Схема. Применение Bluetooth в радиолюбительских устройствах

      Согласно официальной трактовке, Bluetooth — спецификация беспроводных персональных сетей (WPAN -Wireless Personal Area Network) [1]. Спецификация разработана созданной в 1998 г. группой Bluetooth SIG (Special Interest Group). Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1. В настоящее время действует версия 3.0, но при этом обеспечена совместимость с прежними, на работу с которыми рассчитано большинство выпущенных ранее устройств.

Основные характеристики Bluetooth 3.0 таковы [2]:
Скорость передачи информации, Мбит/с…………2,4
Несущая частота, ГГц ………………………………2,4…2,485
Дальность связи, м, между устройствами класса
    1 …………………………………………………….100
    2 ……………………………………………….….…..10
    3 …………………………………………..……….….1
Выходная мощность, мВт, в классе
    1……………………………………………………..100
    2……………………………………………………..2,5
    3……………………………………………………..1
Число устройств в сети …………………………….7

      Стоит добавить, что указанный частотный диапазон относится к так называемой области ISM (Industry—Science—Medicine), где можно использовать Bluetooth для личных, семейных и домашних нужд.
      Основное применение Bluetooth — обеспечение беспроводной связи между такими устройствами как ноутбуки смартфоны, хэндфри, головные телефоны и пр. В то же время Bluetooth используют и для построения систем считывания информации с различного рода датчиков и в других подобных случаях в профессиональной деятельности.
      Основными конкурентами Bluetooth можно назвать ZigBee и, с некоторой натяжкой, Wi-Fi. Однако области применения этих интерфейсов несколько иные и более узкие (особенно ZigBee). Если говорить о Wi-Fi, то его использование связано с существенным усложнением программного обеспечения микроконтроллера и повышением требований к его производительности что не всегда возможно и нужно.

      Функциональные возможности Bluetooth таковы, что вполне ожидаемым было активное ее применение радиолюбителями, — ведь она позволяет существенно упростить реализацию систем телеуправления, телеметрии, в частности, с использованием компьютеров обеспечить совместимость с множеством портативных устройств, оборудованных Bluetooth. Однако до недавнего времени серьезным ограничением, сдерживавшим применение Bluetooth в любительских конструкциях, была сложность протокола и радиочастотной части. Хотя уже несколько лет назад на рынке появились специализированные микроконтроллеры и радиочастотные модули, их использование по-прежнему было затруднительно для большинства радиолюбителей, поскольку требовалась, например, пайка микросхем в корпусах BGA и LGA. Кроме того, требовалось значительное число внешних компонентов и изготовление печатной платы с учетом требований СВЧ диапазона.

      В настоящее время ситуация изменилась — ряд производителей выпустили микросхемы, имеющие в своем составе и контроллер протокола, и ВЧ модуль, при этом число внешних компонентов сокращено до минимума. Например, одной из удачных реализаций «однокристального» контроллера Bluetooth можно назвать микросхему LMX9820 [3] (National Semiconductor).
      Кроме Bluetooth 1.1, она поддерживает профили L2CAP (Logical Link Control Adaptation Protocol), RFCOMM (Radio Frequency Communication), SDP (Session Description Protocol), GAP (Generic Access Profile), SDAP (Service Discovery Application Profile) SPP (Serial Port Profile), DUN (Dial-up Networking Profile), FAX (Fax Profile), FTP (File Transfer Profile), OPP (Object Push Profile), SYNCH (Synchronisation Profile), HSP (Headset Proifile), HFP (Hands-Free Profile).

      Микросхема обеспечивает скорость передачи информации до 921,6 кБод с возможностью внутрисистемного программирования. Номинальное напряжение питания — 3,3 В при потребляемом токе в режиме передачи до 68 мА, в режиме сканирования без установленных связей — 6 мА, в ждущем режиме -0,25 мА. Чувствительность приемника — не менее 77 дБм.
      Рабочий интервал температуры окружающей среды — от -40 до +85 °С. Размеры микросхемы — 14,1×10,1×2мм.

      Упрощенная функциональная схема контроллера LMX9820 представлена на рис.1.
      Микросхема выпущена в корпусе LGA. Для монтажа таких корпусов требуются специальное оборудование и навыки, из-за чего эта микросхема как отдельный компонент вряд ли подойдет для применения в конструкциях большинства радиолюбителей.
      Понимая это, ряд производителей наладили выпуск готовых устройств на базе микросхемы LMX9820 и ее аналогов. Например, фирма Amber Wireless выпускает серию модулей BlueNiceCom [4, 5]. Такой модуль представляет собой печатную плату размерами 27x15x3 мм и имеет в своем составе и микросхему, и все необходимые для ее работы внешние элементы, включая антенну.

      Модуль полностью готов к использованию и оснащен специально приспособленными для поверхностного монтажа контактами печатной платы что позволяет разместить его непосредственно на плате устройства подобно микросхеме (рис. 2). При этом, благодаря возможностям контроллера LMX9820, работа модуля может быть полностью «прозрачной» как для взаимодействующего с ним микроконтроллера, так и для программного обеспечения компьютера.
      Фактически речь идет о «безболезненной» замене проводного соединения через СОМ-порт соединением через Bluetooth. Разумеется, возможны и другие варианты использования модуля.
      Цоколевка модуля BlueNiceComS указана в таблице. Более подробная информация доступна по ссылке [5].

      Схожей идеологии придерживается и компания Sena Technologies, выпуская линейку встраиваемых Bluetooth-модулей, например, ESD200-B50 [6]. Внешний вид этого модуля представлен на рис. 3 В отличие от BlueNiceCom, модули от Sena Technologies рассчитаны не на пайку, а на подключение через разъем.
      В качестве примера применения модуля BlueNiceComS рассмотрим простейшую систему дистанционного измерения температуры, передающую информацию через Bluetooth на компьютер, который отображает результат измерения с помощью несложного программного обеспечения.

      Принципиальная схема измерителя показана на рис. 4. При включении устройства микроконтроллер DD1 инициализирует Bluetooth-модуль DD2 выполняя его запуск и задавая режим его работы. Встроенное программное обеспечение микроконтроллера работает в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 5.

      Напряжение отдатчика температуры DA1 поступает на вход канала 0 встроенного АЦП микроконтроллера DD1 (выв. 23), который в соответствии с алгоритмом встроенного программного обеспечения пересчитывает полученные в результате преобразования значения и выводит их на вход RX модуля Bluetooth для последующей передачи в эфир. Микросхема DA2 вместе с резисторами R6, R7 образует стабилизатор напряжения 3,3 В. Резистор R1 поддерживает высокий уровень на входе RST микроконтроллера, защищая его от перезапуска помехами. Кварцевый резонатор ZQ1 задает частоту тактового генератора микроконтроллера.
      Разъем Х2 служит для внутрисистемного программирования микроконтроллера. Перемычку S2 устанавливают при питании устройства от программатора. Перемычка S1 позволяет отключать питание Bluetooth-модуля при налаживании устройства. Светодиоды HL1—HL4 служат для индикации режима модуля DD2.

      Устройство смонтировано на печатной плате из фольгированного с обеих сторон стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертеж платы показан на рис. 6. Все детали размещены на одной ее стороне. Микроконтроллер установлен в панель, выводы которой припаяны без отверстий к фольговым площадкам платы.
      Все резисторы и конденсаторы — для поверхностного монтажа, типоразмера 0805 Светодиоды могут быть заменены на подобные указанным на схеме, типоразмера 0805, но в этом случае может потребоваться подборка резисторов R2—R5 Датчик температуры DA1 — ТМР35 [7] фирмы Analog Devices (для проверки работоспособности устройства подойдут также датчики ТМР36, ТМР37 с учетом того, что показания температуры на экране монитора компьютера будут неверны). Разъем Х2 — PLD, перемычки S1, S2 — PLS с замыкателями MJ.
Программное обеспечение компьютера разработано в среде Delphi; вид окна программы показан на рис. 7.

      Правильно собранное устройство налаживания не требует. Для его проверки необходим компьютер, оснащенный адаптером Bluetooth и работающий под управлением операционной системы Windows (совместимость с различными версиями зависит от программного обеспечения адаптера). Я проверял работу устройства совместно с персональным компьютером под управлением операционных систем Windows XP SP3 и Vista SP1, при использовании адаптера Bluetooth фирмы Tekram.
      После подачи питания устройства должен включиться светодиод HL4 а HL3 — периодически вспыхивать (время включения очень невелико) Это говорит о правильной работе устройства.

      Далее необходимо провести настройку устройств Bluetooth. Эта процедура может отличаться для Bluetooth-адаптеров разных производителей. Следует запустить «Мастер добавления устройства Bluetooth» В результате поиска должно быть обнаружено устройство «Serial Port» или «SPP» Затем выполняют соединение с этим устройством. Для этого требуется ввести код доступа, который по умолчанию имеет значение 0000.
      На последнем шаге процедуры настройки будет указан номер назначенных устройству виртуальных СОМ-портов. Теперь можно запустить программу индикации температуры. После выбора номера СОМ-порта устройства в окне программы должна быть отображена температура датчика Обновление информации производится один раз в секунду.

Прилагаемые файлы:    bluet.zip   

ЛИТЕРАТУРА
1. Bluetooth SIG —    www.bluetooth.com   
2. Bluetooth.com — Basics —    www.Bluetooth.com/Bluetooth/Technology/Basics.html   
3. LMX9820A Bluetooth Serial Port Module, —    www.national.com/ds/LM/LMX9820A.pdf   
4. OEM Bluetooth-Serial Module Parani-ESD100 110 200 210 —    www.dnft.moy.su/load/0-0-0-13-20   
5. Bluetooth Module Class2 AMB2300 -BlueNicecom IV. —    www.amber-wireless.de/65-1-AMB2300.html   
6. BlueNiceCom 3 — Manual OPC1601 —    www.elbase.ru/products/pdf/9115733   
7. Low Voltage Temperature Sensors TMP35 TMP36/TMP37. —    www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/TMP35_    36_37.pdf

М. ПОПОВ, г. Самара
«Радио» №6 2010г.