CN115987334B - 一种基于蓝牙芯片的ble模块及应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于蓝牙芯片的BLE模块，涉及蓝牙领域，该基于蓝牙芯片的BLE模块包括：射频单元，用于对输入输出的频率信号进行过滤；电源稳定单元，用于通过电容吸放电稳定主控单元的电流；定义接口单元，用于增加主控单元的接口引脚；主控单元，用于构建上位机的蓝牙通信；射频单元连接主控单元，电源稳定单元连接主控单元，定义接口单元连接主控单元，与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过射频单元、电源稳定单元来极大的增强了蓝牙模块的稳定性；设置有定义接口单元，其丰富的引脚，可以满足客户定制化需求。

Description

一种基于蓝牙芯片的BLE模块及应用方法
技术领域
本发明涉及蓝牙领域，具体是一种基于蓝牙芯片的BLE模块及应用方法。
背景技术
蓝牙是移动、音频和其他生态系统中的一项关键技术。几乎可以肯定的是，如今蓝牙技术是你移动体验的一个常规部分。它涵盖了无线耳机和扬声器的音频、游戏控制器和键盘的配对、互联网连接的共享，甚至偶尔在空中传输文件等等。从早期到现在，蓝牙的使用情况已经大大扩展。它是移动和控制台游戏控制器的基石，是现代智能家居设备、健身追踪器和对工业应用越来越有用的网状网络的关键组件。
KP5A蓝牙模组是基于Telink低功耗蓝牙SOC TLSR8250 芯片研发的一款高性能蓝牙模组；模组带有FEM，最大支持20dBm 输出，且内部集成 512KB的Flash；模组采用邮票型接口，精致小巧，全端口引出，方便使用。来源于[基于 CCllO0的无线数据传输系统设计]《研究与开发》2007年12月第26卷第12期。
其缺点在于蓝牙稳定性不足，需要改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于蓝牙芯片的BLE模块及应用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于蓝牙芯片的BLE模块，包括：
射频单元，用于对输入输出的频率信号进行过滤；
电源稳定单元，用于通过电容吸放电稳定主控单元的电流；
定义接口单元，用于增加主控单元的接口引脚；
主控单元，用于构建上位机的蓝牙通信；
射频单元连接主控单元，电源稳定单元连接主控单元，定义接口单元连接主控单元。
作为本发明再进一步的方案：主控单元包括主控芯片U1，主控芯片U1型号为A3107M0，主控芯片U1的9号引脚、10号引脚、11号引脚连接射频单元，主控芯片U1的4号引脚到8号引脚以及15号引脚连接电源稳定单元，主控芯片U1的16号引脚到32号引脚、35号引脚到38号引脚连接定义接口单元。
作为本发明再进一步的方案：射频单元包括：
LPF电路，用于对高于设定频率的信号阻隔，将低于设定频率的信号输出至主控单元；
匹配电路，用于减缓影响主控单元的功率和电流；
LPF电路连接匹配电路，匹配电路连接主控单元。
作为本发明再进一步的方案：LPF电路包括电感L1、电感L5、电容C15、电容C16，电感L1的一端连接天线TP1、电容C14的一端，电容C14的另一端接地，电感L1的另一端连接电容C15的一端、电感L5的一端，电容C15的另一端接地，电感L5的另一端连接匹配电路、电容C16的一端，电容C16的另一端接地。
作为本发明再进一步的方案：匹配电路包括电感L4、电感L3、电容C12、电容C13、电感L6、电容C17、电容C18，电感L4的一端连接LPF电路、电容C13的一端，电感L4的另一端连接电感L3的一端、电容C12的一端，电感L3的另一端接地，电容C12的另一端连接主控芯片U1的9号引脚，电容C13的另一端连接电感L6的一端、主控芯片U1的10号引脚，电感L6的另一端连接电容C17的一端、电容C18的一端、主控芯片U1的11号引脚，电容C17的另一端接地，电容C18的另一端接地。
作为本发明再进一步的方案：电源稳定单元包括电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C20、电容C21，电容C7的一端接地，电容C7的另一端连接主控芯片U1的4号引脚，电容C8的一端接地，电容C8的另一端连接主控芯片U1的5号引脚，电容C9的一端接地，电容C9的另一端连接主控芯片U1的6号引脚，电容C10的一端接地，电容C10的另一端连接主控芯片U1的7号引脚，电容C11的一端接地，电容C11的另一端连接主控芯片U1的8号引脚，电容C20的一端接地，电容C20的另一端连接主控芯片U1的15号引脚，电容C21的一端接地，电容C21的另一端连接主控芯片U1的15号引脚。
作为本发明再进一步的方案：定义接口单元包括接口JP1，接口JP2，接口JP1连接主控单元，接口JP2连接主控单元。
一种基于蓝牙芯片的BLE模块的应用方法，应用于如上所述的基于蓝牙芯片的BLE模块，所述基于蓝牙芯片的BLE模块的应用方法包括以下步骤：
步骤1：设备开机，通过MAS_Init_BLE()进行初始化，然后进入“待机”状态；
步骤2：调用MAS_SetScanEventTimeOutInterval（）和MA0_SetBLEScanProcess(ENABLE)，打开BLE“扫描”功能，开始搜索周围蓝牙设备；没有搜索到蓝牙设备，再次进入“待机”状态；搜索到设备，发送Connect Request（）连接请求，“连接”设备，并发送和接收数据；
步骤3：连接设备超时，发送connect Timeout（），重新进入“待机”状态；
MAS_Init_BLE():系统初始化函数，系统开机或者重启时调用此函数，会根据系统参数对硬件和软件进行重新导入和加载，会确保系统时序、存储、流程等进程恢复到正常运行状态；
MAS_SetScanEventTimeOutInterval（）:蓝牙设备扫描事件函数，打开蓝牙设备时调用此函数，开始扫描周围蓝牙设备，并根据扫描机制进行刷新和超时判断；
MA0_SetBLEScanProcess(ENABLE):蓝牙设备扫描进程功能函数，ENABLE打开功能；
MA0_SetBLEScanProcess(DISABLE):蓝牙设备扫描进程功能函数，DISABLE关闭功能；
Connect Request（）:发送连接请求函数，向其他蓝牙设备发送“连接”请求，请求其他蓝牙设备进行连接；
Connect Timeout（）:连接请求超时函数，根据超时原则判断连接超时，发出连接超时请求，设备会根据超时请求进行下一步操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过射频单元、电源稳定单元来极大的增强了蓝牙模块的稳定性；设置有定义接口单元，其丰富的引脚，可以满足客户定制化需求。
附图说明
图1为一种基于蓝牙芯片的BLE模块的电路图。
图2为LPF电路的电路图。
图3为匹配电路的电路图。
图4为电源稳定单元的电路图。
图5为一种基于蓝牙芯片的BLE模块的工作流程图。
图6为非标2.4G的通讯流程图。
图7为设备通信示意图。
图8为A3107M0的引脚图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种基于蓝牙芯片的BLE模块，包括：
射频单元，用于对输入输出的频率信号进行过滤；
电源稳定单元，用于通过电容吸放电稳定主控单元的电流；
定义接口单元，用于增加主控单元的接口引脚；
主控单元，用于构建上位机的蓝牙通信；
射频单元连接主控单元，电源稳定单元连接主控单元，定义接口单元连接主控单元。
在本实施例中：请参阅图1，主控单元包括主控芯片U1，主控芯片U1型号为A3107M0，主控芯片U1的9号引脚、10号引脚、11号引脚连接射频单元，主控芯片U1的4号引脚到8号引脚以及15号引脚连接电源稳定单元，主控芯片U1的16号引脚到32号引脚、35号引脚到38号引脚连接定义接口单元。
A3107M0模块是一款高性能、低成本的2.4GHz FSK/GFSK片上系统（SoC）无线收发器模块。在芯片上带有fraction-N合成器，它专为蓝牙低功耗（蓝牙5.0单模式，主或从角色）设计。
A3107M0模块具有领先的2.4GHz FSK/GFSK RF收发器的各种强大功能和优异性能。A3107M0模块具有多种操作模式，非常适合需要超低功耗的系统。A3107M0芯片支持AES128引擎和CCM。为了降低电流消耗，A3107M0同时集成了LDO和DC-DC，因此当VDD电压范围从2.7V到3.6V时，该器件可以更有效地工作。用户可以配置LDO或DC-DC其中之一作为设备操作的电源。
在本实施例中：请参阅图1，射频单元包括：
LPF电路，用于对高于设定频率的信号阻隔，将低于设定频率的信号输出至主控单元；
匹配电路，用于减缓影响主控单元的功率和电流；
LPF电路连接匹配电路，匹配电路连接主控单元。
在本实施例中：请参阅图2，LPF电路包括电感L1、电感L5、电容C15、电容C16，电感L1的一端连接天线TP1、电容C14的一端，电容C14的另一端接地，电感L1的另一端连接电容C15的一端、电感L5的一端，电容C15的另一端接地，电感L5的另一端连接匹配电路、电容C16的一端，电容C16的另一端接地。
利用电容通高频阻低频、电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频，利用电容（C15、C16）吸收、电感（L1、L5）阻碍的方法不使它通过；对于需要放行的低频，利用电容（C15、C16）高阻、电感（L1、L5）低阻的特点让它通过。在BLE模块使用中发现发射功率或者接收灵敏度不足的时候，可以尝试通过更换电容电感来改变电路性能。尤其是电感L5可以进行多种尝试。
在本实施例中：请参阅图3，匹配电路包括电感L4、电感L3、电容C12、电容C13、电感L6、电容C17、电容C18，电感L4的一端连接LPF电路、电容C13的一端，电感L4的另一端连接电感L3的一端、电容C12的一端，电感L3的另一端接地，电容C12的另一端连接主控芯片U1的9号引脚，电容C13的另一端连接电感L6的一端、主控芯片U1的10号引脚，电感L6的另一端连接电容C17的一端、电容C18的一端、主控芯片U1的11号引脚，电容C17的另一端接地，电容C18的另一端接地。
射频单元的阻抗应尽可能接近50欧姆，射频布线也应尽可能短。所有RF迹线下方的接地平面必须完好无损而不是零碎的。LPF电路、匹配电路，应靠近A3107M0放置，因为匹配电路严重影响RF性能（功率和电流）。因此，按照图3所示的组件放置和布局。如果阻抗偏差较大，会严重影响发射功率。
天线TP1接收信号，经过LPF电路、匹配电路输出至主控芯片U1的9号引脚；主控芯片U1输出信号，经过匹配电路、LPF电路、天线TP1输出。
在本实施例中：请参阅图4，电源稳定单元包括电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C20、电容C21，电容C7的一端接地，电容C7的另一端连接主控芯片U1的4号引脚，电容C8的一端接地，电容C8的另一端连接主控芯片U1的5号引脚，电容C9的一端接地，电容C9的另一端连接主控芯片U1的6号引脚，电容C10的一端接地，电容C10的另一端连接主控芯片U1的7号引脚，电容C11的一端接地，电容C11的另一端连接主控芯片U1的8号引脚，电容C20的一端接地，电容C20的另一端连接主控芯片U1的15号引脚，电容C21的一端接地，电容C21的另一端连接主控芯片U1的15号引脚。
除了接地平面，无干扰稳定的VDD电源也是影响射频性能。VDD处的旁路电容器（C7、C8、C9、C10、C11、C20和C21）当供电电流不稳定时，可以很好的起到微调放电作用，从而获得稳定电源。为了使无干扰的VDD源达到A3107M0，这些电容器应尽可能靠近A3107M0引脚放置，并应该正好在组件接地垫附近。
在本实施例中：请参阅图1和图5，定义接口单元包括接口JP1，接口JP2，接口JP1连接主控单元，接口JP2连接主控单元。
丰富的引脚，可以满足客户定制化需求。其具体接口对应关系，请参阅定义接口单元的接口对应表：
为了应对金属外罩等对无线模块的性能影响，在板载天线的基础上，可以外接天线（TP1为内置天线）。天线长度一般设定为20cm左右。同时，如果模块使用场景非常接近地面，可以通过外接天线的方式来处理，减少地磁对射频信号的影响。
由于BLE模块使用的环境多种多样，会遇到有很大信号干扰的情况。此时需要在BLE模块电路部分增加一个屏蔽罩，可以有效屏蔽环境信号的干扰，确保BLE模块工作的稳定性。
在一些特殊使用场景中，湿度特别大的情况下会对BLE模块的2.4G信号有很大的衰减，此时，除了通过软件增大发射功率之外，还可以提前在电路板上喷涂纳米防水涂层。这样能够很好的保障BLE工作稳定性。
一般墙体会对信号有很强的衰减作用，此时我们可以通过软件降低传输速率、增大发射功率来改善。同时，还可以通过给BLE模块增加PA电路来增强信号强度，提高信号的穿透性。
在本实施例中：请参阅图5和图8，一种基于蓝牙芯片的BLE模块的应用方法，应用于如上所述的基于蓝牙芯片的BLE模块，所述基于蓝牙芯片的BLE模块的应用方法包括以下步骤：
步骤1：设备开机，通过REGIA给A3107M0供电，之后判別 P0_21 =1 进入 Master端的主程序，或者P0_21 =0 进入 Slave 端的主程序。
调用MAS_Init_BLE()进行初始化，此时A3107M0内置ARM®Cortex™-M0启动BLE库进行初始化，初始化完毕后进入“待机”状态。此时ARM®Cortex™-M0和RF同时进入低功耗待机模式。
步骤2：Master端A3107M0内置RF从低功耗待机模式切换到工作模式，调用MAS_SetScanEventTimeOutInterval（）和MA0_SetBLEScanProcess(ENABLE)，并打开BLE“扫描”功能，通过A3107M0内置的RF开始搜索周围蓝牙设备，此时内置ARM®Cortex™-M0依然处于待机状态。如果没有搜索到蓝牙设备，A3107M0内置RF再次进入低功耗“待机”状态；如果搜索到蓝牙设备Slave端，Master端A3107M0内置ARM®Cortex™-M0由待机状态切换到工作状态，并通过RF发送Connect Request（）连接请求，与Slave端蓝牙设备（A3107M0）“连接”成功后，Master端A3107M0开始发送和接收数据；
步骤3：如果连接设备超时，Master端A3107M0内置RF会发送connect Timeout（），内置ARM®Cortex™-M0和RF会重新进入“待机”状态；
MAS_Init_BLE():系统初始化函数，系统开机或者重启时调用此函数，会根据系统参数对硬件和软件进行重新导入和加载，会确保系统时序、存储、流程等进程恢复到正常运行状态；
MAS_SetScanEventTimeOutInterval（）:蓝牙设备扫描事件函数，打开蓝牙设备时调用此函数，开始扫描周围蓝牙设备，并根据扫描机制进行刷新和超时判断；
MA0_SetBLEScanProcess(ENABLE):蓝牙设备扫描进程功能函数，ENABLE打开功能；
MA0_SetBLEScanProcess(DISABLE):蓝牙设备扫描进程功能函数，DISABLE关闭功能；
Connect Request（）:发送连接请求函数，向其他蓝牙设备发送“连接”请求，请求其他蓝牙设备进行连接；
Connect Timeout（）:连接请求超时函数，根据超时原则判断连接超时，发出连接超时请求，设备会根据超时请求进行下一步操作。
两个设备的通信示意图如图7所示，其具体通信流程如图6所示，
首先初始化Timer0、Uart0及A3107M0chip，之后判別P0_21=1 进入master端的主程式或P0_21=0 进入slave端的主程式。
Master端：
1) TX FIFO写入PN9 code 共64 bytes。
2) 进入TX state，传送封包。完成传送后，RFchip会自动结束TX state，恢复到Standbystate。
3) 等待封包传送完成信号指示后，进入RX 状态。
4) 启动Timer0计时、清除TimeoutFlag标识。
5) 如发生Timeout=50ms后，程式重新进入Tx状态，再一次传送封包。
6) 如收到封包后，RF chip会自动结束RX state，恢复到Standbystate。
7) 从RX FIFO读出，并比较PN9 code 共64bytes，并计算error bit 数目。
8) 延迟10ms，重新回到Step 1动作，重新再传送下一次封包。
9) 每500ms，将所计算的error bit传送至PC。
Slave端：
1) 进入RX 状态，等待接收数据包。
2) 如收到数据包后，RF chip会自动结束RX state，恢复到Standbystate。
3) 从RX FIFO读出，并比较PN9 code 共64bytes，计算error bit 数目。
4) TX FIFO写入PN9 code 共64 bytes。
5) 进入TX state，传送数据包。完成传送后，RF chip会自动结束TX state，恢复到Standbystate。
6) 重新回到Step 1动作，等待下一次数据包的进入。
7) 每500ms，将所计算的error bit传送至PC。
本发明的工作原理是：射频单元对输入输出的频率信号进行过滤；电源稳定单元通过电容吸放电稳定主控单元的电流；定义接口单元增加主控单元的接口引脚；主控单元构建上位机的蓝牙通信。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种基于蓝牙芯片的BLE模块，其特征在于：
该基于蓝牙芯片的BLE模块包括：
射频单元，用于对输入输出的频率信号进行过滤；
电源稳定单元，用于通过电容吸放电稳定主控单元的电流；
定义接口单元，用于增加主控单元的接口引脚；
主控单元，用于构建上位机的蓝牙通信；
射频单元连接主控单元，电源稳定单元连接主控单元，定义接口单元连接主控单元；
主控单元包括主控芯片U1，主控芯片U1型号为A3107M0，主控芯片U1的9号引脚、10号引脚、11号引脚连接射频单元，主控芯片U1的4号引脚到8号引脚以及15号引脚连接电源稳定单元，主控芯片U1的16号引脚到32号引脚、35号引脚到38号引脚连接定义接口单元；
射频单元包括：
LPF电路，用于对高于设定频率的信号阻隔，将低于设定频率的信号输出至主控单元；
匹配电路，用于减缓影响主控单元的功率和电流；
LPF电路连接匹配电路，匹配电路连接主控单元；
LPF电路包括电感L1、电感L5、电容C15、电容C16，电感L1的一端连接天线TP1、电容C14的一端，电容C14的另一端接地，电感L1的另一端连接电容C15的一端、电感L5的一端，电容C15的另一端接地，电感L5的另一端连接匹配电路、电容C16的一端，电容C16的另一端接地；
匹配电路包括电感L4、电感L3、电容C12、电容C13、电感L6、电容C17、电容C18，电感L4的一端连接LPF电路、电容C13的一端，电感L4的另一端连接电感L3的一端、电容C12的一端，电感L3的另一端接地，电容C12的另一端连接主控芯片U1的9号引脚，电容C13的另一端连接电感L6的一端、主控芯片U1的10号引脚，电感L6的另一端连接电容C17的一端、电容C18的一端、主控芯片U1的11号引脚，电容C17的另一端接地，电容C18的另一端接地；
电源稳定单元包括电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C20、电容C21，电容C7的一端接地，电容C7的另一端连接主控芯片U1的4号引脚，电容C8的一端接地，电容C8的另一端连接主控芯片U1的5号引脚，电容C9的一端接地，电容C9的另一端连接主控芯片U1的6号引脚，电容C10的一端接地，电容C10的另一端连接主控芯片U1的7号引脚，电容C11的一端接地，电容C11的另一端连接主控芯片U1的8号引脚，电容C20的一端接地，电容C20的另一端连接主控芯片U1的15号引脚，电容C21的一端接地，电容C21的另一端连接主控芯片U1的15号引脚。
2.根据权利要求1所述的基于蓝牙芯片的BLE模块，其特征在于，定义接口单元包括接口JP1，接口JP2，接口JP1连接主控单元，接口JP2连接主控单元。
3.一种基于蓝牙芯片的BLE模块的应用方法，应用于如权利要求1或2所述的基于蓝牙芯片的BLE模块，所述基于蓝牙芯片的BLE模块的应用方法包括以下步骤：
步骤1：设备开机，通过MAS_Init_BLE()进行初始化，然后进入“待机”状态；
步骤2：调用MAS_SetScanEventTimeOutInterval（）和MA0_SetBLEScanProcess，打开BLE“扫描”功能，开始搜索周围蓝牙设备；没有搜索到蓝牙设备，再次进入“待机”状态；搜索到设备，发送Connect Request（）连接请求，“连接”设备，并发送和接收数据；
步骤3：连接设备超时，发送connect Timeout（），重新进入“待机”状态；
MAS_Init_BLE():系统初始化函数；
MAS_SetScanEventTimeOutInterval（）:蓝牙设备扫描事件函数；
MA0_SetBLEScanProcess:蓝牙设备扫描进程功能函数；
Connect Request（）:发送连接请求函数；
Connect Timeout（）:连接请求超时函数。
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