（信号与信息处理专业论文）蓝牙无线键盘鼠标的研制.pdf

两北t 业人学颅f 论譬磕牙无线键盘鼠标的研制 摘要 蓝牙是一种先进的无线通讯技术，应用于无线键盘鼠标有很好的前景。但是 市场上的蓝牙无线键盘和鼠标产品价格昂贵，本文阐述了以低成本为目标的蓝牙： 键盘鼠标产品解决方案。 由于目前常见的蓝牙键盘鼠标设备控制器都是用嵌入蓝牙核的a s i c 芯片实 现，所以实现复杂而且价格昂贵，而文中设计独辟蹊径：用一片5 l 单片机作键 盘和鼠标的微控制器，兼作控制蓝牙模块的主机，充分发挥了5 1 单片机的性能， 实现了低成本设计，具有一定实用性和创新性：p c 机端软件则设计为运行在后 台的应用程序，接收u s b 接口数掘并进行处理，以模拟键盘鼠标功能，这一设 计简单易行，思路巧妙。 本文提出了蓝牙键盘鼠标系统的三种解决方案，其中重点介绍了本课题蓝牙 键盘鼠标系统方案及其具体研制过程，包括：总体方案设计、开发环境介绍、系 统电路设计、键盘鼠标微控制器软件设计、p c 机端软件设计和系统制作及调试 等。本课题是对蓝牙无线通信技术应用在计算机外设的一次成功探索完整地实 现了蓝牙无线键盘鼠标的系统研制工作，为实现下一阶段更成熟的产品作了理论 和实践土的准备。 关键字：蓝牙技术，无线键盘鼠标，u s b 接口 阿北t 业人学坝l 论文i ：j ：牙光线键盘鼠杯的酬制 a b s t r a c t a sak i n do fa d v a n c e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , b l u e t o o t hh a sv e r y g o o dp r o s p e c t st ot h ew i r e l e s sk e y b o a r dm o u s e t h ep a p e rh a sd e s c r i b e dt h ei n t a c t s o l u t i o no ft h eb l u e t o o t hk e y b o a r dm o u s e p r o d u c t sa tl o w c o s t t h ea s i c c h i pe m b e d d e dw i t h b l u e t o o t hi su s u a l l ye m p l o y e da sk e y b o a r dm o u s e e q u i p m e n tc o n t r o l l e r a t p r e s e n t ，s o t h a ti s c o m p l i c a t e da n de x p e n s i v e t or e a l i z e n o t e w o r t h i l yan e ws t y l eo fd e s i g ni sd e v e l o p e d i nt h ea r t i c l e ：a5 1m c ui se m p l o y e d a sk e y b o a r dm o u s e e q u i p m e n tc o n t r o l l e rw h i l ec o n t r o l l i n gb l u e t o o t hm o d u l ea sh o s t ， w h i c h g i v ef u i lp l a yt o5 1m c ua n dm a k et h ep r o d u c ta tl o wc o s t t h ed e s i g nh a ss u r e p r a c t i c a b i l i t ya n di n n o v a t i v e ；t h es o f t w a r eo fp c e n di sd e s i g n e da so p e r a t i n gi nt h e b a c k s t a g e ，w h i c hr e c e i v e sd a t af r o mu s bi n t e r f a c et os i m u l a t et h ef u n c t i o no ft h e k e y b o a r da n d m o u s e t h ed e s i g ni se a s y , t h et h o u g h ti si n g e n i o u s t h r e ek i n d so fs o l u t i o n so ft h eb l u e t o o t hk e v b p a r dm o u s es y s t e mw e r ep u t f o r w a r di nt h ep a p e r , a m o l a gt h e mt h es o l u t i o ns e l e c t e di nt h es u b c o tw a se s p e c i a l l y i n t r o d u c c d w h i c hi n c l u d e so v e r a l i c o n c e p t u a ld e s i g n 、d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i n t r o d u c e 、s y s t e mc i r c u i td e s i g n 、k e y b o a r da n dm o u s ec o n t r o l l e rs o f t w a r ed e s i g n 、 p ce n ds o f t w a r ed e s i g na n ds y s t e md e b u ge t c t h es u b i c c ti sas u c c e s s f u ia t t e m p tt o a p p l y b l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt oc o m p u t e rp e r i p h e r a l t h e s y s t e md v e l o p m e n tw a sc o m p l e t e l yr e a l i z e d ，a n dw h i c hm a k et h ep r e p a r a t i o no f t h e o r ya n dp r a c t i c ef o rt h en e x ts t a g er i p ep r o d u c t k e y w o r d s ：b l u e t o o t h , w i r e l e s sk e y b o a r d a n dm o u s e ，u s b i i 两北丁业人学顾一i j 论文醢牙无线键盘鼠标的研制 第一章引言 1 1 课题技术背景 现代人的生活中，越来越多的电子设备进入生活的每一个角落。现代化电子 设备给人们带来无与伦比的效率与方便的同时，也给许多人带来了麻烦：每台电 脑的背面，都是一大堆各种各样的接口，各种各样的电缆将许多设备连成个系 统，正确地连接它们非常繁琐。 近几年，微电子技术的不断进步推动了计算机和通信设备的普及和发展，一 些电子消费产品，如p c 电脑、掌上电脑、手机通讯、无绳电话等进入了人们的 学习、生活和工作中，成为人们生活中不可缺少的一部分。然而这些设备之问的 数据传送往往通过电缆进行，限制了使用的灵活性。因此，人们希望有种能够 取代电缆的短距离无线连接技术，以解决这个问题。在这种需求推动下，“蓝牙 ( b 1 u e t o o t h ) ”应运而生了。蓝牙技术的出现和发展推动和扩大了无线通信的应 用范围，使网络中各种数据和语言设备可以通过极其便捷的方式进行相互通信。 蓝牙是一种全新的无线数据交换技术，使各种电子设备与家用电器融为一体，将 给人们的生活与工作带来全新的感受。蓝牙理论数据传输速率i m b p s ( 实际传输 速率为7 2 1 k b p s ) 、最大传输距离为1 0 米，通过增加发射功率可达到1 0 0 米，蓝 牙技术的功耗很低，多用在消费类电子产品上如p d a 、笔记本电脑、手机通讯、 无线键盘、无线鼠标等等。 键盘鼠标无疑是我们操作电脑时使用最频繁的部件，是我们与电脑之间的接 口，而无线键盘鼠标则使我们的工作快捷，不受电缆限制。目前市场上无线键盘 鼠标产鼎所采用技术以使用i r d a 为最多，其次是蓝牙等无线射频技术。本课题 是将蓝牙技术应用在无线键盘和鼠标的有益尝试，是对传统无线键盘鼠标的技术 改进。传统无线键盘鼠标一般采用射频及红外传输技术，都存在一些缺陷。经试 用，采用普通射频技术的无线键盘，使用前，需要对码，这是防止无线电干扰的 必要措施，例如，某些家电、无绳电话、微波炉等，都可能会干扰无线键盘的工 作。使用红外技术的无线键盘只能在小范围，窄角度，以对准一发射的方式与接受 方建立连接，使用时也存在颇多不便。而蓝牙技术为了保证在嘈杂的无线环境中 安全可靠地工作，特别设计了“跳频”方案能确保链路的稳定。 目前市场上已经有以罗技和微软为代表的公司生产的蓝牙无线键盘及鼠标 县产品，这些产品大都采用：p c 机的u s b 接口接一个蓝牙无线接入点，键盘鼠 标设备内嵌一个具蓝牙核的a s i c 芯片的方案，有效使用范围为1 0 米，没有方向 性限制，穿透性好，使用起来很方便，但价格极为昂贵，零售价大都在人民币 1 0 0 0 元以上，以至市场反应平淡。普及蓝牙产品的关键是降低蓝牙：设备成本， 因此，本课题的目标是研制一种低成本的、实用的蓝牙无线键盘鼠标组合设备产 品。并通过蓝牙键盘鼠标系统的研制，为蓝牙技术应用于更多领域作好理沦和实 践的准备。 西北工业大学坝j 论止 蕊牙无线键盘鼠标的研制 1 2 蓝牙技术优势 目前短距离无线通信技术主要有同样工作在2 4 g h z 频段上的蓝牙、 i e e e 8 0 2 i i b ，h o m e r f ，另外还有红外技术。下面针对它们的特点分别进行比较。 i e e e 8 0 2 1 l b 最初是以支持在大工作区内实现无线漫游为目的开发的它支 持l o 个到1 0 0 个接入点。最重要的应用是实现高质量的数据网络，例血文件或 i n t e m e t 共享。也因为i e e e 8 0 2 1 1 的高可靠性，使它的成本比其它技术要高。另 外，8 0 2 1 i b 对语音支持十分有限，目前质量很差。因此，对那些只想使用单 一无线网络技术来满足他们需求的用户来说，i e e e 8 0 2 1 1 还不能满足。 h o m e r f 系统在2 4 5 g h z 频带扩展频谱上以5 0 跳，秒速率跳频。从一丌始设 计上就是为了满足消费者在家庭网络上的需求。除了提供良好的服务质量外，简 单、保密、易用是很显著的特点。在家庭网络上，h o m e r f 是消费者合适的选择。 与无线电射频技术相比，红外线系统的工作原理要简单得多，它的特点是结 构简单、成本低、方向性好，所以目前红外系统的应用也很广泛，但也有很多缺 点，比如距离有限、方向限制等。 蓝牙技术与i e e e 8 0 2 1 l b ，h o m e r f 两种技术不同，它具有一整套全新的协议， 可以应用于更多的场合。蓝牙技术中的跳频更快，因而更加稳定同时它还具有低 功耗、低成本和比较灵活等优点。蓝牙没有方向的限制，它以其良好的智能性和 全方位性战胜了红外技术，并以其低廉的产品价格战胜了i e e e 8 0 2 1 l b 技术。 1 3 课题的工作简介 在本课题中首先提出几种蓝牙键盘鼠标系统解决方案，并对其实现原理分别 进行详细介绍，提出了自己的三种新颖的解决方案，对三种方案优缺点进行了分 析，本课题最终选择了第三种方案进行设计。 本课题产品的组成和元件：键盘鼠标外壳采用已有的金积嘉公司( j e e j a ) w l 0 2 特殊键盘的外壳，这是一个带轨迹球的键盘，是键盘鼠标组合设备。p c 机 端使用爱立信r o k l 0 1 0 0 7 蓝牙模块接收键盘鼠标数据，而键盘鼠标设备用 r o k l o l 8 蓝牙模块发送键盘鼠标数据，5 l 单片机作为键盘鼠标的微控制器并兼 作r o k l 0 1 0 0 8 的控制主机，控制蓝牙模块收发数据本课题最终成功开发出一个 完整的无线键盘鼠标系统，使用效果较好。课题成功实现的技术要点有； 键盘鼠标设备端蓝牙芯片的控制包括了对键盘鼠标设备端蓝牙模块的 初始化及操作蓝牙模块进行数据收发。 通过计算机u s b 口控制p c 主机端蓝牙模块进行数据通信。 键盘功能的实现。包括键盘矩阵的扫描，重复键的处理等。 鼠标功能的实现，包括鼠标位移的纪录，移动方向的判断。 p c 机端对接收到的键盘鼠标数据在操作系统中的处理。 协调和实现一个键盘鼠标数据从单片机采集、编码、交给蓝牙模块发送， 到p c 机端接收、处理、并交给操作系统的完整的过程，即完善软件协议 栈的问题。 2 西北t 业人学倾j + 论文蓝牙光线鼬盘鼠标的研制 第二章蓝牙无线通信技术 本课题首先提出蓝牙技术应用于无线键盘鼠标的模型。为了后续讨论的方便， 在本章对蓝牙技术作简要的介绍。 2 1 蓝牙技术概述 随着计算机网络和移动电话技术的迅猛发展，人们越来越迫切需要发展一定范 围内的无线数据与语音通信。大范围全球范围的无线通讯有g s m 、c d m a l x 、3 g 网络，中短距离有i e e e 8 0 2 1 1 ，h o m e r f , 及蓝牙( b l u e t o o t h ) 。 以爱立信为首，由五家i t 界巨人e r i c s s o n ，t o s h i b a ，i b m i n t e i 和n o k i a 于 1 9 9 8 年5 月共同提出了一种近距离无线数字通信的技术标准，旨在创立一项软硬 件结合的公开规范，为所有不同设备提供具备互操作性、可交叉开发的工具、这 个工具便是蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 。此后，微软、3 c o m 、朗讯和摩托罗拉加入进 来，成为“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 ) 的9 个领导成员。 目前，加盟的公司已超过2 0 0 0 个，其中包括许多世界著名的计算机、通信、家电 业厂商以及汽车、照相机制造商。 “蓝牙”名称的由来众说纷纭，有一种说法是：这个称呼来自公元1 0 世纪丹 麦的一位国王v i k i n g 的绰号b l u e t o o h 。这位国王将当时的瑞典、芬兰与丹麦成功 地统一了起来。今天用他的名字来命名这一新的技术标准，显然含有将计算机行 业、通信行业、家电行业等各自为战的局面统一起来的希冀。 蓝牙是一种开放性的技术规范，它具有如下技术特性： 1 1 蓝牙技术的刀：放性 蓝牙技术是由不同的厂商共同发起的技术协议，它是完全开放的。它可以被任 何加入蓝牙s i g 的厂商无偿使用。为了保证不同厂商生产的蓝牙产品的互通性， 蓝牙s i g 制定了一套完整严格的测试程序，只要厂商生产的蓝牙产品通过蓝牙s i g 的测试并符合蓝牙标准后，即可投入市场。 2 1 短距离 蓝牙无线通信技术距离较短( 一般为1 0 m ) ，消耗供功率较低，所以更适合小 巧的、便携式的并由蓍电池供电的个人装置。 3 1 无线通信方式 蓝牙技术主要面向网络中的各种数据及语音设备，如p c ，拨号网络，笔记本 电脑，h d c ，p d a ，打印机，传真机，数码相机，移动电话，商品质耳机等。蓝 牙通过无线的方式将它们连成一个围绕个人的网络，省去了用户连线的烦恼，在 各种便携设备之间实现无缝的资源共享。 4 ) 蓝牙产品的互操作性和兼容性 蓝牙产品在满足蓝牙规范的前提下，还必须通过s i g 的认证程序 ( q u a l i f i c a i o np r o g r a m m ) ，只有通过了认证程序，才能走向市场。这样就保证了即 使是不同公司的蓝牙产品，也可实现互操作和数据共享，达到完全兼容的目的 西北工业大学颂 地文 虢牙无线键盘鼠标的研制 5 1 语音和数据 蓝牙无线通信同时支持语音和数据传输。 6 ) 人体安全问题 随着无线技术的发展，辐射也成了消费者非常关心的问题。由世界卫生 组织、 e e e 等专家组成的小组表示，检测中并未发现蓝牙产品的辐射对人体行影 响。蓝牙产品的输出功率仅为l m w ，是微波炉使用功率的百力1 分之，也远比移 动电话功率小。 7 ) 工作于世界的任何地方 蓝牙工作在全球通用的2 4 g h z 工业、科学、医学免付费、免申请的无线电频 段，所以无论身在何处，利用蓝牙无线通信的设备不需考虑频率受限制的问题。 另外，蓝牙的短距离无线技术是一种非常理想的替代电缆的技术，蓝牙规范 明确定义了一种无线传输方式用来替代串行电缆。此项技术可用来替代那些与计 算机外设的连线( 包括打印机、扫描仪、键盘、鼠标及其它) 。 2 2 蓝牙系统功能单元概述 蓝牙系统由无线射频单元、链路控制单元( 基带) 、链路管理、软件功能等功 能单元组成。 1 无线射频单元 蓝牙工作的频段上存在着来自微波炉、无线局域网等各种无线设备的干扰。 蓝牙采用了跳频扩谱技术主动地去避免干扰，我国的蓝牙射频频段最低频率 2 4 0 2 g h z ，最高频率为2 4 8 g h z 。频率中心频点的间隔为1 m h z ，跳频频点数7 9 个，上、下保护频带分别为3 5 m h z 和2 m h z 。 蓝牙设备根据发射器的功率大小分为3 个功率级别。级别1 的蓝牙设备发射功 率为1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) - 级别2 的蓝牙设备为2 5 r o w ( 约4 d b m ) ：级别3 的蓝牙设 备为l m w ( 0 d b m ) ，典型蓝牙设备都属于这一级别。系统的设计通信范围为1 0 c m 到1 0 m ，但是通过增大发射功率可以将范围扩大至l 00m 。 2 基带 基带中描述数字信号处理的硬件是链路控制器，基带链路控制器负责处理基带 协议和其他一些低层连接规范。包括： ( 1 ) 建立网络连接 蓝牙基带技术支持两种连接类型：同步面向连接s c o ( 主要用于传送语音) ，异 步无连接a c l ( 主要用于传送数据包) 。 ( 2 ) 差错控制 蓝压基带控制器有三种纠错方案：i 3 比例前向纠错码、2 3 比例l ；i 向纠锚码 和数据的自动请求重发方案。 ( 3 ) 鉴权和加密 3 链路管理 “m 谁悱“ 见毫丸”肚功率的荦协d h m 与m 的换算芙系足：x ( m - ) 等效r 1 0 i g x ( d i ；_ ) 两北t 业犬学f i j ；l 【：论文蓝牙光线镪盘鼠标的研制 链路管理( l m ) 软件模块携带了链路的建立、鉴权、键路硬件配簧和其他些 协议。l m 能够发现其他远端l m 并通过链路管理层协议与之通信。i 。m 提供这样一 些服务：发送和接收数据、设备号请求、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路 模式协商和建立( 比如数据模式或者语音模式) 、决定帧的类型、改变设备模式 ( s f l i f f 模式、h o l d 模式，暂停模式) 。 4 软件结构 蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求。蓝牙设备必须能够相互识别并装 载相应的软件以支持设备更高层次的性能。 2 3 蓝牙协议体系 s i g 所颁布的蓝牙规范( s p e c i f i c a t i o no ft h eb l u e t o o t hs y s t e m ) 公粕了蓝 牙无线通信协议标准。到目前为止，s i g 颁布了蓝牙规范1 0 、1 0 b 和1 ，l 三个版 本，蓝牙规范给出了实际应用所应遵循的标准和需要达到的要求，对于具体的实 现方法交出歼发人员来决定，这样就可以增加产品的市场竞争能力。 蓝牙规范的核心部分就是协议栈。这个协议栈允许设备定位、互相连接并彼此 交换数据，从而在蓝牙设备间实现互操作性的交互式应用。下面简述蓝牙侨议栈 的主要组成部分，分析协议栈不同层之间的联系。 在蓝牙的协议规范之中，遵循开放系统互连参考模型( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c e dm o d e l ，o s i ，r m ) 从低到高地定义了蓝牙协议堆栈的各个 层次。蓝牙协议堆栈如图2 ，1 所示。 射壤( r r d l o )4 l 一一 图2 1 蓝牙协议堆栈 s i o 在制定蓝牙的协议堆栈时，一个重要的原则就是，高层尽量地利用已有的 协议，而不是对于不同的应用去定义新的协议。所以蓝牙协 义堆栈中的许多协议 并不是蓝牙规范所特有的，而是已经应用成熟的协议。还有一些协议是s i g 基于 其它协议修改而成的，如串口仿真( r f c o m m ) 和电话控制协，；s t ( t e l e p h o n ec o n t r o l p r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n ，t c s ) 。 两北t 业人学硕i 论文旋牙无线键盘鼠标的研制 蓝牙协议体系可以分为四层，包括核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协 议层和选用协议层，每一层包括一些具体的协议： 核心协议：基带、链路管理协议( l m p ) 、逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 、 服务发现协议( s d p ) ； 替代电缆协议：串行电路仿真协议( r f c o m m ) ； 电话控制协议； 选用协议：点到点协议( p p p ) 、用户数据报传输控制协议互联网协议 ( u d p t c p i p ) 、目标交换协议( o b e x ) 、无线应用协议( w a p ) 、无线应用环 境( m e ) 等。 蓝牙协议栈中，不是所有的应用都必须使用全部协议，可以只采用部分纵向协 议，利用特殊的服务来支持主要应用。蓝牙核心协议中的低层传输协议是蓝牙无 线技术的专有协议，是由蓝牙s i g 开发出来的。低层传输协议是绝大部分蓝牙设 备都需要的协议。下面对蓝牙低层传输协议作简要地介绍。 2 4 蓝牙低层传输协议 蓝牙低层传输协议由射频、基带、链路管理( l m p ) 等三部分组成。从应用的角 度看射频、基带和l m 归为蓝牙的低层协议，它们的功能包括空中的协议和信 号处理，对应用是透明的。蓝牙低层传输协议软件堆栈位置如图2 2 虚线所指示。 下面一一作介绍。 图2 2 蓝牙低层传输协议堆栈 2 4 1 无线射频 蓝牙收发机是调频扩展频谱( f h s s ) 的无线系统，在m 个1 m h z 带宽的信道 6 两北t 业人学坝l 一论义蓝牙光线键盘鼠标的晰制 上运行，大部分国家m = 7 9 ，一些国家m = 2 3 信道由在7 9 或2 3 个射频信道上跳变 的伪随机跳变序列来表现。跳变序列对同一个微微网来说是唯一的。 信道被分为许多时隙，每个时隙对应一个跳频频道。时隙长度为6 2 5 (蓝牙,us 的跳频速率为每秒钟1 6 0 0 次，每个频率持续的时间为1 1 6 0 0 = 6 2 5 “s ，称为一个 时隙) 。时隙按照微微网的主设备时钟进行编号，编号从0 至2 2 7 1 ，并且以周期 2 ”循环。同一微微网内的主、从设备单元之间按照时分双工m e d i v i s i o n d u p l e x e r t d d ) 机制进行数据传输，主单元仅在偶时隙发送，从单元仅在奇时隙发送。通常 分组传输时一个时隙的长度，最多可以扩展到5 个时隙的长度。 2 4 2 链路控制器和基带 蓝牙基带主要功能包括微微网和设备控制功能，如链路连接建立( 呼叫和查 询) 、跳频序列选择、媒体接入控制( 轮询包类型和处理过程以及链路类型) 和功率 模式和安全法则等。蓝牙系统包括两种连接方式。即点对点连接方式和点到多点 连接方式，共享通信信道的蓝牙单元构成微微网。 蓝牙设备发送数据时，基带部分将来自高层协议的数据进行信道编码，向下传 给射频进行发送；接收数据时，射频将经过解调恢复的空中数据向上传给基带， 基带再对数据进行信道解码，向高层传输。 蓝牙链路控制器和基带的位置及其主要功能如图2 3 所示 图2 3 蓝牙链路控制器与基带 蓝牙链路控制器有2 个主要状态：待机( s t a n d b y ) 和连接( c o n n e c t i o n ) 状 态，另外还有7 个子状态：寻呼( p a g e ) 、寻呼扫描( p a p es c a n ) 、查询( i n q u i r y ) 、查 询扫描( i n q u i f ys c a n ) 、主设备响应( m a s t e rr e s p o n s e ) 、从设备响应( s l a v er e s p o n s e ) 7 晤北：r 业人学坝 = 论义蓝牙无线键盘鼠标的研制 和查询响应( i n q u i r yr e s p o n s e ) ，予状态是中间的临时过渡状念。为了从一个状态转 移到另一个状念，可以执行蓝牙链路控制器命令，也可以使用链路控制器内部的 信号。 连接状态是指连接已经建立数据分组可以双向传输的状态。这种状态下，通 信的主从双方都使用主设备接入码和时钟，跳频序列选择为信道跳频序列。可以 使用断开( d e t c h ) 和复位( r e s e t ) 命令从连接状态离开。d e t a c h 命令使正常连接断开， 但链路控制器的所有配置信息仍然有效。r e s e t 命令是硬启动命令，链路控制器的 所有配置信息都要刷新，必须经过重新配置才可以使用。连接状态的设备可以处 于4 个操作模式中的一个，这4 个模式为激活( a c t i v e ) 模式、呼吸( s n i f f l 模式、保 持( h o l d ) 模式和休眠( p a r k ) 模式。 待机状态是蓝牙设备的缺省的低功耗状态，此状态下只有本地时钟在低功率振 荡器精度运行。蓝牙设各可以离开待机状态到寻呼扫描状态，对其他设各的寻呼 进行响应，进入连接状态，成为从设备；或者离开待机状态到查询状态，完成一 个成功的寻呼，进入连接状态，成为主设备。 蓝牙源设备在不知道目的设各地址的情况下使用查询过程，该过程也可以用来 发现辐射范围内的其它蓝牙设备。发起设备广播发送的查询信息不包括源设备的 任何信息，但可指定什么级别的设备进行响应。g i a c 用于查询所有的设备，d i a c 用于对特定类型的设备查询。查询发起设备收集所有响应设备的地址和时钟信息。 只有从设备响应查询操作。主设备在发送查询信息期问监听从设备响应，读取响 应信息后继续发送查询信息。 下面对如下几个重要概念，作简要介绍。 1 ) 编码格式 基带分组的编码序列遵循小端格式( l i t t l ee n d i a n ) ，如图2 4 所示。b o 代表最低 标志位l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i 0 。对应的晟高标志位是m s b ( m o s ts i g n i f i c a n tb i t ) ； l s b 是第一个通过射频发送的数据位，m s b 是最后一个通过射频发送的；l s b 写 在最左边，m s b 写在最右边。基带控制器认为来自高层协议的第一位是b o ，射频 发送的第一比特也是b o 。各数据段( 如分组头、有效载荷等) 由基带协议负责生成， 都是以l s b 最先发送。例如二进制序列b 2 b l b 0 = 0 1 i 中的“1 ”c o o ) 首先发送，最后才 是“o ”( b 2 ) 。 坫b m s b 叵匹叵田 图2 4 编码序列格式 2 ) 物理链路 蓝牙基带支持两种类型的微微网链路：异步无连接链路( a c l ) 和同步面向连接 链路( s c 0 ) 。s c 0 链路是主单元和从单元之间对称的、点到点的链路，传送话音级 的语音，可以视为主单元和从单元之间的电路连接，主要支持语音等限时信息。 a c l 链路是微微网中主单元和所有从单元之间的点到多点链路，主要用于传送异步 数据。 3 ) 基带分组 蓝牙微微网的信道中，数据以分组的形式传输。每个分组由三个部分组成： 两北一r 业大学颂l j 论文蓝牙光线键盘鼠标的研制 接入码( a c c e s sc o d e ) 、分组头( h e a d e r ) 禾l l 有效载荷( p a y l o a d ) 。 4 ) 蓝牙编址 每个蓝牙收发机都分配了一个4 8 位的蓝牙设备地址( b d a o o r ) 。蓝牙设备地址 固定在每一个蓝牙设备上，在全球蓝牙设备中是唯一的。 5 ) 蓝牙微微网 一个微微网最多可以有八个蓝牙设备，其中一个为主单元，即是发起连接的单 元其他被连接的设备为从单元。 2 4 3 链路管理器( l m p ) 链路管理器是运行于蓝牙设备的处理器中的软件，其作用是通过交换信息，对 蓝牙设备间的链路进行设置和控制，以实现对链路的管理。蓝牙射频部分和基带 与链路控制部分有许多性能参数部是可以控制与管理的。如何设置和控制这些参 数，就是蓝牙链路管理器所要完成的任务。 2 5 蓝牙h c i 主机控制器接口 2 5 1 蓝牙主机控制器接口概述 研究蓝牙的主机控制器接口( h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，h c d 之前首先必须明确 蓝牙主机与主机控制器的概念。按照蓝牙协议和高层应用程序的集成方式，蓝牙 设备通常可以分为两种应用模式：单处理器模式和多处理器模式。 当所有蓝牙协议和应用程序都由一块单独的处理器控制实现，称为单处理器模 式这种模式的集成程度高有利于节省成本和减小体积，适用于协议栈和应用 程序简单的应用模型的实现，例如篮牙头戴式设备。多数情况下，蓝牙的低层传 输协议以f i r m w a r e ( 固件) 的形式集成于蓝牙模块中由其中的高性能微处理器控 制，而协议栈的其他部分由另外的处理器控制实现，这种模式称为多处理器模式， 又叫主机主机控制器模式。在多处理器模式中，实现高层协议栈的部分为主机， 蓝牙模块通过相应的接口与之相连，主机控制器f f i o s tc o n t r o l l e r ) 位于蓝牙模块之 中，用来解释从主机接收到的信息并将其正确地发送到蓝牙模块中合适的组件中， 同时收集来自蓝牙模块的数据和硬件固件的状态信息，并根据需要将其传送给主 机。图2 5 显示了一种典型的带有主机控制器接口的设备的系统结构。 两北t 业大学坝卜硷义 蔽牙光线键盘鼠标的研制 l 帆 图2 5 带有主机控制器接口的蓝牙设备的系统结构 主机控制器接口是蓝牙设备开发人员控制蓝牙模块的唯一途径，因而具有非常 重要的地位，为了让不同厂商的蓝牙模块能够互通，s i g 对主机控制器接口的形式 和指令格式都做了相应的规定，这就是蓝牙规范中的主机控制器接口功能规范。 从严格意义上讲，h c i 层协议并不是蓝牙协议栈中的协议，在单处理器应用模式 中，由于不存在主机控制器接口，因而也不存在h c i 层协议。 除了完成数据通信功能之外，h c i 还提供了控制基带与链路控制器、链路管理 器、状态寄存器等硬件资源的功能，为了完成这些功能，h c i 规范中定义了丰富 的功能指令。通过这些h c i 指令，蓝牙设备的开发人员可以完成对蓝牙模块的各 种操作，包括实现基带和链路管理器协议中定义的各种功能。 在蓝牙规范1 1 中定义了三种具体的物理接口上的h c i 传输规范，这三种物理 接口分别是u s b ，r s 2 3 2 和u a r t ，因此这三种接口也是大部分蓝牙模块所提供 的物理接口形式。u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v ea n dt r a n s m i t t e r ，通用异步 收发机) 接口是一种串行接口，事实上它是r s 2 3 2 的一个固有子集。在蓝牙h c i 层的应用上，二者的分别在于：r s 2 3 2 指的是主机和蓝牙模块位于两块不同的电 路板之上，连线距离较长，数据在传输过程中的误码率不能忽略，因此r s 2 3 2 上 使用的h c l 分组格式中使用检错和纠错机制 u a r t 则指的是主机和蓝牙模块位 于一块电路板之上，连线距离短，可以认为数据在传输过程中不会出现误码，因 此u a r t 上使用的h c l 分组格式中没有检错和纠错机制。 2 5 2h c l 分组概述 h c i 是通过分组( p a c k e o 的方式来进行信息交换的。主机和主机控制器间的通 信都以分组的形式进行，每个指令的执行结果信息也都是通过特定的事件分组向 主机报告的。 1 0 两北t 业人学倾 论义蓝牙无线键盘鼠标的研制 主机与蓝牙模块用指令一应答方式进行通信，主机向主机控制器发送指令分 组。主机控制器执行某一指令后，大多数情况下会返回给主机一个指令完成事件 分组( c o m m a n dc o m p l e t ee v e n tp a c k e t ) ，该分组携带有指令完成的信息。有些分组 不会返回指令完成事件，而返回指令状态事件分组( c o m m a n ds t a t u se v e n tp a c k e t ) ， 用以说明主机发出的指令已经被主机控制器接收并开始处理。如果指令分组的参 数有误返回的指令状态事件分组就会给出相应的错误代码。 h c l 分组有三种类型：指令分组( c o m m a n dp a c k e t ) 、事件分组( e v e n tp a c k e t ) ) l l 数据分组( d a t ap a c k e t ) 。数据分组在主机和主机控制器间双向传输，指令分组只能 从主机发向主机控制器，事件分组只能从主机控制器发向主机。主机发向主机控 制器的大多数指令分组，主机控制器都会返回对应的事件分组，说明指令分组的 执行情况。 指令分组用于从主机到主机控制器发送指令，又分为链路控制指令、链路策 略和模式指令、主机控制和基带指令、信息指令、状态指令和测试指令六种。 事件分组用于主机控制器向主机通知各种事件，包括通用事件( 包括指令完成 事件和指令状态事件) 、测试事件和出错时发生的事件( 如缓存刷新f l u s ho c c u r r e d 和数据缓冲区溢出d a t ab u f f e ro v e r f l o w ) 。 数据分组分为异步无连接( a s y n c h r o n i z a t i o nc o n n e c t i o n l e s s ，a c u 数据分组和 同步面向连接( s y n c h r o n i z a t i o nc o n n e c t i o no r i e n t e d ，s c o ) 数据分组两种。 在h c i 规范中，h c l 分组的数据和参数格式遵循如下规则： 除非特别指出，数值采用二进制或十六进制的小端格式( l i t t l ee d i a n ) ”； 除非特别指出，参数值按小端格式( l i t t l ee d i a n ) j 注行收发。； 2 5 3h c l 指令分组 h c i 指令分组的格式如图2 6 所示。 图2 6h c i 指令分组格式 h c i 指令分组由操作码f o p c o d e ) ，参数总长( p a r a m e t e r t o t a ll e n g t h ) 年l j 参数列表 f p a r a m e t e r s ) - - 三部分组成。操作码指令段( o p c o d ec o m m a n df i e l d ，o c f ) * n 操作码组 段( o p c o d eg r o u pf i e l d ，o g f ) 来唯一标识指令分组类型o p c o d e ，总共两字节。参 数总长表示该指令所带参数的长度( 以字节为单位) ，占一个字节。所带参数的列表 取决于各个指令的内容。 “i j 最低柯教位( l e a s ts 均n i f i t i o nb i t ) 。 。乜就是说对十多中节参数屉低位字节首先发送 两北t 业人学硕i 。论文 蓝牙无线键盘鼠标的研制 h c i 指令分组分为六种：链路控制指令、链路策略和模式指令、主机控制和基 带指令、信息指令、状态指令和测试指令。下面介绍本课题中需要用到的一些指 令。 链路控制指令( l i n kc o n t r 0 1 ) 主机控制器在建立和保持蓝牙微微网和散射网时，用链路控制指令对与其他蓝 牙设备的连接进行控制。链路控制指令的o g f 代码都为o x 0 1 。链路控制指令用于 实现包括查询、建立连接、鉴权和加密、交换版本和时钟信息等功能。 链路策略指令( l i n kp o l i c y ) 蓝牙主机控制器提供策略调整机制来支持多种链路模式链路管理器使用链路 策略指令来建立和维持蓝牙微微网和散射网。这些策略指令既能够修改链路管理 器的状态，又能导致蓝牙远程设备链路连接的变化。链路策略指令的o g f 为o x 0 2 。 链路策略指令实现的具体功能包括实现几种低功耗模式闻的切换以及交换链路策 略信息等。 主机控制与基带指令 主机控制器与基带指令提供识别和控制各种蓝牙硬件的能力，涉及如何控制蓝 牙设备、主机控制器、链路管理器及基带，主机可利用这些指令修改本地设备的 行为。主机控制器和基带指令的o g f 为o x 0 3 。这些指令完成的功能包括设露事件 过滤器、刷新数据缓冲区、读写个人识别码、链路密钥管理、交换蓝牙设备名称、 设置定时器参数和流控制等。 信息参数指令 信息参数是蓝牙硬件制造商固化在蓝牙芯片当中的有关蓝牙芯片、主机控制 器、链路管理器、基带等信息，这些信息是只读的，主机不能修改。信息参数指 令的o g f 为0 x 0 4 。 状态参数指令 状态参数是有关主机控制器、链路管理器和基带当前状态的信息。主机不能修 改这些参数( 除复位为指定参数) ，但是主机控制器可以修改。状态参数指令的o g f 为0 x 0 5 。这些参数包括链路质量和接收信号强度指示( r s s d 等。 测试指令 测试指令用于测试蓝牙硬件的功能和设置测试条件。测试指令的o g f 都为 0 x 0 6 。 2 5 4h c i 传输屡及h c i 通信流程 蓝牙主机和蓝牙模块之间总是通过某一特定的物理接口进行通信的，这就是 h c i 的传输层。目前已经定义的蓝牙h c i 传输层的物理接口有通用串行总线 ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 、串行端口( r s 2 3 2 ) 、通用异步收发器( u n i v e r s a l a s y n c h r o n o u sr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e r 。u a r t ) 和个人计算机存储卡国际协会 ( p e r s o n a lc o m p u t e rm e m o r yc a r di n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o n ，p c m c i a ) 卡( 简 称p c 卡) 。下面介绍本课题中要用到的u s b 、r s 2 3 2 和u a r t 传输层，其中u a r t 是 西北t 业大学坝l 论义 蓝牙尤线键盘鼠标的研制 本课题涉及的重点。 u s b 传输层 蓝牙h c i 指令分组、事件分组和数掘分组经过不同的u s b 端点传输，蓝牙u s b 主机可以区分不同的h c l 分组类型，从而做出相应的处理。如图2 7 给出了一个 由p c 机通过u s b 接口控制的蓝牙设备与其他蓝牙设备间的数据通信图。 图2 7h c i 的u s b 传输层 r s 2 3 2 传输层 与蓝牙u s b 传输层不同，对于r s 2 3 2 来说。所有的数据收发都是分别经过r x 和t x 俩条线，蓝牙r s 2 3 2 主机无法区分接收到的h c l 分组究竟是哪一种分组。 所以，通过篮牙r s 2 3 2 主机的h c l 分组必须附加特殊的标志用于区分其分组类型。 这一特殊标志就是蓝牙h c ir s 2 3 2 分组头，它附加于每一种对应的h c l 分组的最 前面。r s 2 3 2 分组头列于图2 8 当中。 h a 分玺黉壁r s l 站分蜘折示器 h c i 指夸分组o x o l h c l a c l 数据分组0 x u 2 h c i s c o 数据分组0 x 0 3 h c i 事件分组0 x 0 4 h c i 钳谩信息分维 0 x 0 3 h c i 坼商分组 图2 8r s 2 3 2 分组头 利用r s 2 3 2 接口进行数据传输之前应该在r s 2 3 2 接口两端的设备双方协商波 特率、奇偶校验类型等接口参数。在实际当中，应该参考所采用的蓝牙模块说明 书，如e r i c s s o n 的蓝牙模块r o k l 0 1 0 0 8 的r s 2 3 2 初始化波特率就是5 7 6 0 0 b p s 。 u a r t 传输层 u a r t 和r s 2 3 2 传输层都采用串行通信方式在蓝牙设备的主机控制器接口之 问进行数据传输。两者间的区别在于应用环境。u a r t 传输层针对的环境是蓝牙：芯 片和主机在同一块印刷电路板上的情况，因此线路误码相对较少：r s 2 3 2 传输层 支持的是蓝牙芯片和位于不同实体中的主机进行通信的情况，距离较远并且具有 西北工业人学坝i j 论文蓝牙无线键盘鼠标的研制 较高线路误码率。 使用h c i 的u a r t 传输层的前提是假设没有线路误码，因而与h