2021年01月12日 | 基于CC2541蓝牙模块与单片机的串口通信

一、CC2541器件概述

CC2541是一款针对低能耗以及私有2.4GHz应用的功率优化的真正片载系统（SoC）解决方案。它使得使用低总体物料清单成本建立强健网络节点成为可能。CC2541将领先RF收发器的出色性能和一个业界标准的增强型8051MCU、系统内可编程闪存存储器、8kBRAM和很多其它功能强大的特性和外设组合在一起。CC2541非常适合应用于需要超低能耗的系统。这由多种不同的运行模式指定。运行模式间较短的转换时间进一步使低能耗变为可能

二、CC2541芯片的特性参数

CC2541是一款针对蓝牙低能耗以及私有2.4GHz应用的功率优化的真正片载系统（SoC）解决方案。它使得使用低总体物料清单成本建立强健网络节点成为可能。CC2541将领先RF收发器的出色性能和一个业界标准的增强型8051MCU、系统内可编程闪存存储器、8kBRAM和很多其它功能强大的特性和外设组合在一起。CC2541上CC2541非常适合应用于需要超低能耗的系统。这由多种不同的运行模式指定。运行模式间较短的转换时间进一步使低能耗变为可能。

如果CC2540上的USB未启用并且CC2541上的I2C/额外I/O未启用，那么CC2541与CC2540在6mmx6mm方形扁平无引脚（QFN）40封装内引脚兼容。与CC2540相比，CC2541提供更低RF流耗。CC2541没有CC2540所具有的USB接口，并在TX模式中提供较低的最大输出功率CC2541还增加了1个HWI2C接口。

CC2541与CC2533优化RF4CEIEEE802.15.4SoC引脚兼容。CC2541有2个不同的版本：分别具有128kB和256kB闪存的的CC2541F128/F256。

1、特性

（1）射频

–2.4GHz蓝牙符合低能耗规范和私有的RF片载系统

–支持250kbps，500kbps，1Mbps，2Mbps的制器内核数据速率–出色的链路预算，不使用外部前段而支持长距离应用–高达0dBm的可编程输出功率

–出色的接收器灵敏度（1Mbps时为-94dBm），可选择性，和阻挡性能

–适合于针对符合世界范围内的无线电频率调节系统：ETSIEN300328和EN3004402类（欧洲），FCCCFR4715部分（美国），和ARIBSTD-T66（日本）

（2）布局

–极少的外部组件–提供参考设计支持

–6mm&mes;6mm方形扁平无引脚（QFN）-40封装

–与CC2540引脚兼容（当不使用USB或者I2C时）（ADC）

（3）低功率

–工作模式RX低至：17.9mA

–工作模式TX（0dBm）：18.2mA–功率模式1（4μs唤醒）：270μs–功率模式2（睡眠定时器打开）：1μs–功率模式3（外部中断）：0.5μs

（4）工作模式下TPS62730兼容低功率

–RX低至：14.7mA（3V电源）–TX（0dBm）：14.3mA（3V电源）

（5）微控制器

–具有代码预取功能的高性能和低功率8051微控制器内核

–系统内可编程闪存，128或者256KB

–在所有功率模式下具有保持功能的8KBRAM

–支持硬件调试

–扩展基带自动化，包括自动确认和地址解码

–所有功率模式中对所有相关寄存器的保持

（6）外设

–功能强大的5通道直接内存访问（DMA）

–通用定时器（1个16位，2个8位）

–红外（IR）生成电路

–具有捕捉功能的32kHz睡眠定时器

–精确数字接收到的数字信号强度指示器（RSSI）支持

–电池监视器和温度感应器

–含8通道和可配置分辨率的12位模数转换器（ADC）

–高级加密标准（AES）安全协处理器

–2个功能强大的支持几个串行协议的通用异步接收发器（UART）

–23个通用I/O引脚（21&mes;4mA，2&mes;20mA）

–I2C接口

–2个具有LED驱动功能的I/O引脚

–安全装置定时器

–集成的高性能比较器（7）开发工具

–CC2541评估模块工具包（CC2541EMK）

–CC2541小型开发工具包（CC2541DK-MINI）

–SmartRF?软件

–提供IAR嵌入式Workbench?

2、软件特性

（1）符合针对单模式蓝牙低能耗（BLE）解决方案的符合蓝牙4.0协议的堆栈器

–完全功率优化堆栈，包括控制器和主机

–GAP-中心设备，外设，或者广播器（包括组合角色）

–属性协议（ATT）/通用属性配置文件（GATT）

–客户端和服务器

–L2CAP说明

（2）示例应用和配置文件

–针对GAP中心和外围作用的一般应用

–距离临近，加速计，简单关键字，和电池GATT服务

–BLE软件栈内支持更多应用

（3）多重配置选项

–单芯片配置，允许应用运行在CC2541上

–用于运行在一个外部微处理器接口

–BTool-用于评估、开发和测试的视窗（Windows）PC应用

3、应用范围

?2.4GHz蓝牙低能耗系统

?私有的2.4GHz系统

?人机接口器件（键盘，鼠标，遥控）

?体育和休闲设备1个HWI2C接口。

?移动电话附件?消费类电子产品

4、含有TPS62730的CC2541

?TPS62730是一款具有旁通模式的2MHz降压转换器

?延长电池寿命高达20%

?在所有工作模式下减少的电流

?30nA旁通模式电流以支持低功率模式

?RF性能并未改变

?小型封装允许小型解决方案尺寸

?CC2541可控

三、CC2541器件的用途

符合针对单模式蓝牙低能耗（BLE）解决方案的符合4.0协议的堆栈

完全功率优化堆栈，包括控制器和主机GAP-中心设备，外设，或者广播器（包括组合角色）属性协议（ATT）/通用属性配置文件（GATT）–客户端和服务器对称式对多重处理（SMP）-AES-128加密和解密L2CAP

示例应用和配置文件针对GAP中心和外围作用的一般应用距离临近，加速计，简单关键字，和电池GATT服务BLE软件栈内支持更多应用

多重配置选项单芯片配置，允许应用运行在CC2541上用于运行在一个外部微处理器上的网络处理器接口

BTool-用于评估、开发和测试的视窗（Windows）PC应用

四、基于单片机的蓝牙硬件接口设计 1、单片机C8051简介

微控制器（MCu）是蓝牙应用系统的核心，它的选择将直接影响到系统的性能。C8051F120是Cygnal公司的一种与8051兼容的高速SOC单片机，它具有高速CIP．51内核、灵活的I／O交叉开关、先进的时钟系统、JTAG系统调试接口以及多源复位系统它性能卓越，内核采用流水线结构，速度可达100MIPS，比普通的51快40倍，而且在资源丰富、体积小、功耗低、集成度高且调试方便。

下面列出了它的一些主要特性：

（1）高速、流水线结构的8051兼容的CIP．51内核；

（2）真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；

（3）2周期的16&TImes;16的乘法和累加引擎；

（4）8448（8K+256）字节的片内RAM；

（5）可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口；

（6）硬件实现的SPI、SMBus／12C和两个UART串行接El［10l；

（7）5个通用的16位定时器；

（8）具有6个捕捉／比较模块的可编程计数器／定时器阵列；

（9）FLASH存储器具有在系统中重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新固件；

（10）片内JTAG调试电路允许非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统测试；

（11）可在工业温度范NI（．45“C一+85。c）N用2．7V～3．6V的电压工作。

（12）C8051F120为100脚TQFP封装。

2、单片机与蓝牙模块的连接

目前，最流行的HCI是通过通用异步收发器（UART）和通信串行总线（USB）连接的。其中UART通常更受青睐，因为其性能和数据吞吐率水平与USB接口相当，且传输协议较为简单，减少了软件开销，是一种更为经济高效的硬件解决方案。

①蓝牙模块电源线

蓝牙模块的电压管理器共有4个输入，分别是Vcc（12）、MASTER（28）、SW（27）和SW1（23）。Vcc提供电源电压，典型值是3．3V；MASTER（28）为UART提供一个独立的电源回路，可以与单片机逻辑接口相同，可以连接到Vcc；SW（27）信号控制内部电压稳压器导通或关断。将Vcc（12）、MASTER（28）、SW（27）和SW1（23）连接在一起使用时，不需要考虑蓝牙模块的加电顺序。

图1：蓝牙模块的外围电路

②数据线和信号线

单片机C8051F120具有两个UART，在此选用UART0。在编程时候可通过交叉开关设置，将UART0分配到两个管脚上，例如P3.1（TXD）和P3.0（RXD），分别与蓝牙模块的RXD和TXD相连。另外，单片机端需另外分配两个管脚，例如P1．2和P1．3，分别作为流量控制信号CTS和RTS，分别与蓝牙模块的RTS和CTS相连。若CTS为1则允许对方发送，若CTS为0则禁止对方发送。

图2：单片机的外围电路

③蓝牙模块天线

蓝牙模块ANT管脚连接到50欧的天线，天线的电压驻波比小于2：1。在本课题的实验板的设计中，单片机和蓝牙模块是焊接在一个PCB板上的。由于蓝牙模块采用平面封装，而且引脚很密集，要想直接焊接到PCB板上很困难，而且天线也很难焊接上去。因而自行设计了一个辅助电路板，先将蓝牙模块焊接到此辅助电路板上，然后将要用到的蓝牙模块的部分引脚引出来，通过插座将蓝牙模块连接到PCB板上，这样就使得蓝牙模块的装卸变得很方便。辅助电路板引出的管脚有GND．地线、VCC．3．3V、数据收发线RXD和TXD、流控线RTS和CTS、使能信号线．EN、复位信号线．RESET，其中BTEN即图3中的ON信号，实际应用中将它与VCC接在一起，其他的与单片机相连。

图3：CC2541与单片机的连接电路

五、软件设计

单片机通过UART控制蓝牙模块时，最底层的数据传输是通过UART实现的。因而需要实现单片机UART接口函数来完成最基本的字节级的数据发送和接收。UART即通用异步通信接收发送器，它是一种同步／异步传输的串行接口，工作在同步传输的为半双工方式，而工作在异步传输的为全双工方式。单片机的UART用一个SFR（且I］SBUF）的地址可以访问发送寄存器和接收寄存器，并允许在软件尚未读取前一个接收字节的情况下，开始接收第2个输入数据字节。C8051F120的UART工作模式有模式O、模式1、模式2、模式3共4种，其中模式0是同步半双工方式，其余全为异步全双工方式。

相关程序如下：

#include《ioCC2540.h》

#include《reg52.h》

#include《intrins.h》

unsignedchartmp;

unsignedintc=0;

sbitled1=P2^0;//指示灯0

sbitled2=P2^1;//指示灯1

sbitled3=P2^3;//指示灯3

voidinit（）;//串口初始化

voidsend（unsignedchara）;//单字节发送函数

voidctrl（）;//接收处理函数

voidmain（）{

init（）;while（1）

{

if（RI==1）//是否有数据到来

{

RI=0;

tmp=SBUF;//暂存接收到的数据

ctrl（）;

}

}

voidinit（）//串口初始化

{

ES=0;//关中断

SCON=0x50;//REN=1允许串行接受状态，串口工作模式1，10

//位UART（1位起始位，8位数据位，1位停止位，

//无奇偶校验），波特可变

TMOD=0x20;//定时器1工作于方式2，8位自动重载模式，用

//于产生波特率

TH1=TL1=0xFD;//波特率9600（本次测试采用晶振为11.0592）

PCON&=0x7f;//波特率不倍增

TR1=1;//定时器1开始工作，产生波特率

//发送标志位置1

TI=0;//接收标志位置0

RI=0;

EA=0;

ES=1;

led1=0;//初始化设置3个指示灯全亮

led2=0;

led3=0;

}

voidsend（unsignedchara）//单字节数据发送

{

//注意：若单片机TXD（P3.1）无上拉能力，必须在P3.1端接上拉电阻。本次测试需要接上拉电阻

TI=0;

SBUF=a;

while（TI==0）;

TI=0;

if（c%2）//发送指示灯标志，每接收一次，此灯亮灭交替

led3=1;

else

led3=0;

c++;

}

voidctrl（）//接收处理函数

{

switch（tmp）

{

case‘1’：

led1=1;//收到字符1，指示灯0灭

send（tmp）;

break;

case‘2’：//收到字符2，指示灯1灭

led2=1；

send（tmp）;

break;

case‘3’：//收到字符3，指示灯0、1亮

led1=0;

led2=0;

send（tmp）;

break;

case‘4’：//收到字符4，指示灯0、1灭

led1=1;

led2=1;

send（tmp）;

break;

case‘5’：//收到字符5，指示灯3亮

led3=0;

send（tmp）;

break;

default：//其他，灯全灭

led1=1;

led2=1;

led3=1;

send（tmp）;

}