一款基于CC2540的蓝牙控制模块

1. 驱动芯片IW1706-00介绍

TI CC2540芯片介绍

CC2540是一款低成本，低功耗，采用system-on-chip(SOC)技术的蓝牙芯片。它的蓝牙主从节点建立只需花费非常低的总材料成本。CC2540的内核是一款行业标准内优良的射频收发器的增强型单片机8051，其系统编程闪存为8KB，同时支持许多其他强大的功能和外设。CC2540使整个系统可以在低功耗下正常运行，在此基础上还有极低功耗的休眠状态可选择。CC2540还具有极短的启动时间且在传输完数据后能迅速地关闭，这也使得整个系统功耗更低。CC2540有两个不同的版本cc2540f128/f256，区别在于128和256 KB闪存。图12为其内部原理图。

       图12 CC2540内部原理图

芯片示意图及管脚说明

图13 CC2540管脚示意图

表5 CC2540管脚说明

特性介绍

工作电压: 2.0 — 3.6V ;

I/O口控制电平: 0 — VCC z;

工作频段: 2400 — 2483.5 MHz

发射功率: ≥ 3 dBm

低功耗:低接收电流、发射电流，极低的睡眠电流

便于操作， 安全规范，支持 AES 安全加密和 24-bit CRC 校验

传输可靠，支持自适应跳频技术

兼容2.4GHz 蓝牙低功耗的RF收发器;

只需一个晶体，即可满足组网需要;

内置IEEE 802.15.4媒体存取控制(MAC)定时器，通用的16位和2个8位定时器，红外发生电路各一个及支持多种串行通信协议的USART两个;

输入8～14位ADC8路及通用I/O引脚21个，其中2个支持20mA输入输出;

内置电池监视器和温度传感器;

极高的接收灵敏度(-97dBm)和抗干扰性能;

强大的DMA功能;

硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA-CA);

支持数字化的接收信号强度指示器/链路质量指示(RSSI/LQI);

电流消耗小(当微控制器内核运行在32MHz时，RX为19.6mA，TX为24mA);

外围电路简单;

处于工作模式1时电流为0.2mA，唤醒系统仅需530us，处于工作模式2时电流为1uA并睡眠定时器;处于工作模式3时电流为0.4uA，外部中断唤醒;

8 KB SRAM及128/256 KB Flash存储器具备在各种供电方式下的数据保持能力;

高级加密标准(AES)协处理器;

带看门狗，支持硬件调试;

小尺寸QLP-40封装，6mm×6mm

应用广范，全面支持GAP、ATT/GATT、L2CAP等低功耗蓝牙的主机和控制协议，支持 HIDS、 ANP、BAS、FMP、HRT等蓝牙联盟规范发布的低功耗蓝牙应用Profile。可定制产品功能。

主电路设计介绍

本次设计中的蓝牙控制模块是基于德州仪器公司(TI)的CC2540芯片开发的一款低功耗蓝牙射频控制模块，是一款可应用各种短距离物联网无线通信应用的无线射频收发器。此模块具有功耗低、体积小、传输距离远、抗干扰能力强等特点。模块带有外扩天线接口和板载天线，在实际应用中可以选择其一进行使用，当选择外扩天线接口时，可根据用户实际需要,选择相应天线;模块采用邮票型接口形式,端口完全对外开放，客户使用时在免去射频硬件设计难度的同时，在软件和产品结构上具有更灵活的二次开发空间。该产品特别适合运用于基于蓝牙4.0中低功耗蓝牙的消费类电子产品，能提高操作的可靠性;提高信号的传输距离和抗干扰性;使信号传递不受障碍物影响;还能实现解决不同电 子产品间的互操作问题，电池寿命也可显著延长。可广泛应用于：2.4Ghz低功耗蓝牙系统;PC、平板、手表等低功耗外围设备(HID设备、遥控器等);运动、休闲、医疗设备等消费类电子产品;智能仪表、数据采集等无线物联传感器网络。

整个蓝牙模块是围绕CC2540芯片为核心进行设计的一套最小系统外围电路。电路中包括时钟电路、通信接口电路及电源电路等。模块中需要设计两个时钟电路，两个时钟电路都需外接，其中一个用两个电容和一个工作频率为32MHz的石英晶振实现，晶体整荡器的两脚分别与芯片管脚22和23相连，另一个则需接一个工作频率为32.768KHz的石英晶振和两个电容来实现，晶体整荡器的两脚分别于芯片管脚33和32相连。滤波电容离芯片的模拟电源管脚与数字电源管越近滤波效果越好。芯片内置有一个1.8V稳压器来为其他所需工作电路提供稳定的电压。但这个稳压器需连接一个去耦电容以提高电源工作时的稳定性，在电路设计中只需在CC2540芯片管脚40接一个1uF的电容便可实现。所有P0、P1、P2口信号管脚、电源信号管脚以及复位信号管脚通过双列排针接口与蓝牙扩展节点板板相连。

当CC2540芯片在接收信号的工作状态时，输入信号进入芯片自带的低噪放大器(LNA);当CC2540芯片在发射信号的工作状态时，输出信号则通过功率放大器(PA)来发出，此时管脚25的极性为正，管脚26的极性为负。由于本设计所采用的设计是不平衡天线设计，设计时使用的印制倒F天线技术是基于单级子天线技术开发出来的，不属于偶极子天线，所以必须使用巴伦阻抗匹配电路来进行射频收发信号的阻抗匹配以达到让射频信号实现最佳传输的目的。

在设计阻抗匹配网络电路时，有四种主流方案可用于用于阻抗匹配网络电路设计以实现从射频信号在通信时的高效传输，具体方案如下：

1 利用传输线的阻抗分布特性构成分布参数网络来实现阻抗匹配。该方案匹配电路简单，设计所需硬件资源少，但是对射频电路加工精度有较高要求

2 用阻抗匹配芯片实现，此种情况下由于复杂的电路可以用一个匹配芯片代替，从而设计方便、电路集成度高。但是采用此方案需要购买专用阻抗匹配芯片，使模块成本预算增高。

3 变压器阻抗匹配法

4 采用由电抗元件电容C、电阻R以及电感L等分立元件组合成的L型匹配网络、T型匹配网络、Ⅱ型匹配网络进行阻抗匹配。这种设计方案采用的是简单的射频阻抗元件，具有外围元器件少，电路体积小，成本低和系统设计方案灵活的特点。

蓝牙模块电磁兼容性设计

蓝牙模块进行PCB布线设计时要注意以下几个方面以提高模块的电磁兼容性：1电源信号线的线宽应该选取适当，电源信号线应串接一个合适参数的磁珠，这样可以滤除电源信号的高频部分信号，再与信号电源管脚相连，然后电源引脚就近接适当参数的电容进行滤波，这样就可以减少高频信号对电源信号的干扰;2数字信号和模拟信号应该分开设计，避免这两种信号的相互干扰。3上下层的覆铜孤岛以及开放区要添加过孔，芯片底部添加适量过孔，使整个模块能够充分接地同时保证芯片工作时能有效散热;4电路中传输线的宽度应根据介质板材料参数和传输线结构参数进行严格的阻抗计算，以保证传输线阻抗精确。

蓝牙模块天线小型化设计

由于所设计的蓝牙模块的尺寸限制，以及对模块的小型化要求，本设计采用小型化的印制倒F型天线作为蓝牙模块的射频天线，该印制天线可以继承在蓝牙模块的电路板上，与传统蓝牙模块外界单极鞭状天线相比极大的缩减模块空间，并且该天线具有，低剖面、小型化、零成本的优势。

在相同频率时，印制倒F天线与其他传统单极子天线相比在天线尺寸缩减上有一定优势。选择适当的尺寸，就可以降低天线的谐振频率，谐振频率降低但天线总尺寸不变，从而等效于减小了天线的尺寸，实现了小型化。

图 蓝牙射频模块电路原理图

结论

蓝牙4.0的出现给实现智能家居小型化提供了一个可发展的未来，其低功耗，低成本，小体积及传输速率高的特点都符合小型化的发展方向，而在室内使用与进行控制恰恰弥补了其传输距离短的缺陷，综上所述，我们有理由相信蓝牙4.0会在智能家居市场有着一个更长远的发展。

参考文献：

[1] 韦奋. 蓝牙无线通信模块设计[D] . 西安，西安电子科技大学，2008：1-10

[2] 朱旗，付侃，李琰. 利用等效模型分析倒F天线[J] . 中国科学技术大学学报，2005，35(2)：143-148