責與藍牙從設備建立連接的藍牙主設備（ＭＡＳＴＥＲ）以及一臺管理計算機組成。藍牙主設備可以通過ＲＳ－２３２、ＰＣＩ或者ＵＳＢ與計算機連接起來。藍牙從設備可以設計為各種便攜和移動器件，例如車輛管理系統的車載裝置、門禁系統的身份卡。藍牙主設備不斷查詢是否有新的藍牙設備，再將查詢到的信息通過接口發送給計算機，由計算機決定是否對其進行連接，并建立數據鏈路" title="鏈路">鏈路，控制各個從設備與主設備的通信。計算機與各種藍牙接入裝置之間的各種信息通過藍牙數據鏈路完成交換。
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２ 藍牙接入裝置硬件結構
以藍牙從設備為例，藍牙從設備的硬件結構如圖２所示。系統由ＭＳＰ４３０Ｆ４４７、ＬＢＭｘ－２００２藍牙模塊、ＲＳ－２３２接口、串行存儲器、ＬＣＤ顯示屏以及微帶天線組成。單片機通過ＵＡＲＴ１控制藍牙模塊的工作。作為從設備需要主設備發起連接，未建立連接時，一直處在等待連接狀態。數據鏈路建立后，單片機接收藍牙模塊返回的數據，并將數據通過ＬＣＤ屏顯示。ＲＳ－２３２接口用于配置從設備信息，如從設備的ＩＤ、安全連接ＰＩＮ碼等。從設備信息由計算機通過ＲＳ－２３２接口發送給單片機，單片機將其保存在內部的Ｆｌａｓｈ或者擴展的串行存儲器中。
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2.1 MSP430F447單片機
??? MSP430F447工作電壓范圍1.8V～3.6V?在1MHz時,不同運行模式下的額定工作電流為0.1μA～400μA,具有五種節能工作方式,可以使系統在保證正常運行條件下最大限度地降低功耗。內部具有硬件乘法器。FLL+時鐘系統、12位A/D、模擬比較器和定時器模塊,還包括六個I/O端口以及兩個硬件UART。另外,它還支持高達160段位的LCD驅動器,可以不另外增加液晶驅動模塊而直接連接LCD顯示屏。單片機內部具有電源電壓管理單元,可以很方便地實現電池電壓監測[3]。
??? MSP430F447有六種運行模式,一種是AM正常運行模式,其余為低功耗運行模式[4]:
?? (1)LPM0(Low-power mode 0):CPU和MCLK主時鐘關閉,ACLK輔助時鐘、SMCLK子系統主時鐘和FLL+鎖頻環保持活躍;
?? (2)LPM1:CPU、MCLK和FLL+關閉,ACLK和SMCLK保持活躍;
?? (3)LPM2:CPU、MCLK、FLL+和DCOCLK關閉,ACLK和數字時鐘發生器保持活躍;
?? (4)LPM3:CPU、MCLK、FLL+、DCOCLK和數字時鐘發生器關閉,ACLK保持活躍;
?? (5)LPM4:CPU、MCLK、ACLK、FLL+、DCOCLK和時鐘發生器關閉,晶振停止振蕩。
?? 以f(ACLK)=32.768Hz,f(System)=1MHz,VCC=3V為例,單片機運行時,AM時消耗電流為420μA,LPM0時為55μA,LPM2時為17μA,LPM3時為1.6μA(25℃),LPM4時為0.1μA(25℃)。
2.2 藍牙模塊
?? 本文使用LG Innotek公司Class 2 藍牙模塊LBMx-2002,內部結構如圖3所示。其內核藍牙模塊采用CSR公司的BlueCore2-Ext[5]單片藍牙,通過對BlueCore2-Ext的進一步封裝,極大地降低了電路設計的難度。
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??? LBMx-2002提供完全兼容藍牙系統的數據和語音通信,向主機提供UART和USB接口,支持723.2kbps/57.6kbps數據速率及A律、μ律壓縮,提供每秒8kHz采樣率,雙向同步串行音頻接口、內部具有4MB/8MB的FLASH ROM。其協議棧采用BlueCore2-Ext HCIStack1.1v14.3,兼容藍牙規范1.1版本。整個模塊的尺寸相當小,只有12.5mm×17.5mm。
??? 它的供電電壓為3.0V～3.6V,工作電流在ACL數據傳輸時(UART/115.2kbps)是20mA,在只有Voice時(HV3 Packet)是33mA,具體如表1所示[2]。
??? 藍牙支持三種節能工作模式:HOLD(保持)模式?SNIFF(呼吸)模式和PARK(暫停)模式。在HOLD模式下,只有一個內部計數器工作。當處于HOLD模式的單元被激活,數據傳遞立即重新開始?HOLD模式一般用于連接多個PICONET(微微網)的情況。在SNIFF模式下,從設備降低了從微微網“收聽”消息的速率,“呼吸”間隔也可以適當調整。在PARK模式下,設備依然與微微網同步但沒有數據傳送。工作在PARK模式下的設備放棄了MAC地址,偶爾收聽主設備的消息并恢復同步,檢查廣播消息?這三種工作模式以PARK模式節能效率最高,依次是HOLD模式和SNIFF模式[1]。
???? 通過表1可以看出,藍牙建立連接后在PARK模式條件下的消耗電流最低,通過控制藍牙的工作狀態與MSP430的低功耗模式相結合,可以極大地降低系統工作電流,延長電池的使用時間?在本文的藍牙接入裝置中,通過單片機外接高頻晶振、關閉頻率鎖定環FLL+等內部模塊,將單片機的節能模式設定到了LPM3,只要保持輔助時鐘ACLK活躍,就可以響應藍牙模塊通過UART返回的數據和消息。藍牙模塊建立連接后,只要沒有數據傳輸,就將其工作模式置為PARK模式。當主設備需要再次傳輸數據時,需要向從設備發送退出PARK命令。從設備退出PARK模式后,即可與主設備進行數據信息交換。
３ 藍牙接入裝置的軟件實現
? 下面以從設備為例說明從設備的工作過程(不涉及存儲器和LCD操作,主從設備之間只建立ACL數據鏈路)。首先單片機初始化,設置ACLK輔助時鐘,設置UART0和UART1等內部模塊時鐘為ACLK,藍牙模塊復位;設置連接模式后,單片機進入LPM3休眠狀態;當主設備通過Inquiry查詢到從設備并建立連接后,單片機退出休眠模式,并修改藍牙模塊的被查詢方式以及設置PARK模式的使能,隨后主從設備進行數據信息交換;當沒有數據交換時,藍牙模塊進入PARK模式,單片機隨即進入LPM3休眠狀態,以降低功耗;當數據的傳輸恢復時系統再退出休眠狀態?圖4為系統軟件流程圖。
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該藍牙接入裝置通過改變單片機和藍牙模塊的運行方式，最大限度地降低了整個裝置的功耗。實驗證明，其節能效果非常顯著，在小數據量業務下完全可以使用高容量的鋰電池實現系統的便攜性、可移動性和較長的使用時間，因此具有較好的實用價值。
參考文獻
[1] Specification of the Bluetooth System Version 1.1. 2002
[2] Data Sheet Class 2 Bluetooth Module LBMx-2002. LG
Innotek Co. 2002
[3] MSP430X4XX系列用戶指南.Texas Instruments,2001
[4] MSP430x43x44x Data Sheet. Texas Instruments,2001
[5] BlueCoreTM2-External Data Sheet. CSR Corporation,2003