（信号与信息处理专业论文）蓝牙无线通用遥控器的设计.pdf

西北工业人学硕土论文 摘要 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是近年来发展迅速的短距离无线通信技术，可以用来 皆代数字没备间的有线电缆连接，在移动电话和计算机外设等领域有着广阔的应 用前景。 本文对蓝牙技术作了概括性的介绍，分析总结了蓝牙的协议体系结构，并进 一步详细介绍了蓝牙的技术特性和h c i 层传输协议。 在分析蓝牙传输协议的基础上，本文论述了蓝牙模块间h c iu a r t 传输层 数据通信的流程和实现方法，并构建了蓝牙无线通用遥控器。该遥控器由键盘输 入控制信息，并由单片机根据输入的信息控制l c d 的显示和无线数据的发送。 该遥控器能够克服红外遥控器通信距离短、穿透能力差、只能直线传输，只支持 点对点的连接等缺点，因而有望得到实际应用。 关键字：蓝牙技术通用遥控器 a b s t r a c t b l u e t o o t hi sas h o r t r a n g ew i r e l o s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt h a th a s g o tg r e a td e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s i tc a nr e p l a c et h ec a b l e sb e t w e e n d i f f e r e n td i g i t a ld e v i c e s ，a n dh a sg r o a ta p p l i c a t i o nf i e l di nm o b i l ep h o n e a n dc o m p u t e rp e r i p h e r a l s i nt h i sp a p e r ，b l u e t o o t ht e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dg e n e r a l l y ，a n di t s p r o t o c o lc o n s t r u c t i o ni ss u m m a r i z o d t h e nb l u e t o o t ht e c h n o l o g yf e a t u r e s a n dh c ip r o t o c o la r ei n t r o d u c e di nd e t a i l b a s e do nt h ea n a l y s i so fb l u e t o o t hp r o t o c o l ，i ti sd i s c u s s e dh o wt o r e a l i z et h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb l u e t o o t hm o d u l e sa n dh o wt om a k e t h eb l u e t o o t hw i r e l e s sg e n e r a lr e m o t ec o n t r o l l e ru s i n gb l u e t o o t hm o d u l e 。 o nt h i 8r e m o t ec o n t r o l l e t ，m c uc o n t r o l sl c dt od i s p l a yr e l a t e di n f o r m a t i o n a n dc o n t r o l sb i u e t o o t hm o d u l et ot r a n s f e rd a t aa c c o r d i n gt ot h ec o m m a n d s in p u t t e dt h r o u g ht h ek e y b o a r d i tc a no v e r c o m ed r a w b a c k so fi n f r a r e d r e m o t ec o n t r o l l e ri n c l u d i n gs h o r tc o m m u n i c a t i o nr a g e ，r e q u i r i n gv i s i b l e c o m m u f l i c a t i o nc h a n n e l ，o n l ys u p p o r t i n gp c i n t t o p o i n tc o m m u n i c a t i o na n d s oo n 、s ot h ei d e ao fa p p l y i n gb l u e t o o t ht or e m o t ec o n t r o l l e ri sp r o v e d l e a s i b e k e yw o r d s ：b l u e t o o t h ，g e n e r a lr e m o t ec o n t r o l l e r 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 1 i 课题的背景和意义 近年米，随着经济的迅猛发展和科学技术的突飞猛进，人们的生活水平得到 了极大的提高。空调、电视机、电冰箱、洗衣机、微波炉作为普通的家用电 器早已铺天盖地地进入了寻常百姓家。这些家电随着技术的进步，其质量和性能 的提高从没有停止过。然而，人们对家电的要求并不仅限于此，简单方便易操作 是人们追求的另一个目标。因此，为了使用便利，这些家电在销售时通常会附带 有相应的遥控器，如空调遥控器、电视遥控器等等。 目前的遥控器普遍采用的是红外( i n f r a r e d ) 遥控技术以及无线电和声控 技术。其中，红外技术使用8 5 0 n m 的红外光传输语音及数据，能够实现点对点的 简单的数据传送和文件同步。由于它具有结构简单、系统的技术复杂度小、成本 低、方向性好、信息安全性高、可用频率资源多等优点，因此在家电的遥控技术 中确立了主导地位。据估计，目前己有上亿台设备包含了红外端口。然而，红外 技术也有着其固有的缺点。例如，它要求设备之间必须具有无障碍的直线信道， 而且通信范围小，穿透能力差、支持的设备数目少等，因此红外遥控器并不是十 分理想。而无线电遥控器所发出的电磁波容易对其它的电子设备造成干扰。声控 遥控器的缺陷就更加显而易见，它通常所需接收的声音一般都比较尖锐，使人感 觉很不舒服；而且，这种遥控器很容易接收到其它声源所发出的声音，从而引起 误操作。鉴于现有遥控器的种种缺陷，本人的导师提出采用新兴的蓝牙技术来改 善遥控器的性能。 蓝牙是一种短距离的无线通信技术标准，由蓝牙兴趣小组( s i g ) 负责技术 的开发和规范的制定，其目标是在所有移动设备之间以及任何小范围内的各种信 息传输设备、各种电器设备之间建立起无线链接。蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m ( 工 业、科学和医疗) 频段，全球统一，使用者无须申请频段使用权。由于使用跳频、 t d d 和t d m a 等技术，蓝牙的射频电路较为简单，可以用专用集成电路和软件来 实现通信协议的大部分内容，因此其设备技术上的高性能可以得到保证。同时， 监牙技术具有功耗低、操作过程简单、通信距离远、支持设备数目多、不需要直 视信道等优点。 f 是鉴于现有技术在家电遥控技术中的种种缺陷以及蓝牙技术突出的优势 和所带来的巨大的机遇与挑战这两方面的原因，本人的毕设选择了蓝牙通用遥控 器的设计，即将多个家电的遥控功能集于一身，用蓝牙技术实现对遥控信息的传 西北工业人学硕士论文 输。在毕设过程中，本人对蓝牙技术进行了长期、全面地了解和学习，对蓝牙技 术的协议体系结构作了一定的研究，而将蓝牙技术应用于通用遥控器方面的工 作，也是将蓝牙技术应用于实际的一个有益的尝试。 i 2 本人的主要工作 本次毕设的主要内容是在研究蓝牙协议的基础上，利用蓝牙模块设计制作蓝 牙无线遥控器。具体包括以下几方面的工作： 全面了解蓝牙技术规范的协议体系结构，深入研究蓝牙技术的基带和链 路管理器协议，并重点研究蓝牙h c i 层通信协议的内容，掌握通过h c i 指令和事件分组控制蓝牙模块的原理。 研究蓝牙芯片的工作原理，了解其中的射频和基带管理器的基本结构和 实现原理。重点研究爱立信公司的蓝牙模块r o k i o l 0 0 8 的结构和使用方 法，掌握通过h c lu a r t 传输层控制蓝牙模块r o k l 0 1 0 0 8 的过程，包括详 细的初始化、查询、建立连接、发送数据和断开连接等操作的h c i 指令 的使用。 研究i 。c d 的工作原理，了解液晶显示驱动控制器s e d l 5 2 0 f o a 的基本结构 和接口电路，重点研究s e d l 5 2 0 f o a 的级连方法和软件特性，掌握通过单 片机控制l c d 进行相关内容显示的方法，包括汉字字模的提取、l c d 的 初始化、清屏和汉字显示等。在己完成的硬件电路板上，l c d 已能够在 单片机的控制下，根据通过键盘输入的控制信息显示相应的菜单。 研究电源管理方案。由于该遥控器设计采用两节电池进行供电，而 a t 8 9 s 5 2 、蓝牙芯片、液晶显示模块等需要不同的供电电压，女i j + 5 v 、+ 3 3 v 、 一5 v 等，因此需研究解决+ 3 v 电压向+ 5 v ，+ 3 3 v ，一5 v 等的转换问题。在已 完成的硬件电路板上，+ 5 v 电源由升压模块m a x 7 5 6 c s a 提供，一5 v 电压由 m c 3 4 0 6 3 a 提供，+ 3 3 v 由二极管经降压后实现，各种电源模块都能稳定 可靠地工作。 完成遥控器原理图的设计和p c b 的布版设计以及元器件的选型、购买和 焊接，并通过不断的实验和修改，完成硬件电路的调试。 编写和调试相应的单片机程序，包括识别键盘输入信息的程序、控制l c d 显示的程序等，并将软硬件结合起来进行调试。在已完成的硬件电路板 上，单片机里的程序能够正常运行，硬件电路基本能够正常工作。 在软件仿真的环境下完成蓝牙无线通信的相关软件调试。 西北t 业大学硕士论文 1 3 本文的内容安排 本文在内容上做如下安排： 第二章为蓝牙技术概述，对蓝牙技术的产生与发展、蓝牙协议体系结构以及 蓝牙在射频、网络构成、工作模式、扩谱技术、传输方式及连接类型等方面的特 点作了概括性的介绍。 第三章为蓝牙无线遥控器的实现方案。这一章首先给出了遥控器的总体设计 方案，然后分三个部分详细介绍了其中的电源解决方案，键盘及液晶显示器的硬 件设计及相关的软件流程图。 第四章为蓝牙主机控制器接口( h c i ) 。这一章首先对主机控制器接口进行了 概述，然后介绍了h c i 指令及其物理传输层。由于h c i 层是控制和与蓝牙模块进 行数据通信的唯一手段，因此，这部分内容是本课题研究的重点。 第五章为蓝牙无线通信的实现。这一章介绍了设计中所用到的蓝牙模块 r o k i o l 0 0 8 和蓝牙遥控器所使用到的h c i 指令，并最终给出了相关软件的流程图。 西北工业大学硕士论文 第二章蓝牙技术概述 蓝牙是蓝牙特殊兴趣小组( s i g ) 提出的一种短距离无线通信技术规范，近 几年来取得了很大的发展。蓝牙规范分为蓝牙核心协议和蓝牙应用框架两部分， 蓝习：核心协议定义了蓝牙技术的各层协议，蓝牙应用框架给出了实现具体的蓝牙 应用产品的方案和要求。由于蓝牙具有体积小、功耗低等众多优势，它几乎可以 被集成到所有数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和 便携设备，因而有着广阔的发展前景。 2 1 蓝牙技术的产生与发展 人类在数字设备方面取得了巨大的成就，但越来越多的数字设备带来了日益 显著的连线烦恼，各种设备间的数据线缆常常将家庭和办公室搞得乱七八糟，开 发一种无线电缆替代技术是解决这一问题的根本途径。另一方面，广域范围内的 无线技术移动电话的迅速发展正带给人们前所未有的便利和自由，而将无线 技术应用在局域网范围内的数字设备上则可以实现数字设备间方便的互连，扩展 数字设备的功能和应用范围。事实上，已经有一些家庭和办公室范围内的无线通 信技术得到了很好的应用。例如，红外技术在家电遥控器上得到了广泛的应用， 并且在笔记本电脑和p d a 上也得到了应用。但是，以往的短距离无线通信技术 都无法从根本上解决上述问题。在这一背景下，蓝牙技术被提出并且成为了解决 这些问题的有效方案。 蓝牙技术诞生于1 9 9 4 年，当时爱立信移动通信公司着手研究在移动电话及 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信技术 命名为b l u e t o o t h 。随着项目的进展，爱立信公司意识到短距离无线通信的应用 范围几乎无限广阔，并且它在此领域内的研究也逐渐受到了其它的一些大公司的 注意。最终于1 9 9 8 年5 月，由爱立信、诺基亚、英特尔、i b m 和东芝5 家公司 一起成立了蓝牙特殊兴趣小组s i g ( s p e t i a li n t e r e s tg r o u p ) ，负责蓝牙技术标准 的制定、产品的测试以及协调各国蓝牙使用的频段。后来，3 c o m ，朗讯、微软 和摩托罗拉加盟爱立信特殊兴趣小组，形成了蓝牙倡议者小组，与s i g 的五个创 始公司一同成为s i g 的九个发起者。1 9 9 9 年7 月，s i g 推出蓝牙规范1 0 版；1 9 9 9 年1 2 月，推出蓝牙规范1 0 b 版；2 0 0 1 年4 月，又推出了蓝牙规范1 1 版。 自蓝牙规范1 0 版推出之后，蓝牙的推广与应用得到了飞速发展。到目前， s i g 的成员已经超过2 5 0 0 个。从2 0 0 0 年初蓝牙芯片发售以来，目前已有多家公 司生产蓝牙芯片组或模块，而各种集成有蓝牙技术的产品也纷纷面世，这些产品 不仅描绘了蓝牙广泛的应用领域，而且还预示着蓝牙不久将步入大规模的实际应 4 西北工业人学硕士论立 用阶段。综合多家市场研究机构的研究预测，到2 0 0 4 年，世界上采用蓝牙技术 的设备将超过4 亿台，商机无限。蓝牙技术已经成为近几年增长最快的无线通信 技术，而且必将在不久的将来渗透到我们生活的各个领域。 2 2 蓝牙规范概述 蓝牙规范包括核心协议( c o r e ) 与应用框架( p r o f i l e s ) 两个部分。核心协议 部分定义了蓝牙的各层通信协议。应用框架指出了如何采用这些协议实现具体的 应用模型。由于新的应用模型和市场需求总是不断出现，因而蓝牙的应用框架也 在不断地扩充。 2 , 2 1 蓝牙核心协议 蓝牙核心协议文件从低到高定义了蓝牙协议栈，如图2 1 所示。其中，高层 除了s i g 本身定义的协议以外，还尽量利用了已有的成熟协议，如t c p i p ，或 基于其它协议修改而成的协议，如串口仿真协议( r f c o m m ) 和电话控制协议 ( t c s ) 等。 ”嚣i i 丽i 匪j 斋藤1 蓊j l 恧 !； i ，j 一j ii， i 丽丽蕞面田l| | 两丽而；赢门丽磊藤面。赢i 门， i 一r 一r f 一 一 一丽氟磊箍丽函面丽万一一一 圈2 1 蓝牙协议栈 按照蓝牙协议的逻辑功能，协议栈由下至上可以大致分为3 个部分；传输层 协议、中介层协议和应用层协议。在蓝牙遥控器的实际应用中，主要使用的是传 输层的协议，这一部分协议主要由蓝牙模块提供。所用的高层协议则必须自己完 成。 1 传输层协议 传输层协议负责蓝牙设备间相互确认对方的位置，以及建立和管理蓝牙设备 西北工业人学硕上论文 州的物理和逻辑链路。这一部分又进一步分为低层传输协议和高层传输协议两部 分。 低层传输 力、议侧重于语音与数据无线传输的实现，主要包括射频、基带和链 路管理协议三部分。其中，射频部分主要包括了一系列用于蓝牙无线电收发信机 设计的规范。基带规范解决的问题包括发送什么样的数据、什么时候发送数据、 等待什么数据、什么时候等待数据以及使用哪一个载波频率和哪个级别的发射功 率等。链路管理层协议用于控制蓝牙没备间的链路。 高层传输i 力 议为高层应用程序屏蔽了诸如跳频序列选择等低层传输操作，为 实现高层应用程序提供了更加有效和更有利于实现的数据分组格式，它主要包括 链路控制与适配协议和主机控制器接口。逻辑链路控制与适配协议将基带层的数 据分组转换为便于高层应用的数据分组格式，并提供协议复用和服务质量交换等 功能。主机控制器接口规范提供了主机与主机控制器之间交换数据和控制信息的 指令。 2 中介层协议 中介层协议为高层应用协议或程序在蓝牙逻辑链路上工作提供了必要的支 持，为应用层提供了各种不同的接口标准，这部分协议主要包括串口仿真协议 ( r f c o m m ) 、服务发现协议( s d p ) 、i r d a 互操作协议、网络访问协议以及电 话控制协议等。 3 应用层 应用层是指那些面向具体应用的软件程序和其中所涉及的协议，包括开发驱 动各种诸如拨号上网和语音通信等功能的蓝牙应用程序。蓝牙规范只对传输层及 部分中介层协议作了定义，因此虽然在传输层及中介层不同的蓝牙设备必须采用 统一符合蓝牙规范的形式，但在应用层则完全由开发人员自主实现。 2 2 2 蓝牙应用框架 蓝牙应用框架是具体蓝牙技术应用产品的解决方案，规定了各类蓝牙产品的 功能和应用范围。s i g 首先根据市场需要确定了蓝牙技术可能的应用模型，然后 为不同的应用模型制定了相应的应用框架。应用框架中包含实现具体的蓝牙产品 或某些通用功能所用到的协议栈，各个蓝牙协议间的互操作性要求和各功能的实 现过程等。 在蓝牙规范1 1 中，一共定义了1 3 个应用框架，它们之间具有继承性，其 关系如图2 2 所示，底层的应用框架继承了高层应用框架中的各种功能和要求。 6 两北工业大学硕：l 论文 服籍妊脚l 牌 e s e r v i c ed i s c n v e 哪 山m 【l c a t i o n 阡o f i 】e ) ，二 ( 黧飘 i 。7 【l 对酣鼎fj 跫鞋勰、 譬豢；芦】【6 僦尹“o n 。啦猕腹 c d ；b in j r| ，：7 _ 【f 。麓| 【d f i t e e e e e e e e e p r o t t e e e e e e e e e p r o f m j li 。篇絮。；”m l 二 二：1 一二二 j ：群 f 。燃毪擀jf 絮燃 l n m e t w o r k 。i ) n gjl 慨“。j i p r o f ir e “) j l 茹；蔷”j 图2 2 蓝牙应用框架 在蓝牙规范1 1 颁布之后，s i g 还陆续推出了一些应用框架，用于实现新的 应用产品的要求。所有的应用框架大致可以分为五个应用模型：通用应用模型、 蓝牙电话应用模型、蓝牙连网应用模型、对象交换应用模型以及蓝牙音频视频应 用模型。随着技术的发展，这些应用模型一直处在不断的扩充之中。 2 3 蓝牙技术特性 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，既 适用于语音传输又适用于数据传输，既支持对称的实时同步连接，又支持不对称 的非实时异步连接，因而成为一种具有较强竞争力的无线连接新技术。 2 3 1 蓝牙的射频特性 蓝牙工作在2 4 g h z 的工业、科学和医疗( i s m ) 频段，具体来说是 2 4 0 2 2 4 8 0 g h z 的频段，对该频段的使用无需申请许可证。 蓝牙采用跳频方式来扩展频谱，将2 4 0 2 2 4 8 0 m h z 的频段分成7 9 个频点， 每两个频点相隔1 m h z ，跳频序列的选择是伪随机的。蓝牙的跳频速率高达1 6 0 0 跳每秒，每跳间隔6 2 5 us 。 蓝牙采用二迸制g f s k 作为调制方式，即二进制数“1 ”将导致对载波频率 的正频率偏移，二进制数0 将导致对载波频率的负频率偏移。 | 一、 一、 ， 焉= 蕊 鬻一帅阡 西北工业大学f ( ! l ! l 地文 2 3 2 蓝牙的传输特性 蓝牙目前的传输距离大约是1 0 1 0 0 m ，这与蓝牙设备所采用的功率级别有 戈。蓝牙| 三| i j i 的传输距离有限，这也是由蓝牙所要求的低功耗所决定的。厂商通 过配备功率放大器等手段可使蓝牙的传输距离达到3 0 0 m 以上。蓝牙设备按射频 功率大小分为3 个绒别，最大输出功率分别为2 0 d b m 、4 d b m 和0 d b m 。 蓝爿+ 采用时分双工方式来实现同时接收和发送数据。蓝牙的信道被分为很多 时隙，每个时隙的长度为6 2 5us 。在t d d 方式下，主设各与从设备占用不同的 隙进行传输，参见图2 3 。其中，主设备只在奇数时隙丌始传输，从设备只在 偶数时隙丌始传输。数据分组的开始与时隙的开始对齐。一个数据分组最多可以 占用5 个时隙。 图2 3 主设备和从设备交瞽发送数据分组 蓝牙采用电路交换和分组交换技术支持异步数据通道、三路语音信道或者 异步数掘和同步语音同时传输的信道。每个语音信道传输速率为6 4 k b p s 。数据 信道如果采用非对称数据传输，则单向最大传输速率为7 2 32 k b p s ，反向j , j 5 76 k b p s ；如果采用对称数据传输，则速率最高为4 3 3 9 k b p s 。 蓝牙技术标准定义r 两种链路类型：异步无连接a c l 链路和同步面向连接 s c o 链路。a c l 链路支持分组交换和多点连接，它主要用来传输数据；s c o 链 路支持屯路交换和点到点的连接，主要用来传输语音。由于蓝牙遥控器中未使用 语音，因此只需建立a c l 链路。 2 3 3 蓝牙网络的构成 监牙设备要实现通信，必须在相互之问建立起无线网络连接。在一个蓝牙网 络中，所有设备的地位都是平等的，但茸先提出通信要求的设备为主设备，被动 进行通信的设备为从设备。在遥控器的实际设计中，遥控器电路板上的蓝牙模块 应作为主设备其它的模块应为从设备。它们之间建立的嗍络称之为微微网( 即 由一台主设备和一台以上的从设各构成的网络) 。图2 4 给出了一个微微网的示 意图。 西北t 业大学硕上论文 图2 4 蓝牙微微网内部构成示意图 在有的应用中，两个以上的微微网之间也可能存在设备间的通信，这样就构 成了蓝牙的散射网( s c a t t e m e t ) ，图2 5 给出了一个蓝牙散射网的示意图。同时 处在两个微微网中的设备靠跳频序列来识别某一时刻它是在哪一个微微网中。 微微阿3 图2 5 蓝牙散射网构成示意图 由于蓝牙微微网又可分为2 台设备构成的点对点微微网和3 7 台设备构成的 点对多点微微网。因此，蓝牙可以构成的网络共有三种类型，如图2 6 所示。 ， ，( ：，一 a ) 单个从没备构成的微微网( 点对点) b ) 多个从设备构成的微微网( 点对多点) c ) 多 个微微网构成的散射网 图2 6 利用蓝牙技术构成的不同类型的网络 2 3 4 蓝牙的工作模式 蓝牙在连接状态下，规定了四种工作模式：活动( a c t i v e ) 、保持( h o l d ) 、 帧听( s n i f f ) 和休眠( p a r k ) 模式。其中，前一种模式为正常工作状态，在这种 状态下，主设备和从设备通过发送或者接收分组而主动参与信道操作，主设备和 9 雾妙 、|厘以 一，o o 、 、i ， ， o奄i 西北工业大学硕= e 论文 从殴备相互保持同步。后三种是为了节能所规定的低功率模式。 在帧听模式下，从设备实际上是周期性地被激活；保持模式下，从设备暂时 停止监听来自主设备的数据分组，但保持其作为活动成员的地址：休眠模式下， 土从设备仍保持同步，但从设备不需要保留其作为活动成员的地址。 主设备将定期唤醒处于节能状态下的从设备，唤醒周期一般为若干个时隙。 在唤醒期间，帧听设备可以发送数据，而保持设备不允许发送数据。一台休眠设 备在一个特定的时间间隔内聆听来自主设备的指令，以了解主设备是否要求它成 为微微网的活动成员，或者通知它将要发送广播消息。 2 3 5 蓝牙数据分组 与大多数面向数据的通信设备一样，蓝牙采用数据分组( p a c k e t ) 的形式来 传输信息即将一个大的完整信息分割打包后再进行传输。这样做的好处是一旦 某个数据分组传输有误，只需重新发送这个数据分组就可以了，而无需将整个信 息重发。 1 蓝牙数据分组的类型 根据数据分组的作用，蓝牙所采用的数据分组可分为用户数据分组和链路控 制分组。其中，用户数据分组又可根据数据分组的传输类型分为s c o 分组和a c l 分绢。根据数据分组携带信息的内容，可分为语音分组和数据分组。还有一种基 带数掘分组允许同时携带语音和数据，称为d v 包。在d v 包中，语音字段从不 重传，数据字段可以重传。 2 蓝牙数据分组的格式 蓝牙的数据分组具有固定的格式。整个数据分组的完整构成如图2 7 所示。 图2 7 蓝牙数据分组的基本构成 第一部分是数据分组的访问码( a c c e s sc o d e ) 。这个7 2 b i t 的访问码是根据 主设备的身份和系统时钟来确定的，与特定的跳频频道一一对应，所以设置它是 为了微微网内诸设备同步的需要，主要用于时序同步、偏移补偿、寻呼和查询等。 第二部分是5 4 b i t 的分组头( p a c k e th e a d e r ) ，它含有误差纠正、重新发送、流控 制等信息。第三部分是传输的数据信息，称为有效载荷，大小在0 2 7 4 5 b i t 之间。 2 3 6 蓝牙的技术指标和系统参数 现将蓝牙的技术指标和系统参数总结如表2 1 1 0 两北工业大学硕士论文 表2 1 蓝牙技术指标和系统参数 li 作频段i s m 频段，2 4 0 2 2 4 8 0 g h z 4戳l ：方式全双_ 1 ：，t d dn 1 分双工 业务类型支持电路交换和分组交换业务 数据速率1 m b i t s 1 同步信道速率1 对称连接7 2 1 5 7 6 k b i t s ，对称连接4 3 2 6 k b i t s 同步信道速率6 4 k b i t s 发射功率美国f c c 要求 0 d b m ( 1 m w ) ，其它国家可扩展为1 0 0 m w 跳频频率数7 9 个频点m h z 跳频速率1 6 0 0 跳秒 lf ：作模式 a c t i v e 甩a r k ，h o l d s n i f f 数据连接方式面向连接业务s c o ，无连接业务a c l 调制技术二进制g f s k 发射距离般可达1 0 c m 1 0 m 增加功率可达1 0 0 m 2 4 蓝牙技术的应用 如前所述，蓝牙技术的初衷是无线互连小型移动设备及其外设，使它们之间 的连接变得简单、容易。因此，蓝牙最普通的应用是替代p c 机与打印机、鼠标、 扫描仪等外设的连接电缆，以及互连p d a 、移动电话等。然而，随着越来越多 电子产品性能的改进，新的应用潜力也在不断地被开发出来。下面是根据蓝牙 s i g 提出的应用框架和现有的一些产品所归纳的部分的蓝牙应用模型。 头戴式耳机：采用蓝牙技术的头戴式耳机作为移动电话、个人计算机等 的语音输入、输出接口，能够在保持弘人通话的同时，使用户摆脱电缆 束缚而有更大活动自由。 拨号网络：采用蓝牙技术的移动电话、m o d e m 等设备，能够用作i n t e m e t 网桥。例如，这种移动电话可作为无线m o d e m 供计算机访问拨号网络服 务器时使用，计算机也能够通过这种移动电话或m o d e m 接收数据。 对讲机：采用蓝牙技术的移动电话将集移动电话、无绳电话、对讲机三 种功能于一身。比如两个蜂窝电话用户之间通过蓝牙连接可以直接进行 对话，此时的移动电话实际上就是对讲机。 其它应用：包括u s b 适配器、车锁，甚至还有集成了蓝牙技术的手表和 钢笔等。 以上为蓝牙技术的几种主要应用模式，随着越来越多的制造商接受蓝牙技术 并生产出越来越多的支持蓝牙的产品，新的、无法预料的蓝牙应用方式将会涌现 出来。与其它技术相比，蓝牙将会给人们生活带来深远的影响，可以说蓝牙技术 是推动信息时代到来的关键技术之一。 西北工业大学顾士论文 第三章蓝牙无线遥控器的实现方案 3 1 蓝牙无线遥控器的总体设计 监牙无线遥控器与一般遥控器的本质区别在于它摒弃了传统的红外技术，转 而采用蓝牙技术柬实现信息的无线发送。但蓝牙遥控器也和一般遥控器一样，需 要有键盘以便用户输入对家电的各种控制指令，同时还需要有一个液晶显示器， 以显示相关信息或提示用户进行某种操作。因此，整个遥控器可大致分为键盘、 l c d 和蓝牙三部分，当然，还有一些辅助电路，如电压转换电路、复位电路等。 其总体设计方案大致如图3 1 所示。 图3 1 蓝牙无线遥控器的总体设计 下图3 2 是蓝牙遥控器的大致原理图。其中，原理图中最下面的插座即为蓝 牙模块的接口。 图3 2 蓝牙遥控器电路图 1 2 西北t 业大学硕l 论文 下面主要介绍蓝牙遥控器中的电源解决方案、键盘和l c d 的硬件电路设计 方法及相关软件流程图，蓝牙无线通信的实现方案将作为独立的一章进行介绍。 3 2 电源解决方案 蓝牙无线遥控器由两节1 5 v 的电池供电，电池的电压在使用过程中会逐渐 下降，不够稳定。并且，遥控器上所用到的各种芯片需要不同的供电电压，如 a t 8 9 s 5 2 需要+ 5 v 的供电电压、l c d 需要十5 v 和5 v 双电源供电、而蓝牙芯片 需要+ 3 3 v 的供电电压，因此，必须解决电压转换问题。 对于+ 5 v 电压，使用m a x 7 5 6 来实现。m a x 7 5 6 是c o m s 、升压、开关型 稳压器，输入电压要求1 _ l v 至6 v ，因此可用两节电池级连后作为输入，输出电 压为3 3 v 、5 v 可选。升压原理图如图3 3 所示。 1 0 a o 图3 4 + s v 到一1 2 v 的转换电路 1 3 西北工业大学倾士论文 若严格按照上图设计电路板，则将得到一1 2 v 的输出电压。但实际上，l c d 需 要的是一5 v 左右的电压，因此m c 3 4 0 6 3 a 只要能产生一1 2 v 左右的输出电压即可， 不必很精确。将该输出电压通过一个电位器和l c d 相连，就能够凋整实际输入到 l c d 的电压。 对于蓝牙模块所需要的+ 3 3 v 供电电压，最初设计由m a x 7 5 6 来产生，因为 m a x 7 5 6 有一个输入端是3 3 v 、5 v 输出电压的选择端，将该输入端接高电平，就 可输出+ 3 3 v 的电压。但在实际中，多次调试均未成功。同时考虑到成本( 一片 m a x 7 5 6 市场零售价为2 5 元左右) ，最终舍弃了这种方法，而是通过三个二极管 经+ 5 v 降压来实现。降压后的实际值为3 2 8 v ，可满足蓝牙模块的供电要求。 在实际应用中发现，对于电压转换芯片来说，电压转换的成功与否不仅取决 于外围电路的正确设计，而且还取决于元器件的选择和p c b 的布版。一般来说， 芯片的d a t a s h e e t 上会给出外围器件的型号，但多数器件在西安市场难以买到， 需用其它类似的电子元器件来代替。因此，最终蓝牙遥控器电路板上的元器件都 是经过实验后选择的。此外，p c b 的布版也极为重要。以+ 3 v 蛰j + 5 v 的转换电路 为例，最初的一片m a x 7 5 6 一上电工作就发烫，但基准电压管脚上输出了1 2 5 v 的正确的基准电压，转换后的电压在4 8 v 4 9 v 之间。m a x 7 5 6 的d a t a s h e e t 指 出，电压转换后的输出值应在4 7 5 v 5 2 5 v 之间，因此，可以肯定，4 8 v 4 9 v 的输出值是正确的。但为了解决芯片发烫的问题，本人在电路板上又添加了低通 滤波电路，虽然情况有所好转，但仍未得到彻底解决。经过认真分析，在未改变 原理图的情况下，将p c b 重新布版，使1 a x 7 5 6 的外围器件与m a x 7 5 6 尽量靠近， 加宽加粗铜线，并使用了一些表贴形式的元件，结果问题得到了解决。实验表明， 正确的进行p c b 布版，使用表贴形式的元器件能够减少噪声对芯片的干扰，有利 于芯片的稳定工作。但由于表贴形式的元器件焊接起来比较困难，因此，蓝牙遥 控器上只有部分元件采用的是表贴形式。 3 3 键盘的硬件及软件设计 蓝牙无线遥控器属于人机交互设备，因此需要通过键盘来输入对家电的各种 控制命令。这些控制命令通过单片机传送到蓝牙模块，然后再由蓝牙= 模块将其发 送出去。这一节介绍一下蓝牙无线遥控器中键盘的硬件设计和相关软件流程图。 3 3 1 键盘的硬件设计 单片机中常用的按键式键盘可以分为两类：独立连接式键盘和矩阵式键盘 ( 如有的单片机系统中会使用一些键盘功能模块) 。独立连接式键盘是一种简单 的键盘，每个键独立接入一根数据输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影 西北工业人学硕士论文 响其它输入线上的工作状态。而当键盘按键较多时通常采用行线与列线构成的 矩阵键盘，键盘按键的识别通过键盘扫描法来实现。 由于本人设计的蓝牙无线遥控器只有6 个按键，按键较少，因此采用了独立 连接式键盘，将其连接到a t 8 9 s 5 2 的p 1 口上，但出于按键优先级的考虑，有一 个按键连接到p 3 4 上( 在键盘的软件设计部分会对其进行进一步的说明) 。应该 晓，键盘原理的设计是很简单的，但通常需要解决按键抖动产生的干扰问题。因 为按键所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。一个电压信号 通过机械触点的断开、闭合过程，其输出波形会有一定的抖动。如果在抖动期读 入状态，就会产生错误。因此，必须采取一定的去抖动措施。就硬件消抖法来说， 可以在按键和单片机的接口之间加入迟滞性电路，如4 0 9 3 等，该电路能够对波 行进行整形，从而达到消抖的目的。但消抖电路的引入会增加硬件的复杂性，从 而增加调试的难度。因此，在蓝牙遥控器的实际电路中并未使用这种方法，而是 使用了软件消抖法，即在第一次检测到有键按下时，执行一段延时大约1 0 m s 的 子程序，再确认按键电平是否仍保持闭合状态。如果保持闭合状态电平才能确认 真正有键按下，从而消除抖动的影响。这种软件消抖法简单可靠，消抖延迟时间 可任意调整，又不会增加硬件难度，因此比较切实可行。这也是选择软件消抖法 的原因所在。 3 3 2 键盘部分的软件设计 在程序中，将蓝牙无线遥控器上的6 个按键按照所执行功能的不同以及它们 所代表的功能在l c d 上的显示位置分别定义为k e y p k ，k e y _ c a n c e l ，k e y u p ， k e zd o w n ，k e y ，。其中，按下 表示打开遥控器，准备_ l e f tk e y r i g h tk e y _ o k 进行操作；k e yc a n c e l 表示结束操作；其余四个键用来选择所要遥控的家电( 电 视、空调、风扇、电灯) 或所要执行的某种遥控功能。 根据实际需要，设计本键盘不支持多键操作，即在同时按下多个键时，只有 一个键起作用。为此，定义了各键的优先级，按照优先级由高到低，分别为 k e y _ c a n c e l 、k e yo k 、k e y _ l e f t 、k e y r i g h t 、k e y _ _ u p 、k e y _ d o w n a 这种优先 级的定义是通过硬件和软件两种方式实现的。例如，定义k e yc a n c e l 的优先级 最高，这是为了在任何时候都能结束对家电的遥控操作。为了实现这一功能，将 浚键连接到a t 8 9 s 5 2 的p 3 4 上，这一端口同时也是a t 8 9 s 5 2 的定时器0 的外部 输入端，通过中断的方式处理该键的响应，就可提高其优先级。为此，在单片机 的初始化程序v o i di n i t i a lm c u ( v o i d ) 中加入如下语句： t m 0 1 ) = 0 x 2 6 ： t i 0 = 0 x f f ： 西北工业人学硕上论文 t h o = 0 x 1 ： 设置t m o d = o x 2 6 ，是为了使单片机的定时器计数器0 工作于计数器方式， 具操作模式设置为8 位自动重装载方式。这样，每当计数器t l o 溢出时，定时器 0 的溢出标志t f o 就会由硬件置位，申请中断，并且t h o 中的内容将重新装载到 r l 。0 中。由于t l o 、t h o 都被设置为o x f f ，因此，只要按一下k e y c a n c e l 键，就 会进入中断服务子程序，进行一些相应的处理，包括关闭l c d ，断开和蓝牙设备 的连接等，这些和i 。c d 、蓝牙相关的子程序将在后面进行介绍。 对于其余j 个键，采用查询的方式进行处理。但需要注意的是，由于蓝牙通 用遥控器需要对4 个家电进行遥控，因此按键操作的第一步必须是对所要遥控的 家电进行选择。这一任务由k e y o k 键来完成，即在按下该键之前，按下任何键， 遥控器都不会进行响应。按下k e y o k 键后，l c d 显示主菜单( 显示家电名称的 菜单称之为“主菜单”，显示各个家电遥控功能的菜单称之为“子菜单”) ，然后 再通过其它的按键对家电进行选择。以对空调的操作为例，在主菜单中选择了“空 调”之后，遥控器上的蓝牙模块将与空调上的蓝牙模块进行连接，同时在l c d 上 显示空调子菜单，包括“开机”、“关机”、“升温”、“降温”4 个选项，如果通过 按键选择了“升温”，那么单片机在得到该键值之后，将通过蓝牙模块将该命令 发送出去。接收端的蓝牙模块在接收到命令并进行识别之后，就会通过单片机对 空调进行操作，以达到“升温”的目的。 现在介绍如何通过软件实现这些功能。首先在头文件“k e y h ”中作如下定 义： # in c l u d e ”l c d h ” e x t e r nu n s i g n e dc h a rk e y d a t a ： t i d e f i r en o k e y0 胁 十十# $ 为主菜单的键赋值 # $ $ # # d e f i n eh a i n _ k e y l e f tl # d e f i n em a i n k e y r i g h t2 g d e f i n em a i n k e y 。u p3 # d e i i n em a i n _ k e y d o w n4 g d e f i n em a i n k e y o k5 料料十 十十为于菜单的键赋值十# 十女 料十十 t i d e f i n ek e y l e f t6 # de i i n ek e y r t g h t7 d e f i n ek e y u p8 d e f i r e k e y d o w n9 其中，m a i n k e y l e f t 和k e y l e f t 实际上指的都是k e y l e f t 键( 其它三个 键的情况与之相同) ，之所以赋于不同的值，是为了通过取值范围来区别该键是 对主菜单还是子菜单进行操作，以便进行程序的散转处理。k e y d a t a 用来存放键 值。主菜单取键值程序v o i dg e t m a i n k e y ( v o i d ) 与子菜单取键值程序v o i d 两北工业大学坝卜论文 g e t k e y ( v o i d ) 基本一样，所不同的是键值范围不同。下面给出这两个程序的流程 图。 图3 5g e t m a i n k e y0 和g e t k e y ( ) 的流程图 蓝牙遥控器主程序的流程图如图3 6 所示。 图3 6 蓝牙遥控器主程序的流程 在程序的散转处理部分，根据k e y d a t a 值的不同( 也就是按键的不同) ，蓝 牙遥控器和不同家电上的蓝牙模块进行连接，并进入不同家电的处理子程序。各 个家电的处理予程序类似。现以“空调”为例给出子程序处理流程图。 愿燮 、意骥7 享镯 一 y 西北工业火学硕1 论文 图3 7 空调处理子程序流程图 在空调处理子程序的散转处理部分，根据按键值的不同，对空调执行不同的 遥控功能。这些遥控功能经过数据打包后，遵循一定的蓝牙协议，通过蓝牙模块 发送出去。接收端的蓝牙模块经过信息的接收和识别之后，将命令传给单片机， 实现对空调的控制。 上述一些程序中所涉及到的l c d 显示和蓝牙的数据打包、信息识别等无线 通信方面的程序将分别在3 4 节和第五章中进行论述。 3 4 液晶显示部分的实现 多数遥控器上一般都会有液晶显示器l c d ，以显示相关信息或对用户下一 步操作进行提示，蓝牙无线遥控器也不应例外。本人在毕设中所采用的l c d 为 m g l s l 0 0 3 2 a 。陔液晶模块采用的驱动控制器为s e d l 5 2 0 f o a ，它集行、列驱动 器和控制器于一体，被广泛应用于小规模液晶显示模块中。要使用l c d 正确地 实现显示功能，必须对s e d l 5 2 0 f o a 的结构、功能及电特性有一深入的了解。 3 4 1s e d l 5 2 0 f o a 的特性及级连解决方案 s e d l 5 2 0 f o a 内置2 5 6 0 位显示r a m 区，r a m 中的1 位数据控制液晶屏上 一个像素点的亮暗状态：“l ”表示亮，“0 ”表示暗。它具有1 6 个行驱动输出和 6 1 个列驱动输出，驱动占空比为1 1 6 或1 3 2 。其原理框图如图3 8 所示。 翟 ： v 5 p o c o m l j 嚣 一一未二：r ：；_ 鑫。 图3 8s e d l 5 2 1 ) f o a 原理框图 在s e d l5 2 0 f o a 的显示存储器中含有一r c 振荡器，由外引脚 o s c l 和o s c