（无线电物理专业论文）蓝牙核心协议hci、l2cap的实现及av应用开发.pdf

摘要 蓝牙核心协议h c i 、l 2 c a p 的实现及a v 应用开发 专 业：无线电物理 硕士生：赖庆锋 指导老师：黄晓 摘要 在深入研究蓝牙核心协议以其应用规范的基础上，本课题基于意法半导体s t 公司的蓝牙嵌入式平台开发蓝牙主机控制器接口h c 【及逻辑链路控制与适配协 议l 2 c a p 软件实体，开发过程中考虑了不同平台问协议栈的可移植性，并采用 状态自动机、散列技术、信道缓冲机制等技术提高蓝牙协议栈运行性能。同时根 据目前蓝牙应用趋势，深入研究了蓝牙a v 应用模型，并对其完整实现方法做前 期研究。本课题开发的协议栈经过了测试人员的严格测试，并对测试结果使用蓝 牙协议分析仪进行验证以提高协议栈的性能及兼容性。 关键词： 蓝牙，h c i ，l 2 c a p ，音频 a b s t r a c t i m p l e m e n t a t i o no f b l u e t o o t hh c i 、l 2 c a pp r o t o c o la n d t h ed e v e l o p m e n tofa va p p l i c a t i o n m a j o r ： n a m e： s u p e r v i s o r ： r a d i op h v s i c 8 l a iq i n g f e n g h u a n gx i a o a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e sat r a n s p l a 毗a b l ei m p l e m e n t a t i o no fb l u e t o o mh o s tc o n t r o i l e r i n t e r f a c e ( h c 【) a n dt h el o g i c a ll i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o np r o t o c o l ( l 2 c a p ) s o f t w a r ee n t i t yi nt h es te m b e d d e dd e v e i o p m e n tb o a r db a s e do nt h e1 u c u b r a t eo f b l u e t o o t hc o r es p e c i f i c a t i o n 。i no r d e rt o i m p r o v et h em n n i n gc a p a b i l l t yo ft h e p r o t o c o ls t a c k ， t l l ea u t o s t a t em a c h i n e 、h a s h i n gt e c h n i q u ea n dt h ec h a n n e lb u f 艳r m e c h a n i s mh a v eb e e nu s e di ni t 。a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nt r e n do fb l u e t o o t h t e c h n o l o g y ，t h i sp a p e rf o c u so nt h eb l u e t o o ma 厂va p p l i c a t i o np r o f i l em o d e ，a n dm a k e p r e r e s e a r c hf o rt h ei a t ew h o l ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d 。t h i sp m t o c o ls t a c kh a v eb e e n s t r i c t l yt e s t e db yt h ep r o f 色s s i o n a it e s t e r ，a n du s i n gt h eb i u e t o o t hp r o t o c o ia n a i y z e rt o v a l i d a t et h er e s u l ti no r d e rt oi m p r o v et h ec a p a b m t ya n dt h ec o m p a t i b i l i t y 。 k e yw o r d s ： b l u e t o o t h 、h c i 、l 2 c a p 、a u d i o i i 堕堑塑蔓堡堕堡 蓝牙规范缩略语 缩略语 全称中文意义 a c ll i n k a f h a ma d d r a r 0 a 2 d p a v c t p a v d t p a v r c p b b b da d d r c f w c r c d i a c d u t e d r f h f h s f i f o g a p g a v d p g i a c h c i i a c i s m lc h l 2 c a l 2 c a p l a p l c l m l m p l s b m t u p c m p d u p i n p s m 0 0 s r f c a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s sl i n k异步无连接链路 a d a p t i v ef r e q u e n c yh 。p p i n g自适应跳频 a c t i v e m e m b e ra d d r e s s活动成员地址 a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e sc 自动重传请求 a d v a n c e d “d i od i s t r i b u t i o np r o f i l e 高级音频分发规范 a u d i o v i d e oc o n t r o lt r a n s p o r tp r o t o c o l音视频控制传输协c 义 a u d i o v i d e od i s t r i b u t i o nt r a n s p o r tp r o t o c o l 音视频分发传输协议 a u d i o v i d e or e m o t ec o n t r 0 1p r o “e 音视频远程控制规范 b a s e b a n d 基带 b 1 u e t o o t hd e v i c ea d d r e s s 蓝牙设各地址 c u g t o m e rf r a m e w o r k 客户框架 c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k循环剩余度校验 d e d i c a t e di n q u i r ya c c e s sc o d e 专用查询接入码 d e v i c eu n d e rt e s t 被测器件 e n h a n c e dd a t ar a t e 加强型数据速率 f r e q u e n c yh o p p i n g跳频 f r e q u e n c yh o ps y n c l l r o n i z a t t o n跳频同步( 分组) f i r s ti nf i r s t o u t 先进先出 g e n e r i ca c c e s sp r o f i l e 通用接入规范 g e n e r a la u d i o v i d e od is t r i b u t i o np r o f n e 通用音视频分发规范 g e n e r i cf r e q u e n c ya c c e s sc o d e 通用查匈接入码 h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e 主机控制器接口 i n q u i r ya c c e s sc o d e查询接入码 i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，m e d i c a l工业、科学和医学( 频段) l o g i c a lc h a n n e l逻辑信道 l o g i c a ll i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o n 逻辑链路控制与适配 l o g i c a ll i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o np r o t o c o l 逻辑链路控制和适配协议 l o w e ra d d r e s sp a r t 较低地址部分 l i n kc o n t r o l l e r 链路控制器 l i n k i a n a g e r链路管理器 l i n km a n a g e rp r o t o c o l 链路管理器协议 l e a s ts i g n i f i c a n tb n 最低有效比特 m a x i m u t r a n s m i s s i o nu n i t 最大传输单元 p u l s ec o d e dm o d u l a t i o n 脉码调制 p r o t o c o ld a t au n it 协议数据单元 p e r s o n a li d e n t i f i c a t i o nn u i n b e r 个人识别码 p r o t o c o l s e r v i c em u l ti p l e 协议服务复用 q u a l i t yo fs e r v 【c e 服务质量 r e o u e s tf o rc o 哪a n d s ，6 3 堕互塑塑堡堕堕 r f c o 删 串行仿真协议 s a rs e g m e n t a t i o na n dr e a s s e 啊b l y 分段与重组 s c 0l i n ks y n c h r 。n o u sc o n n e c t i o n r i e n t e dl i n k 同步面向连接的链路 s i gs p e c i a li n t e r e s tg r o u p( 蓝牙) 特殊利益集团 s b cs u b b a n dc o d i n g子带编码 s d p s e r v i c ed i s c o v e r p r o t o c o l 服务发现协议 t c s t e l e p h o n yc o n t r o lp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n 电话控制协议规范 t d dt i m e r d i v i s i o nd u p l e x 时分复用 u a r tu n t v e r s i a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t e通用异步收发报机 u s bu n i v e r s a ls e r i a lb u s 通用串行总线 6 4 第一章绪论 第一章绪论 1 1 蓝牙技术 随着信息技术产业的不断发展，我们发现身边的电子产品越来越多，它们给 我们的生活带来巨大便利，极大地提高我们工作效率。当设备的工作性能达到要 求后，我们还追求它的小型化和便携性能，并且我们希望不同设备间能够互联。 于是情况发生了变化，我们发现不管怎样竭尽全力，也还是掩盖不住我们周边漫 备间的连线在家庭和办公室四处蔓延，为此我们的生活越来越感到烦躁。人类的 需求是无止境的，正是这种需求推动着技术不断地向前发展。蓝牙技术就是为了 满足人们对个人操作空问的无线互联而设计的。它使得我们周围互联的设备形成 了一个无线个人区域网络，真正实现了设备之间可移动的、自动的互联。她正慢 慢地成为个人区域网或短距离无线网络的标准。 蓝牙b 1 u e t o o th l l l 技术是一种低成本、低功耗、近距离的无线连接技术标准， 它使用2 4 g 无需申请的i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，m e d i c a l ) 频段，是实现 数据与语音无线传输的开放性技术规范。蓝牙系统采用g f s k 调制，抗信号衰落 性能好，同时应用快跳频和短包技术以减少同频干扰，保证传输的可靠性。作为 目前发展最快的短距离无线技术，蓝牙技术全面革新了个人通信领域。它主要针 对个人连接，目前广泛应用于个人网络设备如手提电脑、掌上电脑、耳机、以及 车载免提、医疗系统等领域，使得用户摆脱电缆的束缚，享受更多的自由。 蓝牙技术的想法是产生于1 9 9 4 年，e r i c s s o n 推出解决无线连线问题的技术 开发计划，进而产生了推进无线连线与个人接入的想法。1 9 9 7 年五家世界著名 的计算机和通信公司爱立信( e r i c s s o n ) 、国际商用机器( i 叫) 、英特尔( i n t e l ) 、 诺基亚( n o k i a ) 、和东芝( t o s h i b a ) 商议建立一种全球化的无线通信个人接入 与无线连线新手段，后定名为“蓝牙”( bl u e c 0 0 t h ) 。并于1 9 9 8 年5 月成立了蓝 牙特殊利益集团s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) ，她是一个国际性的非营利组织， 通过采取无偿转让该项专利技术的策略，以实现其全球统一标准的目标。到目前 为止，加盟s i g 的公司已超过了3 4 0 0 个，而其在华联盟已有1 7 0 多家成员公司。 第一章绪论 1 9 9 9 年7 月蓝牙s i g 正式推出了蓝牙标准v 1 0 ，她包括两个文件： 基础核心规范一提供设计标准； 基础应用规范一提供互操作性准则。 核心协议文件描述了射频、基带、链路管理器、业务发现肋议、传输层以及 其他协议的互操作性等内容；应用规荡文件描述了各种不同类型的蓝牙应用所要 求的协议和过程。 2 0 0 1 年2 月，s i g 发布了蓝牙技术标准v l - l ，在更新1 日版存在的问题的同时 对兼容性做了更高的要求。2 0 0 3 年u 月推出的蓝牙标准v 1 2 版采用了增强型 定向同步连接e s c 0 技术以确保话音或音频传输的任何部分不会因数据包传输的 讹误而丢失，同时利用自适应跳频技术a f h ( a d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n g ) 进一 步减少自扰及对其它无线传输技术间的干扰口】。 2 0 0 4 年1 1 月，s i g 批准了蓝牙技术标准v 2 o v 2 ，o + e d r ( e n h a n c e dd a t a r a t e ) ，供选的蓝牙e d r 技术可将蓝牙传输速率从l m b p s 提高到3 m b p s ，并进一 步地降低了功耗，同时它完整地考虑了后向规范的兼容性。由于目前单点的蓝 牙应用所需的蓝牙传输速率有限，如使用子带编码s b c ( s u b b a n dc o d i n g ) 技术 的蓝牙高品质音频传输所需的传输速率只为3 4 5 k b p s ，因为e d r 提高的蓝牙额外 传输能力使得同一时间多点蓝牙设备通信成为可能。蓝牙常被用作诸如个人电脑 和p d a 之类的其它设备进入电话广域网的网关，然而目前最快的3 g 电话传输 速率大约为2m b p s ，e d r 技术使得蓝牙决不会成为这些应用的发展瓶颈。我们可 以看到每一种新的蓝牙版本都为蓝牙产品带来了更好的稳定性和性能，同时它们 都具有良好的后向兼容特性。 出于对国内巨大的个人终端市场的考虑，蓝牙技术联盟将其v l ，2 和 v 2 o + e d r 提供给中国信息产业部通信标准化推进中心，以支持我国国家蓝牙技 术标准的开发，进一步促进蓝牙技术在国内市场的发展。 第一章绪论 l2 蓝牙技术应用及其发展前景 蓝牙技术诞生初期，其受到了前所未有的追捧，人们视他为无所不能的技术， 梦想着蓝牙技术给我们生活带来科幻般的精彩。但当蓝牙技术在后继发展过程中 暴露出一系列问题时，这种过高的，不现实的期望自然成为其发展的巨大压力与 障碍。人们对蓝牙技术渐渐失去耐心和信心，且支持其它无线通信技术的批评者 甚至盖棺定论地认为蓝牙已离我们而去。然而远离公众眼球的蓝牙技术经过近几 年的发展及对诸多技术挑战的克服，已经取得了量和质的突破。虽然在目前充满 竞争无线标准市场，要指明蓝牙技术的末来不是一件容易的事，但他仍是一项发 展中的技术，其应用目前来所还属于起步阶段吲。据i d c 的统计数字表明，蓝牙 设备的出货量将由2 0 0 3 年的5 5 0 0 万台增长到2 0 0 4 年的8 8 0 0 万台，2 0 0 4 年蓝 牙技术迅速赢得市场，特别是在移动通信领域，全球新出产的手机有1 3 应用了 蓝牙技术，预计到2 0 0 8 年这个比例将达到5 3 。 继蓝牙话音耳机之后，立体声耳机对蓝牙技术而言又是一个充满前景的新领 域。据市场调研公司i n s t a t m o r 的首席无线分析师j o y c ep u t s c h e r 表示蓝牙 立体声耳机有很大的增长潜力，保守估计支持蓝牙的m p 3 、立体声耳机、立体 声嗽叭等个人消费类电子产品，2 0 0 5 年可能增长7 0 【s l 。到2 0 0 6 年将有半数 手机集成蓝牙，众多手机制造商都认为继嵌入相机之后，高品质音频传输将是手 机的下一个重要特点，并且运营商也将提供音乐下载服务当成为一个新的利润增 长点，届时将有3 0 的手机具有m p 3 功能，从而为强劲的立体声耳机市场奠定 了基础。 单从晶片的发货量而言，2 0 0 3 年全球蓝牙芯片的出货量就己超过了w l a n ， 但根据一项对1 1 个欧洲国家用户调查中显示，6 9 的受访者没有使用蓝牙的计 划，而对w i f i 却有超过4 2 的用户正在使用。这说明了消费者对蓝牙技术概念 的本质还不够深入理解，蓝牙技术仍未获得消费者的足够认可，因而蓝牙技术要 达到大规模的商用及在用户中普及，仍有大量应用技术细节要解决，比如增加消 费者的认可度、在芯片往小型化更低功耗方向发展的时间降低出货价格、提高产 品的兼容性及易用性、争取更多操作系统平台的支持等。 任何新的技术都需要一个发展过程，跟其它无线通信技术相比，蓝牙具有固 第一章绪论 有及潜在的明显优势，相信通过业界的共同努力，蓝牙技术将会有一个光明的前 景 1 3 本论文的目的及内容 蓝牙防议实现是蓝牙技术研究的核心内容，是蓝牙产品开发的基础。本课题 在深入了解蓝牙核心协议栈基础之上，基于意法半导体s t 公司的蓝牙嵌入式平 台开发蓝牙核心协议h c i ( h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 、l 2 c a p ( l o g i c a ll i n k c o n t r o la n da d a p t a t i o np r o t o c 0 1 ) 层软件实体，同时根据目前蓝牙应用发展趋 势研究蓝牙a vp r o f i l e 的硬件、软件实现方法。根据蓝牙技术的应用特点，在 开发协议栈的过程中充分考虑蓝牙软件协议栈在不同平台间移植的可能性，为后 期开发低成本带蓝牙增值功能的个人消费类电子产品提供软件平台。本课题得到 了南太( 深圳) 电子有限公司的大力支持。 本文分以下几部分：第一章整体介绍蓝牙技术的发展状况及应用前景；第二 章简要介绍蓝牙技术基础内容：第三章分析蓝牙逻辑链路控制与适配l 2 c a p 层协 议实体；第四章介绍l 2 c a p 在s t 蓝牙嵌入式平台的实现方法：第五章分析蓝牙 主机控制器接口h c i 实体；第六章介绍h c i 嵌入式实现：第七章介绍监牙a v p r o f i l e 框架结构以及实现方式：第八章是结束语，总结论文工作成果并指明存 在的不足及下一步发展的方向。 第二章蓝牙概述 第二章蓝牙概述 蓝牙s i g 定义的的蓝牙标准允许技术人员开发具有可互操作的无线模块和数 据通信卧议的交互式服务各应用。图2 1 所示为基于互操作应用支持的蓝牙应用 模型之上的完整蓝牙系统协议栈。其可分为底层硬件模块、中间协议层和用户应 用框架三大部分3 l 州。 图2 一l 蓝牙协议栈 2 1 蓝牙底层硬件模块 蓝牙底层硬件模块是蓝牙技术的核心，其包括链路管理层、基带层和射频 是任何蓝牙设备都必须包括的部分。 2 1 1 射频部分 蓝牙是一个统一、开放的技术规范，出于在全球范围内实现这一短距离无线 通信标准，蓝牙选择工作在2 4 g h z 的这一“自由”的i s m 频段( 工业、科学和 医疗频段) ，在世界上的大多数国家，这个频段是2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z ，其中分配 了7 9 个跳频信道，每个频道是l m h z 带宽。而对于法国等少数国家，这个频段为 第二章蓝牙概述 2 4 4 6 5 2 4 8 3 5 g h z ，其分配了2 3 个l m h z 带宽的跳频信道。同时为了减少带外的 辐射和干扰，系统留有保护带，对于7 9 信道系统，下保护带足2 m h z ，上保护带 是3 5 m h z 。蓝牙规定的天线功率以o d b m ( 1 m w ) 的c l a s s 3 为基准，最大可达 2 0 d b m ( 1 0 0 m w ) c l a s s l 。其基本作用距离为t o c l 1 0 m ，如果增大发射功率可将作 用距离增大到l o o m 。 2 1 2 基带部分 如前所述，蓝牙在2 4 g h z 的i s 【频段的7 5 个信道内以跳频方式工作，典型 的单时隙跳频速率是1 6 0 0 跳秒。为了降低跳频收发信机的复杂度，采用了成熟 的二进制f m 调制技术，符号速率为1 m s s 。蓝牙提供点到点及点到多点的连接， 多个共享同一信道的蓝牙节点可组成一微微网，多个微微网又可以组成个散射 网。每个微微网的跳频序列是唯一的，由主节点设备的蓝牙地址决定。蓝牙信道 采用了6 2 5 p s 的标准时隙结构。时隙按微微网主节点的时钟进行编号，范围为0 2 2 7 1 ，以周期2 2 7 循环。蓝牙系统采用了电路交换与分组交换相结合的方式，以 支持同步面向连接连接s c o ( s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n 一0 r i e n t e d ) 链路及异步无 连接a c l ( a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s s ) 链路。以时分双工t d d ( t i m e r d i v i s o n d u p l e x ) 的方式，主从节点分别在偶奇时隙进行数据的传输。 2 1 3 链路管理层 在一个蓝牙微微网中最多可以有7 个从节点同时处于激活状态，为了区分每 个从节点，当从节点激活时就分配了一个3 b i t 的临时地址即a ma d d r ，这3 b i t 包含在信道接入码的分组头中。 蓝牙链路控制器有2 个主状态：s t a n d b y 和c 0 n n b c t i o n ，另处还有7 个中间 子状态： p a g e 、p a g es c a n 、i n q u i r y 、i n q u i r ys c a n 、m a s t e rr e s p o n s e 、s l a v e r e s p o n s e 年i n q u i r yr e s p o n s e 。 i n q u i r y 和p a g e 用以建立一个新的连接。在蓝牙系统中，当源端点不知道目 的端点的设备地址的情况下使用查询( i n q u i r y ) 过程。在该状诚，系统连续不断 地在不同的频点发送查询信息，这个查询信息不包括源节点的任何信息，但可以 通过选择不同的查询接入码，如通用查询接入码g i a c ( g e n e r i cf r e o u e n c v 6 第二章蓝牙概述 a c c e s sc o d e ) 、专用查询接入码d i a c ( d e d i c a t e di n q u i r ya c c e s sc o d e ) ，从 而选择需要什么级别的设备进行响应。i n q u i r y 的跳频序列总是从g i a c 的最低 地址位l a p ( l o w e ra “r e s sp a r t ) 导出，即使系统使用d i a c 也需要从g i a c 的 l a p 中导出跳频信息。 当从节点选择可发现模式时，周期性地进入i n q u i r ys c a n 子状态。扫描区 间的氏度为t m 。一。c 。，扫描在一个频点上进行。除了通用查询接入码外，从 节点还可以扫描一个或多个专用查询接入码。 蓝牙微微网主节点通过使用p a g e 子状态发起一个到从节点的连接，通过在 不同的跳频信道上重复发送从节点的设备接入码d a c 来捕获从节点。主节点使用 从节点的地址确定跳频序列，对于序列的相位，主节点使用一个估计值，这个值 可以通过查询得到，也可以从最后一次相遇的定时信息中获取。 处于p a g es c a n 子状态的从节点在扫描窗口t 。内监听白已的设备接入 码，监听只在一个跳频点进行。扫描窗口必须足够覆盖1 6 个寻呼频点。从节点 的寻呼跳频序列由蓝牙的设备地址b d a d d r ( b l u e t o o t hd e v i c ea d d r e s s ) 决定， 序列的相位由节点本地时钟的c l k n l 6 1 2 决定( 在2 3 跳系统中就是c l k n l 5 1 2 ) ，即每隔1 2 8 s 选择一个不同的频率。 在连接状态下，除了正常工作模式a c t i v e 外，为了在很低功耗状态下也能 使设备处于连接状态，蓝牙定义了3 种低功耗操作模式：s n i f f 模式、h o l d 模式 和p a r k 模式。 s n i f f 模式 s n i f f 模式可以降低从节点监听活动性的时间，为了进入此模式，主设备与 从设备要协商一个侦听时间间隔t s m r 和。个侦听时间偏移量d 。一e ，这个参数指 定了侦听时隙的定时。时间偏移量确定第一个侦听时隙的时间，其他侦听时隙以 侦听间隔t 。m 为周期地跟随在后面。 有从个参数用来控制从设备中的侦听活动：第一个是侦听尝试参数 n s m n t t e m ，用来确定从设备从侦听时隙开始要侦听多少时隙，即使没有接收到 带有他自己的活动成员地址的数据分组也要侦听。第二个是侦听超时参数 n s m r t t u t ，其用来确定在连续接收到只是带有其本身蓝牙活动成员地址数据分 第二章蓝牙概述 组的情况下，从设备还要侦听多少时隙。 h 0 1 d 模式 在连接状态，从节点的a c l 链路可以使用h o l d 模式，在这段时间内，主设 备不能传送任何异步无连接数据分组。从而可空出节点的资源做其他工作，如查 询、扫描等。在进入此模式之前，主从节点协商进入此模式的时问，从节点迸入 此模式后即启动定时器h o l d t o ，当定时器到时，从节点唤醒，等待主节点的指 不o p a r k 模式 当从节点不需要参加一个微微网，但希望保持信道的同步，那么可以进入 p a r k 模式这是系统的一个低功耗模式，在这种模式下，从节点放弃使用它的 活动成员地址( a m _ a d d r ) 而使用唯一的8 b i t 休眠成员地址p m _ a d d r 。处于p a r k 状态的从节点周期地唤醒监听信道，以便同步和检测，“播消息。除了低功耗特性 外，在以p a r k 模式，主节点最多可以与最多2 5 5 个从节点保持同步。 2 2 蓝牙中间协议层 蓝牙中间协议层包括逻辑链路控制与适配协议l 2 c a p ，服务发现协议 s d p ( s e r v i c ed i s c o v e rp r o t o c 0 1 ) 、串口仿真协议r f c o 唧和电话控制协议规范 t c s ( t e l e p h o n yc o n t r o lp r o t 。c o ls p e c i f i c a t i o n ) 。l 2 c a p 通过协议的多路复 用、分块与重组、服务质量、组管理功能向上层提供面向连接与无连接数据服务， 它是其他上层协泌实现的基础，同时也是蓝牙协议栈的核心部分。s d p 是一个基 于客户机服务器结构的协议，为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用 的服务及其特性。每个蓝牙设备最多只有一个s d p 服务器，每个服务器维持一个 服务记录如果蓝牙设务只是充当客户端，那就不需要s d p 服务器了。 为了解决蓝牙技术对传统协议的适配问题，蓝牙定义了一些“适配协议”， 其中包括r f c o 眦及t c s 。r f c o m m 依据e t s i 标准t s 0 7 1 0 中的一个子集的内容， 在l 2 c a p 上仿真了9 针的r s 一2 3 2 ( e i a t i a 一2 3 2 一e ) 串口的功能，根据定义，它 最多可以支持两个蓝牙设备间6 0 路的连接。t c s 是一个基于i t u t 建议o 9 3 l 的面向比特的协议，它定义了用于蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的呼叫控制信 令以及用于处理蓝牙t c s 设备的移动性管理过程。 第二章蓝牙概述 如上图2 一l 所示，在蓝牙底层硬件模块层与中间协议层间的消息和数据传递 必须通过主机控制器接口h c i 的解释才能进行。也就是说h c i 是蓝牙协议中软硬 件之间的接口，它提供了一个调用下层b b ( b a s e b a n d ) 、l m ( l i n km a n a g e r ) 、状 态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。h c f 协议以上的协议实体运行在主机 上，而h c i 以下的功能由蓝牙设备来完成，两者间通过传输层进行交互。 2 3 蓝牙用户应用框架 世界蓝牙组织s i g 定义了一些应_ f = | 模型，每个模型都有支持它的一个规范 ( p r o f 订e ) 。它定义了支持特定应用模型的协议和功能以及实现某功能的一些强 制及可选的消息和进程。这些应用规范保证不同厂商生产的蓝牙设备满足互联及 互操作性的要求。典型的应用模型有蓝牙耳机应用模型、传真应用模型、局域网 接入模型、文件传输模型以及本论文重点关注的蓝牙a v 应用模型等。 2 4s t 蓝牙嵌入式开发平台 在深入研究蓝牙核心协议基础之上，本论文重点是基于意法半导体s t 公司 的蓝牙嵌入式开发平台p 3 一e v b 实现蓝牙核心协议以及a v 应用模型，其硬件构 成如图2 2 所示，它符合蓝牙规范v 1 1 n 0 1 。本论文开发的协议栈部将是根据规 范v 1 1 进行。下面将从硬件、软件两方面做一简单介绍。 图2 2 s t 蓝牙嵌入式开发平台m p 3 一e v b 第二章蓝牙概述 2 4 1 硬件构成 m p 3 一e v b 开发平台包括蓝牙核心模块部分及蓝牙音频处理部分。这是s t 公司 较早期的针对蓝牙话音及a v 耳机的开发平台，所选用的芯片都是属于早期的产 品n 1 】。根据项目发展需求，在本论文工作后期基于s t 最新蓝牙系列应用j 占片参 与了包含蓝牙语音及a v 耳机、蓝牙a v 音频发送端功能的蓝牙a v 适配器方案 没计。 2 4 1 1 蓝牙核心模块部分 射频芯片s t l c 2 1 5 0 这是一款符合蓝牙v 1 1 规范的低功耗单芯片射频收发器，通过功率控制支 持蓝牙c l a s s2 及c l a s s3 的操作若外加功率放大器的话，可支持c l a s s l 。 基带芯片s t l c 2 4 1 0 b 这也是一款符合v 1 1 蓝牙规范的3 2 b i t 低功耗单芯片蓝牙基带处理器，它 以a r m 7 t 叫i 为核心运行于1 3 m 的外部时钟。其内含6 4 k b y t e 的r a m 及4 k b y t e 的r 0 i 。支持点对点及点对多点( 最多7 个) 的连接，最大支持a c l 链路的数据 传送速率可达到7 2 1 k b p s ，同时支持最多3 条6 4 k b i t 的s c o 链路，并支持u s b 及u ar 【、h c i 传输层。 扩展f l a s hm 2 8 r 4 0 0 c t 因为s t l c 2 4 1 0 b 内部并无f l a s h 以存储用户开发的协议栈，因而需另外扩展 一块4 m b i t 的f l a s hm 2 8 r 4 0 0 c t 。目前s t 提供的基带芯片已发展到s t l c 2 4 1 5 、 s t l c 2 4 1 6 ，这些基带芯片除了扩展蓝牙规范功能外还内置了4 m b i t 的f l a s h ，其 中s t l c 2 4 1 6 符合蓝牙v 1 2 规范标准。 2 4 1 2 蓝牙音频处理部分 本论文的开发目的在于实现支持蓝牙a vp r o f “e 的接收终端，其硬件配置 如图2 3 所示，其除了支持蓝牙音频播放之外，还可以支持蓝牙语音耳机的功能。 我们开发的蓝牙核心协议栈及a vp r o f i l e 运行于s t 蓝牙核心模块，除此之外还 需开发音频播放驱动。 第二章蓝牙概述 s t a 0 1 5 t ：这是s t 一款多功能的单芯片音频解码器，支持m p 3 单双声道的 解码，同时还支持a d p c m 的编解码。为提高蓝牙音频传输性能，蓝牙a vp r o f i l e 中强制要求支持s b c 的编解码格式，为此s t 公司推出了第一款单芯片含s b c 编 解码功能的s t a 0 2 7 ，以满足在蓝牙通信环境下对高质量数据传输要求。 s t w 5 0 9 4 ：这是s t 一款高性能的1 8 b i t 的d a 转换芯片，同时支持对话音 的8 1 6 k h z 的线性及非线性的p c m 编解码。为了降低用户产品成本及复杂度，s t 公司推出了结合s t w 5 0 9 4 和s t a 0 1 5 功能的芯片s t w 5 0 9 6 ，为用户开发提供更大 方便及自由度。 图2 3 m p 3 一e v b 音频处理部分 2 4 2 软件开发平台 s t 提供了客户开发框架c f w ( c u s t o m e rf r a m e w 。r k ) ，允许开发者在其基础 上开发上层协议及应用规范。通过c f w 开放的a p i ，开发者可以进行系统资源、 任务、中断、定时等管理，同时还可以对h c i 、u a r t 、u s b 接口进行处理并控制 g p i o 、1 2 c 及s s i 接口。为了最大限度地利用嵌入式平台的有限资源，s t 提供了 不同的系统库供开发者选择，开发者可根据最大需要建立的a c l 链路、是否需要 支持s c o 链路、是否需要支持多时隙分组包等因素选择合适的系统库m 】。s t 公 司也可以根据用户的需求定制底层。 第三章逻辑硅路控制与适配协议l 2 c a p 分析 第三章逻辑链路控制与适配协议l 2 c a p 分析 l 2 c a p 是监牙核心协泌栈中非常重要的一层，它承接上层应用，提供数据流 传输与控制功能，本章着重分析l 2 c a p 协议，下一章将着重介绍软件实现方法。 3 1l 2 c a p 协议概述 逻辑链路与适配协议l 2 c a p 是数据链路的一部分，位于基带协议之二，只支 持a c l 链路，不支持s c o 链路。通过协议复用、分段重组、服务质量、组管理操 作，l 2 c a p 为上层提供面向连接及面向无连接数据服务，并允许高层协议和应用 发送和接收高达6 4 k b 的数据分组唧。 协议复用 因为蓝牙基带协议不能识别所有类型的高层协议，l 2 c a p 实现必须能够根据 p s m 值区分上层应用协议，如s d p 、a v d t p 、和t c s 等。蓝牙规范为一些常见的应 用分配了相应的p s m ( p r o t o c o l s e r v i c em u l t i p l e ) 值。 分组的分段与重组 与其它有线传输媒体相比，蓝牙基带协议定义的数据分组在长度上有限制。 高层协议为了提高频带的效率往往使用较大的分组，以m t u ( m a x i m u m t r a n s m i s s i o nu n i t ) 限定，而蓝牙基带的最大传输单元只有3 4 1 个字节( d h 5 分组) ，两者不匹配。在向空中发送之前，大的l 2 c a p 分组必须分成多个较小的 基带分组。同样，接收端也要对接收到的多个底层分组进行组合和完整性检查， 之后再递交高层。 服务质量 l 2 c a p 信道在连接过程允许互相交换服务质量信息，l 2 c a p 的实现必须监视 协议实体资源使用情况，并保证相互协商的q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 信息。 组管理 可组网是蓝牙技术的一大特性。l 2 c a p 的组抽象功能高效地将协议的组映射 到微微网。如果没有组的抽象，就必须存在高层与基带以及链路管理功能的接口 以便有效地管理组。 1 2 第三章逻辑链路控制与适配怫议l 2 c a p 分析 3 2l 2 c a p 常规操作 3 2 1 信道标识符c i d l 2 c a p 是基于信道的概念的，信道的每一个端点对应于一个信道标识符c i d 。 信道标识符是一个本地意义的概念，如下表3 一l 所示，l 2 c a p 的实现允许在合法 的标识符中根据需要自由分配】，但要注意每个c i d 代表一个l 2 c a p 信道端点， 不同设备间c i d 可重用，但本地设备c i d 不可重用。 表3 一lc i d 空间分配 信道标识符c i d描述 o x 0 0 0 0 o x ( ) o o l o x o 0 0 2 0 x o 0 0 3 o x 0 0 3 f o x 0 0 4 0 o x f l 既平 空标识符 信令信道 无连接接收信道 预留 动冬分配 3 2 2 分割与重组 分割与重组s a r ( s e g m e n t a t i o na n dr e a s s e b l y ) 操作解决高层的最大传输单 元( m t u ) 比基带的分组大的问题l 2 c a p 的实现应尽量满足s a r 高效的原则。 l 2 c a p 本身并不执行任何s a r 操作，但是其分组格式支持对较小物理帧的适配。 分割与重组的实现要带的2 b i t 的开销，如图3 一l 所示，基带净荷中的2 b i t 的l c h 用来表示l 2 c a p 的开始分组和后续分组，当l c h 为l o 时，表示为l 2 c a p 的第一个分组中，当l c h 为0 1 时，表示为l 2 c a p 的后续分组。 7，7j 、 臼亘自由虿e 丑、 亘正面i ! ：鲤：! ! ii ! ：鲤：旦! i l ! ! ：! ! l 图3 1l 2 c a p 的分割 分割过程 l 2 c a p 与上层协商最大传输单元( m t u ) ，应用规范限制发向l 2 c a p 的数据包 第三章逻辑链路控制与适配阱议l 2 c a p 分析 以小于m t u 值。当l 2 c a p 工作于h c i 层之上时( 本论文的开发模式) 将根据主 机控制器的缓冲区大小将上层应用数据包分割成适合底层传输的协议数据单元 p d u 。 重组过程 基带协议按顺序发送a c l 分组，并使用一个1 6 b n 的循环冗余校验c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 来保证数据的完整性。基带还使用a r q ( a u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ) 机制实现可靠连接。 3 2 3 状态机 l 2 c a p 面向连接信道的状态机制是l 2 c a p 实现的重要内容，它定义了信道的 状态、引起信道状态变化的事件以及与此事件相对应的动作。状态机中适合双向 的c i d ，不能用来表示信令信道和单向信道。 如图3 2 所示，发起请求的一方是客户机，服务器接收请求。应用层的客户 既可发起也可以接收请求。习惯的命名如下：在两层之间的界面上( 垂直方向) 用下层的缩写名作前缀，它为上层提供服务，如l 2 c a ：在两个同层的实体之间 ( 水平方向) 用协议的缩写名作为前缀。来自上层的事件叫请求r e q u e s t ( r e q ) ， 相应的回答叫确认c o n f i r m ( c f ) 。来自底层的事件u 指示i n d i c a t i o n ( i n d ) ，相 应的回答叫响应r e s p o n s e ( r s p ) 客户机 上部协议层 服务器 上部协议层 l 2 c a r c q u e s 【lll 2 c a c o n f i r ml 2 c a r e s p o n s elil 2 c a e n d i c a t i o n l 2 c a p 层l 2 c a p 层 l p - r e q u e s t工 l l p _ c o n n r r n l p r e s p o n s elll 一【n d i c a t i o n 下部协议层 下部办议层 图3 2 l 2 c a p 层与其它层的相互作用 3 2 4 事件 在l 2 c a p 层中，除了超时事件是由本层产乍外，所有的事件都是入的消息。 第三章逻辑链路控制与适配| 办议l 2 c a p 分析 事件分成5 类包括：来自下层的指示( i n d i c a ti o n ) 和确认(