基于CC2541的蓝牙电子标签的设计

基于CC2541的蓝牙电子标签的设计
吴钊炯
【摘要】蓝牙是一种短距离的无线通信技术，已经广泛应用于各种电子设备，电子标签（OBU）应用于高速公路ETC收费，是一款专用的电子装置，结合蓝牙和OBU各自的技术特点，本文介绍了利用CC2541蓝牙芯片实现为OBU增加蓝牙接口的软硬件设计方法。

【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2016(045)0z1
【总页数】4页(P67-70)
【关键词】蓝牙;CC2541;ETC;OBU
【作者】吴钊炯
【作者单位】广州市埃特斯通讯设备有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN925
DOl:10.3969/j.jssn.1009-9492.2016.z1.012
蓝牙技术采用全球统一的标准，很好地解决了产品兼容问题，具有低功耗、使用方便、低成本等优点，已经成为智能电子设备的标配，特别是智能终端，蓝牙更是不可或缺的配置。

目前应用于高速公路ETC收费的OBU，本身能够完成高速公路收费的要求，但由于ETC所用的DSRC技术是专用的短程无线通讯技术，OBU缺少对外的通用接口，限制了OBU的应用。

在OBU中增加蓝牙接口，使OBU能够
通过蓝牙接口与智能终端连接，实现互联网接入，可大大拓展OBU的应用范围。

CC2541是德州仪器（TI）推出的蓝牙低功耗片上系统（SoC），它将领先RF收
发器的出色性能和一个业界标准的增强型8051 MCU、系统内可编程闪存存储器（128 或者256 KB）、8KB RAM和很多其他功能强大的特性和外设组合在一起，支持250kbps、500kbps、1Mbps、2Mbps的数据速率，高达0dBm的可编程
输出功率，出色的接收灵敏度（1Mbps时为-94dBm），适合于针对符合世界范
围内的无线电频率调节系统，可以充分满足消费类医疗、运动健身、安全、娱乐、家庭自动化及汽车电子等领域对蓝牙的应用需求。

CC2541采用宽泛的电源电压范围（2 V～3.6 V），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，CC2541在各种模式的功耗如下：
工作模式RX低至：17.9mA；
工作模式TX （0dBm）：18.2mA；
功率模式1（4-µs唤醒）：270µA；
功率模式2（睡眠定时器打开）：1µA；
功率模式3（外部中断）：0.5µA。

CC2541有功能强大的外设，包括了5通道直接内存访问（DMA）、通用定时器（1个16 位，2个8位）、具有捕捉功能的32-kHz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、电池监视器和温度传感器、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、I2C接口、2个具有LED驱动功能的I/O引脚、安全装置定时器和集成的高性能比较器，构成了一个高集成的完整的片上系统。

芯片采用6mm×6mm的方
形扁平无引脚（QFN）-40封装，只需极少的外部组件，可以做到只占用很小的
电路板面积。

蓝牙OBU的硬件原理框图如图1所示。

OBU的硬件包括MCU、5.8GHz射频电路、13.56MHz非接触式读卡电路、ESAM卡电路、蓝牙接口电路、人机界面（液晶、蜂鸣器、LED指示灯）、拆卸
检测电路、电池及电源管理等。

其中，蓝牙接口电路采用由CC2541芯片构成的
射频电路。

OBU使用电池且要求的工作寿命在5年以上，对硬件的功耗要求极高，同样的，蓝牙接口电路也必须有足够低的功耗，且蓝牙电路的电源可单独控制。

蓝牙接口的硬件电路如图2所示，包括蓝牙芯片CC2541、晶振、程序下载电路、电源控制电路、射频匹配电路和微带天线，CC2541通过UART接口与OBU MCU连接。

蓝牙电子标签的软件包括OBU MCU的软件和CC2541的软件。

OBU MCU的软件包括外围硬件电路初始化、5.8GHz DSRC通信协议、
13.56MHz ISO14443A卡片操作、ESAM卡操作、蓝牙接口协议、拆卸状态检测、人机界面控制以及电源管理等。

OBU MCU控制整体的工作流程，它与蓝牙接口
的工作流程如图3所示。

OBU MCU控制蓝牙电路的电源，开启蓝牙后，如果60秒内没有建立蓝牙连接，则切断蓝牙电路电源，重新进入休眠状态。

OBU MCU
接收蓝牙数据，并对数据进行处理、解析命令，执行相应的命令并响应。

OBU对
功耗极为敏感，因此必须设置合理的连接超时和通讯超时时间，协调好应用和功耗的关系。

对于CC2541的软件开发，TI提供了以下开发工具：
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™；
符合针对单模式蓝牙低能耗（BLE）解决方案的符合v4.0协议的堆栈。

用户可以在TI提供的开发工具下，快速开发自己的应用，在蓝牙OBU中，
CC2541的工作流程如图4所示。

CC2541上电初始化后，作为蓝牙从机开始循环广播MAC地址和设备名称等蓝牙信息，等待智能终端的连接请求，若有智能终端请求连接，则进入握手环节，如果握手失败，CC2541返回广播蓝牙信息，如果握手成功，则表明连接已经建立，蓝牙接口进入正常工作状态，这时CC2541作为OBU MCU和智能终端的接口，转发双方的数据，为双方的通讯提供通道，使OBU MCU能够通过CC2541与智能终端交换数据，实现OBU接入互联网，智能终端也可以利用OBU的外设资源，
操作IC卡、ESAM卡和人机界面等。

本文介绍了基于CC2541蓝牙芯片的OBU的设计，使OBU增加了蓝牙接口，通过与智能设备的连接，实现了互联网接入，扩展了OBU的应用范围。

目前已经实现了通过蓝牙OBU和智能手机，对高速公路ETC储值卡进行自助充值功能，方便用户随时随地对ETC储值卡自助充值，解决了用户快捷、便利的充值难题，大大
提高了用户的体验和满意度，也降低了ETC系统运营单位的服务压力和运营成本。

将来，蓝牙OBU还能扩展到OBU自助发行、远程激活、移动支付等方面。

【相关文献】
［1］欧阳骏，陈子龙，黄宁淋.《蓝牙4.0 BLE开发完全手册――物联网开发技术实战》，化学工
业出版社，2013.4
［2］韩丹. BLE技术在智能家居中的应用. 青岛科技大学研究生学位论文. 2015.。