【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在圖書倉(cāng)庫(kù)和中藥倉(cāng)庫(kù)中，對(duì)溫度也有類似的要求， 所以本設(shè)計(jì)的應(yīng)用對(duì) 于這種 需要 十分有效的溫度調(diào)節(jié)的環(huán)境有 廣闊的市場(chǎng)前景。 又 如在醫(yī)院的病房中， 病人的心率、血壓、輸液剩余量 等信息都是需要被醫(yī)生或護(hù)士在第一時(shí)間 得知的信息。而傳統(tǒng)的 傳感器模塊加有線傳輸?shù)姆绞皆卺t(yī)院病房這種人員較多，且人員流動(dòng)頻繁的場(chǎng)所來(lái)說(shuō) ，顯得很不方便也很不實(shí)用，消耗也十分大。 而本設(shè)計(jì) 所提出的 ，基于 CC2540 的藍(lán)牙 模塊恰好能解決上面所述的問(wèn)題。 醫(yī) 生和護(hù)士只需在辦公室，就能從 PC 上 實(shí)時(shí)地 看到各個(gè)病人的情況， 并且能 準(zhǔn)確地 去 了解病人的情況 ，做出相應(yīng)的醫(yī)療方案和 應(yīng)急措施 ，這對(duì)醫(yī)生和病人來(lái)說(shuō)都是 極大的 好處。 綜上所述， 藍(lán)牙 技術(shù) 將 把物聯(lián)網(wǎng)又向前帶了一大步，在未來(lái)的生產(chǎn)和生活當(dāng)中，藍(lán)牙 必將發(fā)揮其 不可忽視的作用，為 我們帶來(lái)極大的便利與快樂(lè)。 4 2 開(kāi)發(fā)環(huán)境 硬件環(huán)境 藍(lán)牙芯片 CC2540 CC2540 集成了 射頻收發(fā)器，是一款完全兼容 8051 內(nèi)核的無(wú)線射頻單片機(jī)，它完美的兼容了 藍(lán)牙低功耗協(xié)議棧，非常適合藍(lán)牙低功耗 的開(kāi)發(fā)和 應(yīng)用，它有 3 個(gè)不同的 存儲(chǔ)器訪問(wèn)總線： 特殊功能寄存器（ SFR）； 數(shù)據(jù)（ DATA）； 代碼 /外部數(shù)據(jù)（ CODE/XDATA）。 CC2540 單片機(jī)使用單周期訪問(wèn) SFR、 DATA 和住 SRAM。當(dāng) CC2540 處于空閑模式時(shí)，任何的中斷可以把 CC2540 恢復(fù)到主動(dòng)模式。某些中斷還可以將 CC2540 從睡眠模式喚醒。位于系統(tǒng)核心存儲(chǔ)器交叉開(kāi)關(guān)使用 SFR 總線將 CPU、 DMA 控制器與物理存儲(chǔ)器和所有的外接設(shè)備連接起來(lái)。 CC2540 的 Flash 容量可以選擇，有 128KB、 256KB，這就是 CC2540 單片機(jī)的在線可編程非易失性存儲(chǔ)器，并且映 射到代碼和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。除了保存程序代碼和常亮之外，非易失性存儲(chǔ)器允許應(yīng)用程序保存必要的數(shù)據(jù)，以保證這些數(shù)據(jù)在設(shè)備重啟后可用。 圖 21 是 CC2540 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 5 圖 21 CC2540 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 如圖 21 所示， CC2540 的這些模塊大致可以分為三類： CPU 和內(nèi)存相關(guān)的模塊；外設(shè)、時(shí)鐘和電源管理相關(guān)的模塊，以及無(wú)線電相關(guān)的模塊。 CC2540EM 核心板。 CC2540 EM 是 TI 公司 官方 推出的，藍(lán)牙 開(kāi)發(fā)套件之一。 CC2540EM 核心板主要包括 CC2540 單片機(jī)、全尺寸倒 F 天線，晶振以及擴(kuò)展 接口， CC2540EM 核心板如圖22 所示 ： 6 圖 22 CC2540EM 開(kāi)發(fā)板實(shí)物圖 USBDongle 如圖 23 所示，是 CC2540 USBDongle 的實(shí)物圖。 它是作用是可以配合 TI PacketSniffer 軟件實(shí)現(xiàn) BLE 的無(wú)線抓包，另外可以配合 PC 端的 BTool 軟件實(shí)現(xiàn) PC 端的 BTool主機(jī) 。 USBDongle 通過(guò) USB接口與 PC 連接， 安裝 TI的驅(qū)動(dòng)程序，將 USBDongle模擬成串口，然后運(yùn)行 BTool。 7 圖 23 USBDongle 實(shí)物圖 SmartRF04EB 如 圖 24 所示， 是 SmartRF04EB 的實(shí)物圖。 它是用來(lái)調(diào)試和下載軟件到 EM 的仿真器。 它是 TI 第一代的 CC 系列仿真器，性價(jià)比高，支持 CC2540 和 CC2530，但不支持CC2541。 8 圖 23 SmartRF04EB 實(shí)物圖 軟件環(huán)境 IAR IAR Embedded Wordbench(又稱 EM)的 C 交叉編譯器 是一款完整、穩(wěn)定且容易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具 ， IAR 對(duì)不同的微處理器提供統(tǒng)一 的用戶界面，目前可以支持至少 35 種的 8 位、 16 位、 32 位的 MCU。 其特點(diǎn)如下： ? 完全兼容標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言 。 ? 內(nèi)建相應(yīng)芯片的程序 蘇 荷和內(nèi)部?jī)?yōu)化器 。 ? 高效浮點(diǎn)支持。 ? 內(nèi)存模式選擇。 為了滿足本設(shè)計(jì)的需求， 使用的 IAR 版本是 。 藍(lán)牙 BLE 協(xié)議棧 BLE 協(xié)議棧需要先自己安裝， 里面存放的是協(xié)議棧源碼 ， TI 會(huì)陸續(xù)更新協(xié)議棧版本， 但是本設(shè)計(jì)為了配合 IAR 的版本，所以選擇使用 版本的 BLE 協(xié)議棧。 協(xié)議棧文件夾下 有以下 幾個(gè)目錄 ： ? Accessories—— \Accessories\Drivers 里面存放的 是燒寫了 HostTestRelease 程序的 CC2540 USBDongle 的 USB 轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng) 程序，很 多用戶反 應(yīng)說(shuō) USBDongle 9 插到 電腦上沒(méi)有被識(shí)別 成串口號(hào)，這里就要注意， USBDongle 出廠時(shí)燒寫的 是PacketSniffer 的 固 件 ， 是 協(xié) 議 分 析 儀 ， 叧 有 當(dāng) USBDdongle 燒寫了 HostTestRelease 程序時(shí)才會(huì)表現(xiàn)為一個(gè)串口，此時(shí) USBDongle 的 驅(qū)動(dòng) 程序即在 Drivers 目錄下。 \Accessories\HexFiles 里面存放的 是 TI 開(kāi)發(fā) 板上的 預(yù)先 編譯的 hex 文件 。 \Accessories\BTool 以前 的 協(xié)議棧版本沒(méi)有這個(gè)目錄，這里存放 的 是 BTOOL 的 安裝文件，不 過(guò)不需要手動(dòng) 安裝，因?yàn)閯偛虐惭b協(xié)議棧的時(shí)候已經(jīng) 安裝BTOOL。 ? Components—— 目錄 Components 存放 的 是最終要 的 協(xié)議棧組件，包括底層 的BLE，還有 開(kāi)發(fā)板 硬件層 hal，還有類似操作系統(tǒng) 的 osal。 ? Documents—— 目錄 Documents 存放 的 是 TI 提供 的關(guān)于 協(xié)議棧和協(xié)議棧 demo 的 相關(guān) 介紹 和 開(kāi)發(fā)文檔 ，因 為該目錄下 的 文件非常重要，雖然全部是英文，也需要查看 ： 《 》協(xié)議棧 demo 操作指南，協(xié)議棧里所有 demo 的 說(shuō)明都在這里。 《 TI_BLE_Software_Developer39?！?BLE 協(xié)議棧指南， 介紹 BLE 和 TI的 BLE 協(xié)議棧。 《 》 BLE API 文檔，協(xié)議棧里調(diào)用 的 API 函數(shù) 還有調(diào)用時(shí)序，均在此文檔中。 ? Projects\ble—— 目錄 Projects\ble， 最后一個(gè)，也是最重要 的 目 錄，基于協(xié)議棧的demo 工程都在這里。 所有 的 協(xié)議棧 demo 都要放 到 Projects/ble 這個(gè)目錄下編譯運(yùn)行，因?yàn)?IAR 程配置中使用 的 是相對(duì)路徑，一旦 IAR 工程位置和整個(gè)協(xié)議棧源碼 的 相對(duì)位置 發(fā) 生變化，就無(wú)法找 到 ble 的 其他組件，編譯時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量 的 無(wú)法找 到 文件 的錯(cuò)誤 ， 所有 程序 必須要放 到 這里來(lái)編譯。 BTool BTool 是一款 TI 公司出品的， 與 CC2540 開(kāi)發(fā)配套的 PC 端應(yīng)用程序，通過(guò)使用主機(jī)控制接口 （ HCI） 命令的方式與藍(lán)牙 BLE 外設(shè)通信。 Btool允許用戶使用基本的 BLE集中器設(shè)備功能，例如發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙外設(shè)或廣播設(shè)備、建立與外設(shè)的連接 、進(jìn)行 GATT 應(yīng)用數(shù)據(jù)的讀寫操作 、綁定服務(wù)等。 因此，可以在 PC 端使用 Btool 工具來(lái)進(jìn)行藍(lán)牙外設(shè)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)調(diào)試。 10 Flash Programmer Flash Programmer 也是一款 TI 的官方軟件， 與 SmartRF04EB 配合 使用 ，向 EM 開(kāi)發(fā)板燒寫 HEX 文件 。 11 3 系統(tǒng) 硬件 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)方法和工具 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模塊化的方法，即首先設(shè)計(jì)出 CC2540 核心板，再設(shè)計(jì)出其外圍電路，之后整體調(diào)試。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具軟件采用 Altium Designer 。 這是一款功能強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)軟件，其原型為大家所熟知的 Protel，為廣大的硬件設(shè)計(jì)者提供了完美的硬件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，這套軟件從原理圖的繪制到電路的實(shí)際仿真， PCB 版圖的設(shè)計(jì)等方面極大地便利了用戶的自主開(kāi)發(fā) 。 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)硬件框圖包括 CC2540 核心板和外圍電 路，整個(gè)系統(tǒng)傳輸過(guò)程如圖 31 所示： 圖 31 系統(tǒng)硬件框圖 硬件電路圖 CC2540 核心板硬件資源 CC2540EM 核心板主要包括 CC2540 單片機(jī)、全尺寸倒 F 天線，晶振以及擴(kuò)展接口，CC2540EM 核心板如圖 32 所示 ： 12 圖 32 CC2540 核心板 天線及巴倫匹配電路設(shè)計(jì) CC2540 外部?jī)H需幾個(gè)簡(jiǎn)單的阻容網(wǎng)絡(luò) 即實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的 RF 前端。這部分的電路 也叫做巴倫匹配電路，這部分的結(jié)果好壞對(duì)通信距離，系統(tǒng) 功耗都有較大的影響。 TI 已經(jīng)提供了非常可靠的參考設(shè)計(jì)，所以本設(shè)計(jì)只需按照 TI 的參考設(shè)計(jì)來(lái)開(kāi)發(fā)電路即可。 天線設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同的應(yīng)用來(lái)選擇，既可以使用 PCB 天線，也可以使用 SMA 天線。本設(shè)計(jì)采用的是 PCB 天線，天線及巴倫匹配 電路設(shè)計(jì)如圖 33 所示。 13 圖 33 天線及巴倫匹配 晶振電路設(shè)計(jì) 由于 CC2540 需要 2 個(gè)晶振， 32MHz 和 ，所以本設(shè)計(jì)安裝要求設(shè)計(jì)了這 2個(gè)晶振電路 ，晶振電路接口如圖 34 所示。 圖 34 晶振電路 電源電路設(shè)計(jì) TI 第一代 CC2540DK 開(kāi)發(fā)套件中的 EM 開(kāi)發(fā)板可以使用 USB 轉(zhuǎn) DC 電源從 USB接口上取電，另外也可以使用鋰電池等供電，直接插在 BT1 上，電壓輸入范圍為 到6V，電源管理電路如圖 35 所示 14 圖 35 電源管理電路 LED 電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用與 TI 完全兼容的四色 LED，高電平驅(qū)動(dòng)，另外 D4 和 S1 按鍵共用一個(gè)端口。 LED 和按鍵 S1 電路如圖 36 所示。 圖 36 LED 驅(qū)動(dòng)和按鍵 S1 驅(qū)動(dòng)電路 五向按鍵電路設(shè)計(jì) 協(xié)議棧另外一個(gè)非常重要的拓展電路就是五向按鍵，幾乎每個(gè)協(xié)議棧 demo 都會(huì)用到五向按鍵來(lái)輔助操作 。 五向按鍵的電路比較復(fù)雜，但是原理非常簡(jiǎn)單，當(dāng)按鍵按下時(shí)首先產(chǎn)生一個(gè)高電平，觸發(fā)一個(gè) GPIO 中斷，然后通過(guò)放大器 輸出不同的電壓值， 當(dāng) CC2540 接收到中斷后開(kāi)始去讀五向按鍵 的電壓，不同的方向按下產(chǎn)生的電壓值不同，這樣就實(shí)現(xiàn)了 joystick。五向按鍵設(shè)計(jì)電路如圖 37 所示。 15 圖 37 五向按鍵電路圖 LCD12864 電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用小型的 12864 作為系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)，該 LCD 采用 SPI 接口。 LCD 電路設(shè)計(jì)如圖 38 所示。 圖 38 LCD 電路 復(fù)位電路設(shè)計(jì) CC2540 內(nèi)部集成了上電復(fù)位電路，為了方便程序調(diào)試，本設(shè)計(jì) 在板子 上加了一個(gè)按鍵用來(lái)在線復(fù)位，尤其當(dāng)使用 UART 轉(zhuǎn)串口時(shí)，直接斷電會(huì)導(dǎo)致 PC 設(shè)備異常，這樣復(fù)位按鍵就能夠起到很好的系統(tǒng)復(fù)位功能。 復(fù)位電路如圖 39 所示。 圖 39 復(fù)位電路 下載調(diào)試電路設(shè)計(jì) CC2540EM 開(kāi)發(fā)板使用標(biāo)準(zhǔn)的 CCDebugger 調(diào)試接口，為了方便調(diào)試，特意將debugger 接口的 9 腳 和 2 腳短接，這樣可以使用 CCDebugger 為 板子 供電。 下載調(diào)試電路如圖 310 所示。 16 圖 310 下載調(diào)試電路 17 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) BLE 藍(lán)牙協(xié)議棧 介紹 協(xié)議定義的是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方需要共同按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)；協(xié)議棧是協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式，通俗的理解為用代碼實(shí)現(xiàn)的函數(shù)庫(kù)，以便于開(kāi)發(fā)人員調(diào)用。藍(lán)牙 BLE 協(xié)議棧就是將各個(gè)層定義的協(xié)議棧都集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并提供一些應(yīng)用層 API，供用戶調(diào)用。 值得注意的是，雖然協(xié)議是統(tǒng)一的，但是協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式是變化的，即不同的廠商提供的協(xié)議棧是