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信息家電（IA，Information Appliances）是融合了計算機和通信技術的新型消費電子產品，隨著信息家電進一步數字化、網絡化、智能化和自動化的發展趨勢，出現了家庭網絡。而由于藍牙技術低成本、低功耗、低復雜性、高效率、高可靠性、強互操作性和良好兼容性等特點，使其被家庭網絡所接受。為了合理有效地管理網絡中的家電，并使其順利地實現與家庭網絡以外的因特網、移動通信網甚至固定市話網之間的通信，藍牙網關的如何實現則成為問題的關鍵。本文基于藍牙技術，介紹了用Motorola公司的嵌入式處理器MCF5272來實現家庭藍牙網關的具體方案。 一、藍牙與家庭網絡 藍牙（Bluetooth）是一種近距離無線通信技術規范，用來描述和規定各種信息產品（包括通信產品、計算機產品和消費電子產品）相互之間是如何用短距離無線電系統進行連接的。藍牙技術的最大好處是消除了千頭萬緒、令人頭疼的電纜線，從而實現信息電子設備之間的信息傳遞與同步。它具備通用電纜在成本、安全和承載能力等方面的種種特征。主要有以下幾個特點： 藍牙通過嵌入芯片來為現有的設備增添無線連接的功能。這種微芯片的面積只有1cm見方，能使設備在短距離范圍內發送無線電信號，來尋找另一個藍牙設備，一旦找到，相互之間便開始通信、交換信息。藍牙可以像因特網那樣傳輸數據，也可以像移動電話網那樣傳輸語音。 藍牙的無線傳輸距離一般為10m"100m左右，發射功率大約為1mv"100mv。藍牙使用的是2.4"2.4835GHz的工業、科研、醫療全球通自由頻段。在世界上絕大部分國家無需申請無線電執照或許可證，使人們可以隨時隨地毫無障礙地使用藍牙設備。它采用跳頻擴譜技術，每秒1600跳，在建立連接時為3200跳，是典型的微功率設備，適于家庭范圍。 藍牙設備可以實現點到點的通信，一臺藍牙設備最多可以同時和7臺設備建立無線連接。通信協議采用分層結構，支持語音/數據訪問點、外設連接、個人網絡（PAN）等三大范疇的應用。在通信鏈路層采用認證、加密、和密鑰管理來進行安全控制。在應用層采用PIN（個人標識碼）進行單雙向認證。 藍牙的傳輸速率理論上可以達到每信道1Mbit/s，實際應用時的有效值為每信道721Kbit/s，大約是普通電話線的13倍。它支持64Kbps的實時語音傳輸，語音編碼采用PCM和CVSD。僅傳輸語音時，支持三路全雙工；當語音和數據同時傳輸或者僅傳輸數據時，支持433.9Kbps對稱雙工或723.2/57.6Kbps的非對稱雙工通信。 使用藍牙技術的家庭網絡指網絡家電和其它設備通過嵌入藍牙模塊，比如USB卡、UART卡、PCM卡等，利用無線方式連在一起使其之間相互通信，并利用具有路由功能的家庭藍牙網關與外部網絡互連，能提供集中的或異地的音頻/視頻通信、計算機控制和管理等，實現信息在家庭內以及與外部之間的充分通信和共享。 二、嵌入式處理器MCF5272 MCF5272微處理器是Motorola公司生產的高集成的ColdFire微處理器。考慮到在設計下一代互聯網設備、LAN電話系統、低端網絡控制、工業控制、圖像設備，還是存儲解決方案時，摩托羅拉的MCF5272的高性能及通用性都能滿足嵌入式系統設計和應用要求。 MCF5272采用ColdFireV2可變長RISC處理器核和DigitalDNA技術，在66MHz時鐘下能夠達到63MIPS的優良處理能力。其內部SIM(System Integrated Module)單元集成了豐富的通用模塊，如10/100Mbps快速以太網控制器、USB1.1接口等，并且能夠與常用的外圍設備(如SDRAM、ISDN收發器)實現無縫連接，從而簡化了外圍電路設計，降低了產品成本、體積和功耗。主要有以下特點： MCF5272內部集成了4K字節的SRAM、16K字節ROM、1K字節的指令Cache，以及片外擴展的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位地址數據總線，內核和總線時鐘均為66MHz，有16個通用數據寄存器。 MCF5272內部集成了UART、USB控制器，只需很少的外圍芯片就可以實現兩個RS232串口和一個USB Slave接口。MCF5272還內嵌一個FEC(快速以太網控制器)，片外擴展一片LXT971，快速以太網媒體存取控制（MAC），支持100Mbps MII，10Mbps MII和10Mbps 7-Wire物理接口。 ColdFire系列處理器支持背景調試模式，它提供了對底層硬件的調試手段。在背景調試模式下，通過向CPU發送命令，可以實現對CPU寄存器、系統存儲器的訪問。使用Motorola推薦的26針插座接到BDM仿真頭，實現代碼的下載和調試。 合乎USB1.1標準，可操作內或外收發器的設備控制器。提供48個通用的I/O引腳，支持7個外部中斷。 三、藍牙網關的實現方案 家庭藍牙網關的實現方案如圖Fig-1所示，主要包括藍牙網關控制模塊、射頻收發模塊、外網連接模塊三部分。其中，以MCF5272為核心部件的藍牙網關控制模塊對家庭網絡通過射頻收發模塊為與信息家電的連接提供了無線接口，對外與PSTN 網通過RJ11接口連接，與Internet網通過RJ45接口連接，成為公共網進入家庭的咽喉要道。 1、藍牙網關控制模塊 藍牙網關控制模塊是家庭藍牙網關的核心部分，采用了Motorola嵌入式處理器MCF5272，具有較好的處理能力的同時也支持藍牙上層協議棧、終端的接入控制、話路交換等功能。本設計方案對MCF5272的RAM和ROM進行了擴充，外擴了16M字節的SDRAM（2×HY641620HG）和4M字節的FLASH ROM（2×AM29LV1600B）。這樣，MCF5272執行存儲在閃存FLASH里的程序，并將一些臨時數據存放在同步數據隨機存取器SDRAM里，用戶可以通過鍵盤和液晶顯示等與MCF5272進行簡單的交互，完成一些諸如日期、時間等簡單參數的設置。 MCF5272的UART1可以直接和支持藍牙技術的USB、RS232、PC卡等連接，實現上層與底層的藍牙協議通信。通過串口直接與射頻收發模塊相連，通過MCF5272的I/O引腳和外部中斷線可以連接電話線路接口和以太網接口。除此以外，藍牙網關控制模塊還包括時鐘電路、復位電路以及電源供應幾監控電路等。 2、射頻收發模塊 射頻收發模塊由藍牙收發器和天線組成，功能就是為網關和終端提供無線通道。各種控制信號、數據信號都通過串口和MCF5272進行傳遞。該模塊以射頻單元控制器芯片為核心，由濾波器、功放、低噪放、收發切換開關和一些外圍電路組成。為了使藍牙的傳輸距離在空曠地帶能達到100m左右，可以考慮在射頻控制器之前加一級射頻放大電路，由控制器芯片的內置微處理器對其內存單元和RAM實施有效管理，調用底層藍牙協議棧。即通過USB藍牙設備、RS232藍牙設備、PC卡藍牙設備與家庭網絡中的信息家電終端連接。 3、外網接口模塊 外網接口模塊包括電話線路接口和以太網接口。 電話線路接口用于從發送和接收器發送話音信號、放大發送的DTMF信號。一方面來自RJ11的振鈴及雙音多頻等信號，送到DTMF接收器；另一方面放大來自DTMF發送器的DTMF信號及來自PCM解碼器的話音信號，送到RJ11上。DTMF收發器完成DTMF信號的檢測和產生，發送到網絡以供MCF5272響應。 以太網接口與電話線路接口一起為MCF5272提供了外部通道，其中網絡變壓器起到了隔離RJ45與電路板的作用，以避免相互干擾。以太網收發器則起著透明傳輸的作用，一方面將網線上的差分串行信號變成MCF5272可以方便讀取的并行數據，另一方面將MCF5272的并行數據變成差分信號送到網線上。 結束語 基于上述藍牙網關控制模塊、射頻收發模塊、外網接口模塊，以Motorola嵌入式處理器MCF5272為核心的家庭藍牙網關得以實現。三個模塊的硬件成本低，且整個系統設計開發周期較短，發射功率較低，充分利用現有網絡資源具有向上兼容性及可擴展性，成為由信息家電構成的家庭網絡與PSTN網、Internet網連接的關鍵。這種家庭藍牙網關必將成為藍牙技術在家庭網絡中應用的主流。 |
