（农业电气化与自动化专业论文）基于蓝牙技术的车载免提系统研究.pdf

摘要 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接 为基础，为州定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线技术。蓝牙采用分散式网 络结构以及快调频币j 短包技术，支持点到点及点到多点的通信，它工作在全球通用的2 4 g h z i s m ( 即工业、科学、医学) 频段，数据速率为1 m b p s ，并采用时分双工传输方案实现全双 工传输。蓝牙技术虽然出现不久，但己受到许多方面的关注。由于蓝牙产品具有体积小、功 耗低等优点，使其可以方便的集成到几乎任何数字设备中，现已大量的应用于包括手机、 p d a 、笔记本电脑、打印机、数码相机等产品中，应用领域非常广泛。 蓝牙技术在汽车电子装置上也有很好的应用前景。派诺特公司已经开发出可以让驾乘人 员用语音进行操控的车载蓝牙设备：摩托罗拉公司还为汽车生产商推出了一种蓝牙汽车工具 包，用户只需操控手持蓝牙设备，就能够与汽车设备之间进行无线联系，比如无线遥控打开 车门、与车内车辆检测系统无线交换数据库等。本文研究的内容是设计一个基于蓝牙技术的 车载免提系统，使蓝牙手机和车载免提之间无线连接，实现免提功能。 本文首先对蓝牙技术的起源和发展前景进行了简要介绍，然后剖析了蓝牙通信协议体系 和免提应_ ；j 框架，在此基础上针对课题要求提出了一套蓝牙车载免提系统的解决方案，并从 硬件和软件两方面对系统的设计进行了详细阐述。方案是以台湾天樱公司生产的c k m 3 蓝牙 模块为核心芯片，该模块作为系统的无线收发装置，与蓝牙手机无线通信，并分别通过u a r t 和p c m 接口与微处理器和d s p 连接通信。微处理器a t 8 9 c 4 0 5 1 协调档个系统的运转情况， 串口与监牙模块通信，f o 口驱动液晶显示；采用先进的d s p 技术进行语音处理，给系统提 供一个消晰的语音环境。在硬件设计中，详述了芯片的选型、特点以及外部接口的设计及扩 展使用情况，充分考虑降低系统功耗，合理布局大功率器件良好散热。在软件设计中，分析 了蓝牙设备之间通信连接的建立过程和蓝牙模块与单片机串口通信，用c 语言作为编程语言， 简沽地实现了系统需要的高级算法；建立了清晰的软件流程图。最后对系统进行调试，达到 了设计要求。 关键词：监牙；车载免提系统；免提应用规范；b l u e c o r e ；a t 8 9 c 4 0 5 1 ；f m l 0 7 3 v t h es t u d i e so nv e h i c l eh a n d sf r e es y s t e m b a s e do nb l u e t o o t h a b s t r a c t b l u e t o o t hi so n eo ft h eo p e np r o t o c o l sa b o u tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n so fd a t aa n dv o i c e b a s e do nl o wp r i c ea n ds h o r td i s l a n c e b l u e t o o t hu s e st h ed i s t r i b u t e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h e q u i c kf r e q u e n c ym o d u l a t i o na n dt h es h o r tp a c k a g et e c h n o l o g y , a n ds u p p o r t st h ec o m m u n i c a t i o n so f p o i n tt op o i n ta n dp o i n tt om u l t i p o i n t i tw o r k so ut h eg l o b a lg e n e r a lf r e q u e n c yo f2 4 g h zi s m ( i n d u s t r y , s c i e n c e m e d i c i n e ) i t sd a t ar a t e i s1 m b p s t d di su s e dt or e a l i z et h ef u l ld u p l e x t r a n s m i s s i o n b l u e t o o t hp r o d u c t sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c h s m a l lv o l u m e ，l o wp o w e r , e t e b l u e t o o t ht e c h n o l o g yh a sm a n ya p p l i c a t i o n si n c l u d i n gm o b i l ep h o n e ，p d a , c o m p u t e r , p r i n 慨 d i g i t a lc a m e r a , a n ds oo n i ti sg r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c tt h a tb h i e t o o t hi su s e di nt h ea u t o m o t i v ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t p a r r o tc o m p a n yh a sd e v e l o p e dt h ev e h i c l eb l u e t o o t hk i tw h i c hi su s e dt oc o n t r o lt h ev e h i c l ew i t h a u d i ob yd r i v e r s m o t o r o l ac o m p a n yh a sa l s op r o d u c e dab h i e t o o t ha u t o m o b i l et o o lk i t sf o r t h e a u t o m o b i l ep r o d u c e r s 1 1 1 eh a n d sb l u e t o o t l l “t s 啪b ec o n n e c t e dw i t ht h ea u t o m o t i v ek i t s w i r e l e s s l y , f o ri n s t a n c e ，o p e nt h ev e h i c l ed o o rw i t ht h ew i r e l e s sr e m o t ec o n t r o h e r , a n de x c h a n g e d a t a b a s e 、v i t ht h ev e h i c l ee x a m i n a t i o ns y s t e mi nt h ev e h i c l ew k e l e s s l y t h es t u d yo ft h i st h e s i si st 0 d e s i g nv e h i c l eh a n d sf r e es y s t e mb a s e do nb l u e t o o t h w h i c hi sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n b l u e t o o t hm o b h ea n dv e h i c l eh a n d sf r e es y s t e ma n dr e a l i z eh a n d s - f l e ef u n c t i o n t h i st h e s i si n t r o d u c e db l u e t o o t hb a c k g r o u n da n dt r e n d a n a l y z e db l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n i n c l u d i n gc o r ep r o t o c o la n dh a n df r e ep r o f i l e ，p r e s e n t e dap l a no fv e h i c l eh a n d sf r e es y s t e mb a s e d o nb l u e t o o t h a n de x p a t i a t e dt h ep l a nf r o mt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e c l ( m 3b l u e t o o t hr o o d u l e m a d ei nt a i w a nt i a n y i n gc o m p a n yi st h ec o r ec h i pi nt h ep l a n c k m 3i se q u i v a l e n tt oaw i r e l e s s d i s p a t c h e ra n dc o m m u n i c a t e sw i t hb l u e t o o t hm o b i l e i t su a r ta n dp c mp o r tr e s p e c t i v e l yc o n n e c t t om i c r o c o n t r o l l e ra n d d s p m i c r o c o n t r o l l e rm nt h ew h o l es y s t e mi np h a s e i t ss e r i a lp o r t s c o m m u n i c a t e dw i t hb h i e t o o t hm o d u l e p o r t sd r i v e dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a ye t c ；v o i c ep r o c e s s i n g a d o p t e dd s pi na d v a n c e d ，s ot h a tt h es y s t e mh a dc l e a rv o i c ee n v i r o n m e n t i nt h ep a r to fh a r d w a r e ， c h o o s i n gc h i p s 、c h a r a c t e r i s t i ca n dd e s i g n i n gi n t e r f a c e sw e r ee x p a t i a t e d ，c a l c u l a t e dt oa b a s et h e p o w e rc o n s u m p t i o no fs y s t e ma d e q u a c i l y , r a t i o n a l l yp o s i t i o n 血eh i g hp o w e rc o n s u m p t i o nd e v i c e s t oh e a tl o s sw e l l i nt h ep a r to fs o f t w a r e ，t h a tc o u r s eo fb l u e t o o t he q u i p m e n t sc o m m u n i c a t i o na n d b l u e t o o t hm o d u l es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni s a n a l y z e d t h ef l o wo fs y s t e mh a n d s - f r e ef u n c t i o n e m p l o y i n gb ycl a n g u a g ew a sg a v e ，a sw e l la st h em o d e lm a c h i n ew a sd e b u g g e da n dr e a l i z e di t s v i a b s t r a c t b a s i cf u n c t i o n k e yw o r d s ：b l u e t o o t h ；v e h i c l eh a n d sf r e es y s t e m ；h a n df r e ep r o f i l e ；b l u e c o r e ；a t 8 9 c 4 0 5 1 ； f l 1 0 7 3 c a n d i d a t e ：g n oy a n x u s p e c i a l i t y ：a g r i c u l t u r a le l e c t f i z a t i o na n d a u t o m a t i z a t i o n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f d o n gg u i j u 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 i 洼；地塑直基丝霞要挂别直明的：奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：日期：砷年，月侈e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名：南辛| 色掘 导师签名 ，日 日 丛 赳 月 月 6 参 年 年 似严 以 p j 期 期 1 引言 1 1 蓝牙技术背景介绍 b l u e t o o t h 一词取自一位在公元1 0 世纪统一了丹麦的国王哈拉德二世( h a r a l d ) 的绰 号。即“蓝牙”( b l u e t o o t h ) ，含有将四分五裂的局面统一起来的意思，而中文译名“蓝牙” 则有无线通信新技术萌芽之意。 蓝牙技术起源于1 9 9 4 年，当时爱立信( e r i c s s o nm o b i l e ) 移动通信公司开始研究在移动 电话及其附件之间实现低功耗、低成本无线接口的可行性，并将这项新的无线通讯技术命名 为蓝牙( b l u e t o o t h ) ，主要是表明这是一个具有重大意义的技术创新。蓝牙是一种短距离的无 线连接技术标准的代称，蓝牙的实质内容就是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的 公开标准。爱立信意识到要使这项技术最终获得成功。必须得到业界其他公司的支持与应用。 1 9 9 8 年5 月，5 家大公司( 爱立信、诺基亚、i b m 、东芝和英特尔) 成立了一个蓝牙特殊利 益集团( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p s i g ) 共同创立一种用于短距离无线通信的非许可证的通用 无线技术，负责监牙技术标准的制定、产品测试并协调各国蓝牙的具体使用( 马建仓等， 2 0 0 3 ) 。3 c o m 、朗讯( l u c e n t ) ，微软( m i c r o s o f t ) 和摩托罗拉( m o t o r o l a ) 很快加盟s l g 与s i g 的五个创始公司一同成为s i g 的九个倡导发起者，其结果就是我们今天所熟知的蓝牙 技术。 蓝牙技术是便携式电子设备和固定式电子设备之间代替电缆连接的短距离无线通信的 标准，将各种数字信息的外部设备用无线方式连接起来，进而形成一种个人周围领域的网络， 使得在其范围之内各种信息化的移动便携设备都能实现无缝的资源共享。它使用跳频( f l ， f r e q u e n c yh o p p i n g ) 和时分复用( t d d ) 等技术，来建立各种通信与信息系统之间的信息传 输。自s i g 成立以来，加盟的公司己超过2 0 0 0 个，其中包括诸如a m d 、康柏、戴尔、惠普、 德州仪器、高通以及卡西欧、飞利浦、三星、夏普等许多世界著名的计算机、通信以及消费 电子产品领域的企业甚至还有汽车与照相机的制造商和生产厂家。一项公开的全球统一的 技术规范得到工业界如此广泛的关注和支持是以往所罕见的。这说明蓝牙技术具有广阔的应 用前景和巨大的潜在市场。 1 2 研究的目的与意义 蓝牙车载免提系统是为司机行车安全和舒适性而设计研究的。该免提系统可以与进入车 内的蓝牙手机形成小范围的无线个域网，蓝牙手机可以放在车内以免提系统为圆心的1 0 m 范 围山的任何一个地方，使用者不需要触碰手机便可以实现通话功能，解决了司机在开车过程 中使川手机代米的安全隐患问题。同时与蓝牙耳机相比，该系统不需要使用者使_ j 耳塞，当 东北农业人学工学硕士学位论文 有来电或拨打电话时通过车载免提装置内置的扬声器，麦克风进行话音传输，带来更多的舒 适性。 蓝牙是一个开放性的、短距离无线数据、语音通信的全球规范，它可以用于在较小的范 围内通过无线连接的方式实现吲定设备以及移动设备之间的网络互连，可以在各种数字设备 之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。因为蓝牙技术可以方便地嵌入到 单一的c m o s 芯片中因此它特别适用于小型的移动通信设备。蓝牙各个应用规范的提出更 将蓝牙的应_ 【 j 范围拓展到了一个新的宽度对于车载免提系统来说，蓝牙的诞生无疑为其实 现提供了一个更加合理的方案。 首先，蓝牙技术具有全方位低辐射的特性。蓝牙的射频模块其辐射很低，对人体产生 不了影响，免提终端和手机只要相隔1 0 m 之内，不管在车内的任何地方都可以进行通信，对 通信的方位性要求很小。手机可以放在司机的公文包或者口袋里，只要靠免提终端而不用触 摸您的手机就可以实现手机的各种功能。 其次，蓝牙技术的强大功能。蓝牙模块之间强大的信息交互功能与语音传输功能更为基 于蓝牙技术的免提终端提供了更为强大的功能，例如只要作为音频网关的蓝牙手机支持三方 通话免提终端就可以支持三方通话。同时免提终端可以配置l c i ) ，这样不j e l j 看手机就可以 得知米电的号码并且还可以显示出音量的大小等各种功能。 从上可知，在车载免提系统的实现上，蓝牙技术有其无法比拟的优势。相信随着蓝牙技 术的不断改进，以及蓝牙2 0 标准的推出蓝牙技术在此领域中的前景会更加广阔。 蓝牙技术的发展与应用对中国来说也是一个很难得的发展机遇。因为蓝牙技术标准统 一知识产权共享，实际上它打造了一个新的游戏规则，大家都是站在同一个起跑线上开 展蓝牙技术应川产品的研究与开发。蓝牙技术的产品在我国拥有巨大的市场，我们不应把它 完全让给国外的公司希望我国的产业界能有更多的参与抓住机遇，利用这一项应_ f j 带动 传统产业的改造加速实现我国信息化的进程。 1 3 国内外研究动态和趋势 车载免提系统分为两类：一类是通过不同的适配器可以兼容多种厂商的手机，它把音频 信号刚电线引出或把信号调制发射后，通过置于汽车内部的麦克风和收音机的扬声器来实现 电话的车内免提通话，有来电的时候无论收音机是否打开或者是否播放音乐都会自动静音并 切换至电话模式。但存在的问题是操作比较复杂，适用的车型少并且晟大的不便是车载电 开必须要放在下内的州定插梢上。限制了车载电话使用的灵活性：另一类是基于蓝牙技术的 车载免提系统在此类系统中装置完美地与手机连接，实现无线免提音频。 在国内，有很多公司也已经开发完成了基于蓝牙技术的车载免提系统，但在芯片设计和 软件开发和国外相比还需要进一步完善和改进，而且在应用上还没有得到普及。现在国内蓝 牙车载免提市场随着私家车的增多有很大的开发空间，很多广州、深圳等地的电子公司都在 投资这项研究。 在国外，全球超过3 0 家汽车品牌在他们的新型汽车中。提供启用蓝牙技术的可选或标 2 准通信系统。监牙功能通常是大型通信系统的一部分，如导航。这些系统一般完全集成在汽 车的电子系统中，为司机提供丰富的蓝牙功能。从l e x u s 、b m w 、a c u r a 和l i n c o l n 等超 豪华轿车。到t o y o t a 、o p e l 和d a i m l e r c h r y s l e r 一类中档品牌轿车，它们都提供了蓝牙技术， 迎合各种价格范围的汽车买家。倍受用户欢迎的a c u r at l 采用蓝牙无线技术作为其标准 h a n d sf r e el i n k 的一部分。正如a c u r a 网站上的演示视频所示，在驾驶途中，司机能够方 便地接听和挂断手机通话，完全不需接触与汽车配对的手机。接听来电时，系统会自动使车 载音频系统无声。司机也可以使用系统电话簿或在汽车界面直接拨号，从集成系统中拨出呼 叫。在某些使川语音激活功能的蓝牙通信系统，无需使用任何按钮或用户界面也可以拨出呼 叫并使音频系统无声。 对于并不准备购买新车但希望享受车载蓝牙技术强大功能的个人用户，他们可以通过配 件市场购买汽车套件，为爱车添加蓝牙功能。某些套件需由专业人员安装，而某些套件只需 插入点烟器然后与手机配对即可使用。客户自行安装的套件可提供额外的功能，如自定义麦 克风位置并与车载娱乐系统完美结合，实现原厂解决方案提供的大部分功能包括语音识别。 一件设备提供的蓝牙功能越少该设备的价格越优惠。市场上有多种启用了蓝牙技术的车载 设备用户可根据自身需求在合理的价格范围内选购。某些产品如m o t o r o l ah f s 0 0 无线 移动扬声器。能够在车内或会议室内建立一个免提环境。扬声器附着在车内的遮阡 板上，并 带有按键控制让您能够接听、挂断、发起和保持呼叫。n o l d a 高级汽车套件能够使汽车收 音机无声，提供点火感应探测功能，并允许通过遥控进行呼叫处理和音量调节。法国派诺特 ( p a r r o t ) 是国际著名的车载蓝牙通讯产品专业供应商它在芯片设计和软件开发方面的长期 投资保证它在汽车和移动通信领域的应用与开发。p a n r o t 所提供方便的d r i v eb l u e 汽车套 件，用户只需将其插入汽车的点火器插座，即可无线操作启用蓝牙功能的手机。同时现在以 开发出除了具有基本的免提功能外还具有导航，彩色液晶显示播放d v 等技术。在2 0 0 5 年 3 g s m 全球大会上，l ge l e c t r o n i c s 展示了一款采用b l u e t o o t h 技术的后视镜。当手机收到 来电时，该款后视镜会显示主叫方身份信息，司机按下后视镜上的某个按钮即可接听来电。 随着越来越多的城市和国家考虑到交通安全，颁布禁止司机在驾驶汽车过程中使用手持 移动电话的规定，车载免提功能的需求正不断增长。大部分法律允许司机在驾驶时使用手机 的免提功能许多驾驶人士都体会到启用蓝牙技术的解决方案能够满足他们的需要 1 4 论文的主要研究工作和内容 本文主要论述了基于蓝牙技术车载免提系统硬件的研究、设计与软件实现方案。 首先对蓝牙的网络体系结构特点、系统组成方式、关键技术和通信原理应用进行了详细 研究和分析，在系统实现过程中结合蓝牙技术特点利用微处理器实现控制和协调整个系统。 其次详细阐述了蓝牙车载免提系统的硬件和软件设计。在硬件设计中介绍了系统所采用 的蓝牙模块及其特点、通用型单片机及二者接口电路，对系统内多款芯片之间的工作电压不 同进行了合理的硬件电路设计，对系统中高频成分的电路布局进行了详细的设计，对数字和 模拟电路进行了适当的隔离。本文同时阐述了该系统单片机与蓝牙模块通过u a r t 接口的通 3 东北农业人学t 学硕l ：学位论文 信方式、语音处理方式和i s c d 显示等功能。软件设计中根据硬件的特点设计相应接口程序、 蓝牙模块与单片机串口通信程序、液晶显示程序等以及系统主程序、中断流程图。 最后基于软、硬件设计原理对系统软、硬件进行实验调试晟终实现了整个系统。 4 2 开发蓝牙车载免提系统的技术基础 2 1 蓝牙协议体系结构 就整体而言，蓝牙技术就是一套完整的通信协议体系，蓝牙协议栈的设计原则是最大限 度地重用已有的通信协议，这样就保证了蓝牙协议与己有协议的兼容性。蓝牙协议主要包括 两个部分：蓝牙核心标准( s p e c i f i c a t i o n ) 和蓝牙应用规范( p r o f f i e ) 。蓝牙核心标准 ( s p e c i f i c a t i o n ) 对蓝牙协议从底层无线层( 传输层和链路层) 到高层应用层( 蓝牙专用应用 层协议以及各种已有应用协议) 的主要特性和功能进行了纵向的规定，主要包括射频、基带、 链路管理、逻辑链路控制与适配、串行电路仿真和服务发现等协议层。蓝牙应用规范( p r o f i l e ) 则是根据不同的应用模式规定了协议不同层的具体功能和操作过程，根据应用的不同，蓝牙 应用规范可以分为蓝牙通用访问规范、电话规范、串行和对象交换规范、网络规范。蓝牙协 议现在已有2 0 版本。 蓝牙协议分层结构中的不同层分别完成数据流的过滤和传输、调频和数据帧传输、物理 和逻辑连接的建立与释放、链路控制、数据拆装与重组、服务质量控制、协议分用和复用等。 蓝牙的协议体系分为四层：核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和可选协议( 马 建仓等。2 0 0 3 ：b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，2 0 0 1 ) 各层中的具体协议如下： ( 1 ) 核心协议：射频( b l u e t o o t hr a d i o ) 、基带( b a s e b a n d ) 、链路管理协议( l m p l i n k m a n a g e rp r o t o c 0 1 ) 、逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p , 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 p r o t o c 0 1 ) 、服务发现协议( s d p , s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) ； ( 2 ) 电缆替代协议：串行电路仿真协议( r f c o m m ) ； ( 3 ) 电话传送控制协议：二元电话控制规范( t c sb i n a r y ) 和a r 一命令( a t - - c o m m a n d ) ； ( 4 ) 可选协议：点对点协议( p p p ) 、传输控制协议用户数据报协议互联网协议 ( t c p u d p i p ) 、目标交换协议( o b e ) 【) 、无线应用协议( w a p ) 、v c a x d 、v c a l 、红外移动 通信( i r m c ) 。 除了上述协议层外，蓝牙规范还定义了主机控制器接口( h a ，h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 。 h c i 为基带控制器、链路控制器以及访问硬件状态和控制寄存器等提供命令接e l ，当监牙设 备之间进行通信时。h c i 以上的协议软件实体在主机上运行而h c l 以下的功能由蓝牙设备 来完成，二者之间通过一个对两端透明的传输层进行交互。整个协议结构如图2 - 1 所示( 禹 l i ! 凡，2 0 0 2 ) 。 5 东北农业人学工学硕上学位论文 图2 - 1 蓝牙技术的通信协议栈 f i g 2 - 1c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fb l u e t o o t h 在蓝牙协议栈中，并不是所有的应用都必须使用协议栈中全部协议，而是可以只采用蓝 牙协议栈的部分协议，例如在进行语音通信时。就只需经过基带协议层，而不用通过l 2 c a p 。 但是无论监牙技术的哪一种应用，它们都一定要用到蓝牙协议栈中公共的基带层和无线射频 层部分。 下面就蓝牙协议栈中各个协议的具体功能进行一下简要的介绍： ( 1 ) 核心协议 核心协议都是s i g 为蓝牙专门开发的。它们应用于蓝牙应用的每个规范。蓝牙核心协议 的主要功能是完成对物理传输媒介的监测与控制，发现设备。可靠数据链路的建立与维持， 高层数据包的适配不同协议数据的复用与流量控制。 基带协议：基带协议提供两种不同的物理链路即同步面向连接链路和异步无连接链路。 基带协议在微微网的两个或者多个单元之间建立链路连接，同时它还同步微微网内蓝牙设备 的跳频频点和时钟。基带协议还为在蓝牙链路中传输的数据和语音提供差错纠正。 链路管理协议( l m p ) ：链路管理协议负责两个或多个设备之间的链路设置和控制。链 路管理协议包括很多安全方面的控制。另外，它还负责蓝牙无线收发器的功率模式等。 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) ：逻辑链路控制和适配协议属于高层控制协议，它 6 与链路管理协议并行工作，共同传送往来基带层的数据。特别注意的是，物理链路有两种： s c o 和a c l 。但是l 2 c a p 只支持a c l 链路。 服务发现协议( s d p ) ：服务发现协议可以使得一个蓝牙设备发现另一个蓝牙设备的设备 信息，并与之建立连接( 朱刚等，2 0 0 2 ；严紫建等，2 0 0 1 ) ( 2 ) 电缆替代协议( r f c d m m ) r f c o m m 是蓝牙s i g 在t s 0 7 1 0 协议子集的基础上开发的。r f c o m m 像s d p 一样位 于l 2 c a p 之上，作为一个电缆替代协议，它通过在蓝牙基带协议上仿真r s 2 3 2 控制和数据 信号，为那些将串行线用作传输机制的高级业务( 如对象交换协议o b e x ) 提供传输能力。 ( 3 ) 电话控制协议( t c s ) 电话控制协议包括二进制电话控制协议( t c sb ) 和一套电话控制命令( a t c o m m a n d ) 。 电话控制协议的设计支持电话功能，包括呼叫控制和分组管理。这些操作通常与语音呼叫有 关，呼叫的参数就是使用t c s 建立的。一旦呼叫建立成功，蓝牙音频信道就能运载呼n u 的语 音内容。t c s 同样可以用来建立数据呼叫，以拨号上网的应用模板为例，呼叫的内容在l 2 c a p 上以标准数据包形式运载。 二进制电话控制协议：它是定义蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令它还定 义处理蓝牙设备组的移动管理过程。 a t 命令：监牙的a t 命令是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命 令，它由监牙s i g 小组在i t u - t o 9 3 1 的基础上开发而成。它用于应用规范中确定蓝牙设备 在连接有线或蜂窝电话网络时是作为电话还是调制解调器 ( 4 ) 选川的协议 这里的协议不是蓝牙技术独有的协议，蓝牙规范对高层的不同目标重复使用许多现存的 协议。这样便保证蓝牙技术能够与现有协议的融合以及各种应用之间的互通性充分利用了 嵌入蓝牙技术的软硬件系统资源。蓝牙选用协议包括点对点协议( p p p ) 、传输控制协议用户 数据报协议他：联网坍议( t c p u d p i p ) 、对象交换协议( o b e x ) 和无线应用协议( w a p ) 等( n a t h a nj m u l l e r ，2 0 0 1 ；蒋群等2 0 0 3 ) 。 点到点协议：是由因特网工程任务组开发的，该协议主要用于拨号英特网连接，它定义 了串行点到点链路如何传输因特网协议数据。点到点协议主要由3 个部分组成：封装、链路控 制协议( l c p ) 、网络控制协议( n c p s ) 。 t c p i p a j d p ：这3 种协议定义了大部分基于因特网和网络相关的通信以及其他类型计算 设备和外围设备之间的通信。 对象交换协议：这里的对象指的是网络中传输的数据，对象交换协议主要是用来实现不 同设备问的数据对象的交换。 无线应川协议：在数字蜂窝电话和其他小型无线设备上实现因特网业务。 2 2 蓝牙系统组成 蓝牙系统一般由4 部分组成：无线射频单元、链路控制( 硬件) 单元、链路管理( 软件) 单元 7 及监牙软件结构和协议体系单元，如图2 - 2 所示。 从无线射频到l 2 c a p 层的蓝牙规范的核心协议，属于蓝牙传输部分协议，也是低层协 议。蓝牙系统的低层功能包括空中的协议和信息处理并在如图2 2 所示的蓝牙模块中执行。 图中有关主机i o 接口部分处于主机控制接口( h a ) 部分。 蓝牙设备代表一套完整的物理实体( 如笔记本电脑、数字电话等) ，并可以利用蓝牙无 线技术实现通信。 图2 - 2 蓝牙系统组成框图 f i g 2 - 2b l o c kd i a g r a mo fb l u e t o o t hs y s t e mc o m p o s i t i o n 2 2 1 无线射频单元 对于无线通信系统而言，射频部分就是通信系统的“空中接口”，不同厂商的设备要实 现兼容或者互操作的基本要求就是射频规范的统一而且通信质量也是由射频来决定。蓝牙 射频规范规定了蓝牙射频频段、调制方式、调频频率、发射功率、接收机灵敏度等参数。蓝 牙的无线射频单元负责数据的发射和接收，特点是短距离、低功耗、体积小、重量轻。 蓝牙系统采用全向天线，支持点到多点的通信，使得多台蓝牙设备可以分享网络资源： 支持终端的移动性，更容易查询和发现设备。信号传输不受视距的影响易于组网。 蓝牙射频采_ h ；i 的调制方式为高斯滤波二进制频移键控( g f s k ) 。码元带宽积b t = 0 5 ，调 制指数h = 0 2 8 0 3 5 。蓝牙射频数据速率为1 m b p s ，最小频偏不小于1 1 5 k h z ，过零误差小于 1 8 码元周期。二进制1 用正频偏表示，0 用负频偏表示。 监牙技术的无线单元其实就是一个蓝牙无线收发器，它是任何蓝牙设备的核心，包含有 天线控制开关、中频振荡、中频滤波、压空振荡器、频率合成器以及调制解调器等电路，完 成信息的跳频扩频与解扩功能。无线收发器芯片是蓝牙芯片的一部分，其价格、体积、功耗 都是决定监牙技术能否得到更广泛应用的重要指标。蓝牙规范定义了3 种不同功率级别的监 牙无线收发器，一级功率蓝牙设备发射功率为1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) 二级功率蓝牙设备发射功 率为2 5 m w ( 约4 d b m ) ，三级功率蓝牙设备发射功率为l m w ( 叫b m ) ( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s t g r o u p ，2 0 0 1 ) ： 8 2 2 2 链路控制单元 蓝牙链路控制单元，进行射频信号与数字或语音信号的相互转换，负责处理基带协议和 其他一些低层常规协议，具体完成的功能有网络建立、差错控制、验证和加密等( 张禄林， 2 0 0 1 ) 。 ( 1 ) 网络建立 微微网建立之前，所有蓝牙设备均处于等待状态。在此状态下，设备每隔1 2 8 s 监听一 次信息，设备一旦被唤醒，将在预先设定的3 2 个跳频频率上监听信息。连接过程由主设备 初始化若一个设备的媒体访问控制地址( m a c ) 已知，就用寻呼信息建立连接；若m a c 未知，则用寻呼查询信息建立连接。在初始寻呼状态，主设备在发送1 6 个跳频频率上发送 一串相同的寻呼信息给从设备，若未收到应答，主设备就在其他的1 6 个跳频频率上发送寻 呼信息。当所需从设备应答后即建立连接。 蓝牙基带技术支持a c l 和s c o 两种连接方式。在同一个微微网中，不同的主从设备可 以采用不同的连接方式而且在一次通信中，连接方式可以改变。每一种连接方式支持1 6 种不同的分组类型，其中控制分组4 种，为a c l 和s c o 通用的分组。两种连接方式均采用 时分双工通信。a c l 支持对称和非对称两种传输流量同时还支持广播信息。在a c l 方式 下，主设备控制链路带宽并负责从设备带宽的分配，从设备按轮询发送数据。s c o 为对称连 接，支持实时语音传输，主从设备无需轮询即可发送数据。s c o 的分组既可以是语音也可以 是数据。当发生中断时，只有数据部分需要重传。 ( 2 ) 差错控制 基带控制器采_ h j3 种纠错方式：1 3 前向纠错编码( f e c ) ，2 3f e c 和自动请求重传 ( a l t o ) 。采用f e c 编码的目的是减少数据重发的次数，但在无差错环境下，f e c 校验位失 去作用而且降低了数据吞吐量，因此业务数据是否加f e c 检验应视具体情况而定。对于含有 重要连接信息和纠错信息的分组报头应始终采用1 3f e c 校验码进行保护传输。对于需在发 送后的下一时隙给出确认的数据传输，使用a r o 方式。 ( 3 ) 验证与加密 验证与加密服务由物理层提供。验证与加密采用口令，应答方式，在连接过程中，可能需 要一次验证或两次验证，或无需验证。验证对任何一个蓝牙系统都是重要的组成部分，它允 许h j 户自行添加可信任的蓝牙蹬各。蓝牙系统采用流密码加密技术，适于硬件实现。密匙长 度可以是0 、4 0 、6 4 或1 2 8 位，蓝牙设备在每次建立链路时都要核对密匙。通信时该密匙用 于鉴权和加密。密匙由高层软件管理。蓝牙安全机制的目的在于提供适当级别的保护，如果 用户有更高级别的保密要求，可以使用有效的传输层和应_ f ；i 层安全机制。 2 2 3 链路管理单元 链路管理单元主要负责链路的软件管理部分，它主要执行链路设计、鉴权、配置和蓝牙 9 设备建立连接所需要的其他工作。实际上，链路管理单元是通过蓝牙链路管理协议( l j k m a n a g e rp r o t o c o l ，l m p ) 在运行相同的链路管理软件的蓝牙设备之间管理它们的通信的。链 路管理的软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其他一些协议。链路管理 模块能够提供如下服务：发送和接收数据；请求名称，能有效的查询和报告名称或者长度最 大可达1 6 位的设备i d ；链路地址查询；建立连接；鉴权；链路模式协商和建立，比如数据 模式或者话音数据模式：决定帧的类型：将设备设为监听模式、保持模式或者休眠模式。链 路管理单元要完成它的软件管理工作必须要使用下一层的链路控制单元的硬件提供的服务， 如| 生l2 3 所示( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s t g r o u p ，2 0 0 1 ：蒋群等2 0 0 3 ) 。 图2 - 3 链路管理 f i g 2 - 3l i n km a n a g e m e n t 2 2 4 软件( 协议栈) 单元 蓝牙软件系统是按照实现各种过程和进程的标准化协议编写的。蓝牙软件系统应该具有 互操作性，蓝牙计划的目标就是要确保任何带有蓝牙标记的设备都能进行互相的通信。蓝牙 设备之间要实现且通互迮，这要包括硬件和软件两个方面。软件的互通性始于链路级协议的 多路传输、设备和服务的发现，以及分组的分段和重组。蓝牙设备之间必须具备能够彼此识 别的功能，并通过安装合适的软件识别出彼此支持的高层功能。互通性要求采用相同应j 【f j 层 协议。 蓝牙软件体系是一个独立的系统。不与任何操作系统捆绑。它符合已经制定好的蓝牙规 范。蓝牙规范主要分为两部分：第一部分是核心( c o r e ) 部分，主要是用来规定诸如射频、 基带、链接管理、业务发现、传输层以及与不同通信协议间的互朋、互操作性等的组件；第 二部分是麻川规范( p r o f i l e ) 部分，用以规定不同蓝牙应用所需的协议和过程。分别完成数 据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业 务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e q o s ) 、协议的复川和分用等功能。蓝牙软件系统的主要功能有： 配置及故障诊断、自动识别其他蓝牙设备、电缆仿真、与外网设备的通信、音频通信与呼叫 1 0 控制和商用卡的交易及号簿网络协议等。 蓝牙设备依靠专用的蓝牙微芯片使设备在短距离范围内发送无线电信号，以寻找另一个 蓝牙设备。一旦找到，相互之间便开始通信。蓝牙系统的通信协议大部分可用软件来实现。 2 3 蓝牙关键技术 蓝牙技术是利用射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 频段在半径3 0 f t ( 约9 m ) 范围内建立点 到点和点到多点连接，承载语音和数据传输业务。对互相通信的两个设备而言，每个设备都 必须包含一个蓝牙无线收发器。无线收发器遵循完全一致的规范发送信号和接收信号，因此 可以无需修改而在世界上任何地方使用。蓝牙技术基于时分复用与跳频扩谱原理，将电路交 换与分组交换相结合，适用于语音传输和数据传输，既支持对称的实时同步链接，也支持不 对称的非实时异步链接。下面介绍几种蓝牙技术中起着重要作用的关键技术( n a t h a nj m u l l e r 2 0 0 1 ，蒋群等，2 3 ) 。 2 3 1 射频特性 在有线世界中，两个设备要相互通信，必须要建立正确的连接，正确的连接包括物理连 接止确利使川止确的协议。在监牙技术中通过制定所有蓝牙设备共同遵循的通信标准、减少 选项数目，连接从理论上变得更加简单，成本也更低。蓝牙标准的第一部分规定所有设备通 过特定的射频频点连接。用预先规定的无线r f 连接替换各种物理连接。 蓝牙的载频选用全球通用的2 4 g h zl s m ( i n d u s b i a ls c i e n t i f i cm