（通信与信息系统专业论文）基于蓝牙协议的通信接口通用转换平台设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着人们对移动通信需求的日益增长，通信开始从有线变为无线，固定 走向移动。在这种背景下，蓝牙技术开始越来越重要。蓝牙技术实质上是一 种近距离无线通信的开放性标准。 蓝牙技术作为一个开放的无线应用标准，能通过无线连接方式将一定范 围内的固定或移动设备连接起来，使人们能够更方便更快速地进行语音和数 据的交换，将会对目前的生活提供很大的便利。 本文将蓝牙技术与嵌入式技术结合起来，基于蓝牙芯片 b l u e c o r e 2 e x t e r n a l 和a r m 系列$ 3 c 2 4 1 0 x 给出了一个基于蓝牙的嵌入式通 信模块设计模型。根据一个特定的平台，基于嵌入式l i n u x 系统，实现多种 接口与蓝牙的相互转换。该平台采用嵌入式l i n u x 控制，其可以做为一个简 易的蓝牙开发平台进行使用，开发人员可以通过在其系统上进行应用程序开 【x 及。 本文首先介绍蓝牙技术的特点、蓝牙技术硬件原理；紧接着详细地研究 和分析论述了接口通用转换平台的技术原理，包括蓝牙协议组成和应用模型 以及嵌入式开发理论；然后，对于实现接口通用转换平台的软硬件理论一 a r m + l i n u x 进行阐述。最后，重点讲述硬件电路的设计及蓝牙系统在该平台 嵌入式l i n u x 操作系统上的实现。 关键词：蓝牙技术；蓝牙协议栈；通用接口转换；嵌入式l i n u x 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h ei n c r e a s i n gd e m a n do fp e o p l ef o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , t h e c o m r m m i c a t i o nb e g i n san e we r af r o mw i r i n gt ow i r e l e s s ，f r o ms t a t i o n a r yt o m o b i l e u n d e rt h i sk i n do fb a c k g r o u n d ，t h eb l u e t o o t ht e c h n i q u es t a r t st ob em o r e a n dm o r ei m p o r t a n t t h eb l u e t o o t ht e c h n i q u ei ss u b s t a n t i a l l yt h a to p e n i n go fa k i n do fc l o s eq u a r t e rw i r e l e s sc o r r e s p o n d e n c es t a n d a r d a sal i b e r a lw i r e l e s sa p p l i c a t i o ns t a n d a r d ，t h eb l u e t o o t ht e c h n i q u ec a n c o n n e c tt h e 血吨e q u i p m e n t sw i t ht h em o v i n ge q u i p m e n t sp a s sw i r e l e s s c o n j u n c t i o ni n s i d et h ec e r t a i ns c o p ec o n j u n c t i o n ，w h i c hm a k ep e o p l ec a nc a r r yo n t h ec o m m u t a t i o no fs p e e c ha n dd a t am o r ec o n v e n i e n ta n dm o r eq u i c k l y ，a sw e l l a sp r o v i d ev e r yb i gc o n v e n i e n c et ot h ec u r r e n tl i f e t h i st e x tg i v e sak i n do fd e s i g na n dp u t st o g e t h e rab l u e t o o t ht e c h n i q u e 、析也 b u i l t - i nt e c h n i q u ek n o ta n dc h o o s eb l u e t o o t hc h i pb l u e c o r e 2e x t e r n a la n dt h r e e s t a rc o m p a n ya r mt h es e r i e s $ 3 c 2 410t h e ng i v e sad e s i g nm o d e la c c o r d i n gt o t h eb u i l t - i nc o r r e s p o n d e n c em o l do ft h eb l u e t o o t ht h ep i e c e a c c o r d i n gt oa p a r t i c u l a rt e r r a c e ，a c c o r d i n gt ot h ee m b e d d e d l i n u xs y s t e m , c a r r i e do u tt h e m u t u a lc o n v e r s i o nt h a tt h ev a r i e t yc o n n e c t sa l la n db l u e t o o t h i nt h em e a n t i m e ， b e c a u s et h et e r r a c ea d o p t sab u i l t i nl i n u xc o n t r o l ，o r i g i n a l l yi nu n i v e r s a lu s e c o n v e r s i o nt e r r a c ep i c k i n gu pap e o p l ec a l la l s ob eu s e da sas i m p l eb l u e t o o t h d e v e l o p m e n tt e r r a c et oc a r r yo na l lu s a g e ，t h ec u s t o m e rc a i lp a s so nh i ss y s t e m a n dc a r r yo na p p l i e dp r o c e d u r ed e v e l o p m e n t 、析t hv i v i d l ys a t i s f yi t sn e e d t h i st e x ti n t r o d u c e dab l u e t o o t ht od e v e l o pad y n a m i cs t a t ea th o m ea n d a b r o a df i r 瓯m o r r o wi nd e t a i lr e s e a r c ha n da n a l y s i sd i s c u s s e dt h et e c h n i q u e p r i n c i p l eo fc o n n e c t i n gap e o p l ei nu n i v e r s a lu s ec o n v e r s i o nt e r r a c ea n di n c l u d e d b l u et o o t ht e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，b l u et o o t ht e c h n i q u eh a r d w a r ep r i n c i p l e ， a g r e e m e n t t oc o n s t i t u t ea n d a p p l i e dm o d e l a n db u i l t i nd e v e l o p m e n tt h e o r i e st h e n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c o n n e c tt h es o f th a r d w a r et h e o r i e s a r mo fap e o p l ei nu n i v e r s a lb s ec o n v e r s i o n t e r r a c et ot h er e a l i z a t i o na r m + l i n u xc a r r yo ne l a b o r a t i n g e n d p a r t i c u l a r l y r e l a t e dd e s i g na n db l u et o o t hs y s t e m sr e a l i z a t i o ni nt h ep l a t f o r m se m b e d d e d l i n u xo p e r a t es y s t e mo fh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i t k e yw o r d s ：b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ；b l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c k ；u n i v e r s a li n t e r f a c e t r a n s i t i o n ；e m b e d d e dl i n u x 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。一 作者( 签字) ：许墅豇 日期：少川年3 月i 泪 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文在授予学位后即可由哈尔滨工程大学送交有关部门进 行保存、汇编等。 作者( 签字靖舷 日期：叫年弓月l 瑁 导师c 鳓壤磁r 岭 知了年多月i 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 人类已经进入到了2 1 世纪，2 1 世纪的技术特征是数字化、网络化和信 息化。随着信息技术和数字技术的发展，特别是因特网和通信技术的迅猛发 展，人们的生活、工作及思维方式都发生了巨大的变化，人们对计算机以外 的各种数据源和网络服务的需求日益增长，便携的数字处理设备己经成为人 们日常生活和办公的必需品。它们具有较强的处理能力和较大的存储空间， 从而形成了一种个人操作空间。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是为了满足人们在个人操作空间的无线互联而设计的。 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。它具有成本低、功 耗小、尺寸小、占用免费频段、通信距离短等特点，它使用跳频技术使处于 个人操作空间的设备形成一个无线个人区域网络，真正实现设备之间移动的、 自动的互联，使人们能随时随地进行数据信息的交换与传输。 蓝牙技术一出现，立刻成为全球范围无线通信和信息家电业最为热门的 话题。蓝牙技术不需频率占用许可证的波段，短距离通过无线连接传输无损 声音和数据。本世纪，世界各地的信息设备将是无线的、自动化的、彼此相 连的，而蓝牙是实现这一目标的主要技术。它在许多产品的开发上的巨大潜 力已被发掘出来。 蓝牙技术采用全球统一技术标准，很好地解决了产品兼容问题，而且其 技术的复杂程度相对较低，更重要的是，由于它采取的免费策略，完全开放 的技术标准促使蓝牙尽快市场化应用，适合科研院所、大专院校、厂家研发 机构自主开发合适的应用产品。蓝牙技术正发展成为个人区域网络的关键技 术，国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 专门成立了i e e e8 0 2 1 5 小组负责 研究基于蓝牙的p a n 技术。因此，蓝牙技术在将来具有非常广阔的应用前景。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在后p c 时代，嵌入式设备的应用会大大超过以往p c 的市场容量，与此 同时，蓝牙技术将会成为嵌入式系统的标准配置，从而得到广泛的应用。因 此嵌入式系统与蓝牙技术的结合有着巨大的发展前裂n 。 1 2 蓝牙技术的国内外研究与发展动态 蓝牙技术是一种低功率短距离的无线通信技术标准的代称。1 9 9 8 年5 月， 爱立信联合诺基亚、英特尔、i b m 和东芝这4 家公司一起成立了蓝牙特殊利 益集团s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) ，负责蓝牙技术标准的制定，产品测试， 并协调各国蓝牙的具体使用。s i g 于1 9 9 9 年7 月公布了1 0 版，2 0 0 1 年公 布了1 1 版。目前蓝牙技术己经成为近距离无线数据通信领域的最热门研发 方向，已有超过2 0 0 0 家的企业宣布支持和开发蓝牙技术及相关产品。 从2 0 0 0 年初蓝牙芯片出现以来，欧美多家公司都己经开始研制和发售蓝 牙芯片和模块，产品的体积越来越小，价格越来越低。这些产品涉及移动电 话、个人数字助理、耳机、打印机、数码相机无线网络接入点和键盘鼠标等 各个领域。 2 0 0 5 年3 月1 日，s i g 宣布采用蓝牙核心规范2 0 版本及更高数据传输 速率e d r ( e n h a n c e dd a t ar a t e ) 。新规范提高了数据传输速率( 3 倍) 并降 低了功耗，大大改善蓝牙用户使用多个蓝牙设备协同工作以及传输大型数据 文件时的体验，同时还将延长移动设备的电池使用时间。 由于带宽增加，新规范提高了设备同时进行多项任务处理、或同时连接 多个蓝牙设备的能力，并可传输大型数据文件。低功耗特点亦将使新一代蓝 牙设备的使用时间达到目前的2 倍。2 o 版本+ e d r 可与以往所有规范进行 兼容。 在国内，蓝牙技术的迅速发展和相关产品的面世，给信息产业的快速增 长带来了新的经济增长点。但到目前为止，我国还没有开发出自己的蓝牙芯 片；“蓝牙 的应用市场刚刚启动。国内很多厂商对“蓝牙 技术表现出强烈 的关注，中国参加蓝牙国际s i g 的单位，包括企业、研究机构大约己达上百 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 个，相关科研己全面展开。国家科技部将蓝牙技术的研究与应用列入“8 6 3 ” 计划。 就中国当前信息技术产品的普及情况来看，蓝牙技术是比较合适的。而 我国则拥有世界最大家用电器和个人网络终端市场，移动电话用户的增长非 常迅速。便携式信息终端是真正面向个人的网络终端，开发适合我们中国人 需要的蓝牙产品，那么蓝牙产品应用的市场将是空前广阔的。 蓝牙技术包括蓝牙协议、蓝牙芯片、蓝牙模块、各种蓝牙应用系统等。 目前我们还不能开发蓝牙芯片，对于蓝牙技术，我们主要是开发蓝牙模块和 各种蓝牙应用系统。 蓝牙核心技术仍然掌握在国外巨头手上，要打破国外的技术垄断，根本 的一点是研发出具有自有知识产权的产品。一方面，开发出具有自主知识产 权的蓝牙产品，尤其是嵌入式蓝牙产品，可使人们生活更加便捷。另一方面， 对蓝牙技术的研究可以为蓝牙技术本身的发展带来机遇，进一步推动无线通 信的发展。 蓝牙在中国，正是方兴未艾时，为此我们必须历经一段付出代价的学习 和研究过程以期待新的突破。正如单片机开发系统广泛应用于单片机应用系 统的开发中一样，随着蓝牙芯片价格的不断下降，国内各蓝牙开发厂家、大 专院校、科研院所对蓝牙技术开发的需求会日益增长，因此具有巨大的市场 空间。 1 3 蓝牙技术的特点 蓝牙技术实质是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准， 使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备可以在没有电线 或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具有互用、互操作的性能。它 的一般连接范围为1 0 厘米到1 0 米之间；如果增加传输功率，其连接范围可 以扩展到1 0 0 米。 蓝牙技术具有以下主要特点： 啥尔滨工程大学硕士学位论文 工作频率及抗干扰性蓝牙技术工作在2 4g h z 工业、科学、医学 i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，a n dm e d i c a l ) 频段，该频段在世界范围内都可以自 由使用，不存在“国界 障碍。为避免干扰，蓝牙技术设计了小数据分组和 快速确认跳频方案，以确保链路稳定。 使用方便“即插即用 ，嵌入蓝牙技术的设备一旦搜寻到另一个蓝 牙设备，马上就可以建立联系，利用相关的控制软件，即可以进行数据的传 输。 支持语音 无需基站蓝牙系统网络以蓝牙模块为节点，无需建立基站，就可以 进行无线连接。 尺寸小、功耗低蓝牙工作或待机时所消耗的电流大约只相当于手机 的3 5 ，工作于3v 5v 的低电压，它具有四种功耗模式，能够在通信 量减少或者通信结束时转入到低功耗模式。 多路多方向链接蓝牙无线收发器的1 0m 链接距离不限制在直线范 围内，可穿透一般的障碍物，。蓝牙设备能自动寻找它周围的蓝牙设备，一旦 找到就会自动建立连接，一个蓝牙系统可同时连接多达7 个设备，构成一个 微微网。相邻的微微网之间可以通过一个同时跨两个微微网的设备相连，使 这种无线连接的范围得以延伸。这就可以把用户身边的设备都连接起来，形 成一个“个人领域网络。 保密性蓝牙传输具有全方位特性，因此它就有可能被任意方向的设 备窃听或破坏，所以蓝牙的防窃听能力就显得格外重要。为此，蓝牙在其基 带协议中加入了鉴权和加密措施。另外，蓝牙采用的跳频技术本身也具有一 定的保密性酬。 1 4 蓝牙技术的应用前景 蓝牙技术具有广阔的应用前景，主要有以下几种： 替代短距离电缆有线电缆除使用不便外，连线及接v i 频出故障，各 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 种电缆之间也无法通用，这在一定程度上阻碍了近距离通信技术的发展，而 采用蓝牙技术则可较完美的解决近距离通信的各种问题。 实现便携设备间近距离通信。 拓展手机的功能，实现真正的二合一。 构造家庭信息网络。 因特网桥具有蓝牙功能的电脑能够利用本地接入点或利用蓝牙蜂窝 电话实现与互联网的连接和接收电子邮件。 实现个人信息管理。 数码相机中图像的无线传输。 1 5 本文的研究内容和主要工作 1 5 1 课题内容 本课题主要任务是设计实现一个基于蓝牙协议的多通信接口与蓝牙接口 相互转换的通信平台。给出依赖于该平台进行产品开发的嵌入式解决方案， 在p c 机w i n d o w s 环境以及以m m u 为应用主体的应用环境下利用此平台进 行无线产品的应用开发。课题涉及以下几个方面： 蓝牙技术及蓝牙芯片； 基于蓝牙协议的通信接口通用转换平台的硬件电路； 嵌入式l i n u x 操作系统； 在嵌入式平台上实现蓝牙系统。 1 5 2 主要工作 学习研究蓝牙技术、硬件工作原理、协议栈体系结构及嵌入式开发理 论。 设计通信接1 ：3 转换平台系统，包括硬件设计和软件设计。 通信接口转换平台的软硬件实现。包括：使用硬件平台以及嵌入式操 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作系统，设计通信接口转换平台主板与子板，在平台嵌入式操作系统上实现 蓝牙系统。 1 5 3 论文内容安排 论文各章节安排如下： 第1 章绪论，简要概述本论文的主要研究内容和具体结构。 第2 章蓝牙技术原理，对蓝牙技术的通信原理、关键技术、网络体系结 构和蓝牙主机控制接口进行了详细研究和分析。这些理论知识都是本论文中 实现设计的基础。 第3 章接口通用转换平台的软硬件理论，主要对本课题中所涉及的软件 和硬件的理论知识做了说明，具体包括对所用硬件平台以及嵌入式操作系统 进行介绍与分析。 第4 章接口通用转换平台的硬件研究与实现，对本文中的平台主板与子 板的进行设计并详细说明，并且给出了各个接口的具体电路图。 第5 章接口通用转换平台的软件研究与实现，详细说明了本课题的软件 实现的过程，并且对蓝牙系统在该平台嵌入式操作系统上的实现作了研究与 分析。 本论文主要说明总结了以下几点： 对蓝牙技术的国内外发展动态进行了分析和研究，使我们认识到蓝牙 技术在我国发展的机会和挑战。 对蓝牙无线系统的关键技术( 射频特性、跳频技术、语音和数据传输、 安全技术、检纠错技术等) 、系统组成和网络体系结构进行了比较详细研究和 分析，对蓝牙技术有一个全面的认识和了解。 对于实现通信接口通用转换平台的硬件核心a r m 核微处理器， 以及软件平台嵌入式l i n u x ，进行了分析讨论设计，并且介绍了嵌入式 l i n u x 技术架构及软件支持，并详细说明了基于a r m + l i n u x 的嵌入式系统的 开发。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进行了通信接口通用转换平台的硬件设计与实现，包括主板、子板及 各接口电路的设计；对蓝牙封装模块研究并选型；对蓝牙系统在该平台嵌入 式操作系统上的设计作了研究与分析。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章蓝牙技术原理 本论文所涉及到的技术原理主要包括蓝牙技术原理和嵌入式开发理论。 本章具体对蓝牙技术原理进行详细地研究和分析。 蓝牙技术是一种通用型无线信号传输接口及其操控软件的公开标准。它 的目的是建立一个全球统一的无线连接标准，使不同厂家生产的便携式硬件 能够在无线连接的情况下，在近距离范围具有交互信息和交叉操作的可能性。 实现不同电子设备之间短距离无线连接和通信的技术。 2 1 蓝牙关键技术 蓝牙技术利用射频频段在半径1 0m 范围内建立点到点及点到多点连接， 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，可以无需修改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p 1 。 2 1 1 射频特性 对于无线通信系统，射频部分是通信系统的“空中接口 ，不同厂商生产 的设备要实现兼容或者互操作的基本要求是射频规范的统一。 蓝牙技术射频规范包括：射频频段、调制方式、跳频频率、发射功率、 接收机灵敏度等参数。 在通信过程中，如果两个设备之间要进行通信，必须先要建立正确的连 接，正确的连接包括正确的物理连接及使用正确的协议。蓝牙技术通过制定 所有蓝牙设备共同遵循的通信标准、减少选项数目，使得连接在理论上变得 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。用预先规定的无线射频连接替换各种物理连接。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 蓝牙采用2 4g h z 的i s m 频段，无需申请许可就可以使用。为防止受到 干扰，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。蓝牙通过跳频 方式将能量扩散到2 4 0 2g h z 至2 4 8g h z 的i s m 频段中，并将其划分为7 9 个跳频信道，每个信道1m s z 带宽。蓝牙的通信半径通常为1 0m ，如果增 加发射功率，可以将通信半径扩展到1 0 0m 外唧。 2 1 2 跳频技术 蓝牙工作在全球通用的2 4g h z 频段，其设计数据传送速率上限1 m b s 。 由于i s m 频带具有公开性，使得其对所有该频带无线电系统都“来者不拒”， 经常会遇到许多难以预测的干扰，比如某种监视器、手机、无绳电话和微波 炉都有可能是干扰源。这使得蓝牙系统的传送错误率远远高于实际应用的水 平。为此，蓝牙无线收发器采用了扩展频谱跳频技术，把频带分成若干个跳 频信道，在2 4 g h zi s m 频带上以1 6 0 0 跳s 的速率进行跳频，信道的时隙长 度为6 2 5 s 。在一次连接中，蓝牙收发信机按一定的码序列( 即伪随机码) 不断地从一个信道“跳”到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通 信的，而其他的干扰设备不可能按同样的规律进行干扰。蓝牙跳频的瞬时带 宽很窄，但通过频谱扩展技术可以使这个窄带成百倍地扩展成宽频带，因此 使干扰可能产生的影响变得很小。蓝牙的物理信道是由伪随机序列控制的7 9 个跳频频点构成的不同的跳频序列来表示，跳频序列对微微网是惟一的，而 且由蓝牙微微网中的主单元设备编址确定，跳频序列的相位由主单元的蓝牙 时钟来确定。 因此蓝牙技术有强的抗信号衰落和低的同频干扰性，既保证了蓝牙系统 比其他类似的系统更为稳定，又保证语音和数据传输的可靠性。 2 1 3 基带特性 如前所述，蓝牙在2 4g h z 的i s m 频段的7 9 个信道里以跳频方式工作。 当两个蓝牙设备成功建链后，一个微微网便形成了。两者之间的通信通过无 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 线电波在这7 9 个信道中随机跳转而完成。蓝牙给每个微微网提供特定的跳转 模式，因此它允许大量的微微网同时存在。蓝牙既支持电路交换也支持分组 交换。蓝牙基带帧保留一部分时隙用于同步分组( 对应于电路交换) ，每个分 组在不同的跳频中发射，一个分组通常占用一个时隙，最多能扩展到5 个时 隙。蓝牙支持最大可达3 个同步语音信道，同时也支持非同步数据信道，或 者一个信道同时支持同步语音和非同步数据。蓝牙采用时分双工( t d d ) 方 案来实现全双工传输。蓝牙的一个基带帧包括两个包，首先是发送包，然后 是接收包。每个包可由1 个、3 个或5 个时隙组成，每个时隙6 2 5 斗s ，一个 典型的单时隙帧每秒跳1 6 0 0 次。多时隙帧由于节省了头信息开销而具有更高 的数据速率。比如，单时隙帧的单向速率最大为1 7 2k b p s ，而一个5 l ( 5 表 示一帧内的发送包的时隙数，l 表示接收包的时隙数) 的多时隙帧则支持发 送率为7 2 1k b p s 和接收率为5 7 6k b p s ( 对主控设备而言) 。 2 1 4 链路管理与控制 蓝牙系统中有两种物理链路：异步无连接链路a c l ( a s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n l e s s ) 和同步面向连接链路s c o ( s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n o r i e n t e d ) 。a c l 链路是微微网主设备和所有从设备之间的同步或异步数据分 组交换链路，主要用于对时间要求不敏感的数据通信，如文件数据或控制信 令等。s c o 链路是微微网中一条由主设备维护的点对点、对称的同步数据交 换链路，主要用于对时间要求很高的数据通信，如语音等。它们有着各自的 特点、性能与收发规律。 蓝牙设备互连形成微微网，每个微微网包括一个且只有一个主控设备和 最多7 个从属设备。任何一个蓝牙设备既可以成为主控设备又可成为从属设 备。角色的分配是在微微网形成时临时确定的。一般情形，发出连接指令的 设备成为主控设备，但蓝牙系统的“主从转换”功能可使角色改变。 为了形成微微网，蓝牙设备需要知道两个参数，即它希望连接到的设备 的跳转模式及其相应相位。每个蓝牙设备都有一个唯一的用于标识自身跳转 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 模式的全球标识符d 。在形成微微网时，主控设备先和其他设备分享自己的 i d 号，再向那些设备提供自己的时钟偏移信息，这些信息由跳频包( f h s ) 发送。 未连接进微微网的设备通常处于待机( s t a n d b y ) 模式，这些设备监听其 他设备的查询( i n q u i r y ) 消息或者构建微微网的请求( p a g e ) 。当某个设备发 出查询命令时，接收设备用自己的f h s 包发送自己的i d 号和时钟偏移给询 问者，以便使其形成一个完整的覆盖范围内的设备情况表。为了形成微微网， 蓝牙主控设备会用所需设备的i d 号寻呼这个设备( 此i d 号是在先前的查询 中得到的) ，被呼设备用自己的i d 号回应，然后主控设备会再发一个f h s 包 ( 包括主控设备的旧号和时钟偏移) 给被呼设备。随后被呼设备便加入了主 控设备的微微网中。 一旦某个设备加入微微网中，它就被分配给一个3 比特的主动成员地址 ( a m a ) ，其他成员可以用其访问该设备。一旦微微网内有8 个活动从属设 备，主控设备必须把一个从属设备强制成停等( p a r k ) 模式。在p a r k 模式中， 此设备仍然存在于微微网中，但是它释放了a m a 地址而得到一个8 比特的 被动成员地址( p m a ) 。a m a 和p m a 的结合允许超过2 5 6 个设备同时存在 于一个微微网中，但是只有8 个具有a m a 地址的设备( 包括主控设备) 才 能进行通信。 停等的设备以一定间隔聆听外界发给它们的指令。这要求主控设备有能 力给所有的从属设备( 不论是停等的还是活动的) 广播信息。处于s t a n d b y 状态的设备也监听其它设备发出的查询或p a g e 指令，每隔1 2 5s 它们就做一 次这样的扫描。 在查询过程中，主控设备使用的是特别预留的全球统一的查询事件i d 标识号，并采用全球唯一的包含3 2 个信道的信道序列发送此指令( 3 2 个回 复信道也是预留的) 。进行查询扫描的设备每隔1 2 5s 在这3 2 个信道中的某 个信道上停留1 0i l l s ，然后跳转到序列中的下一个信道继续监听，直到该设 备的查询扫描功能被禁止( 可能不止一个设备发出查询指令，因此要连续监 哈尔滨工程大学硕士学位论文 听) 。在主询端，3 2 个查询信道被分成2 个频组，每组1 6 个信道。主询设备 先在第1 频组1 2 5s ，在反向回复信道上监听回音。如果被询设备扫描的信 道正好和主询设备发布指令的信道重合，被询设备的监测相关器就会起较明 显的反应，而后被询设备就会用p h s 包发送自己的i d 号和时钟偏移。在下 一个1 2 5s 内主询设备用第2 组频率重新发布查询指令，如此反复，直到主 询设备的覆盖范围内的所有设备都发回f h s 包。 寻呼过程也采用相似的信道序列。每个设备依据其i d 号都有唯一的包 含3 2 个寻呼频率的信道序列和包含3 2 个回复频率的信道序列。处于s t a n d b y 状态的设备每隔1 2 5s 在其特有的寻呼信道序列中的某个信道停留1 0m s 以 监听来自主呼方的寻呼救信息，若此m 号不是自己的，该设备就跳转到序 列中的下一个寻呼信道继续监听。在主呼端，欲呼叫设备的3 2 个寻呼信道被 分成2 个频组，每组1 6 个信道，主呼设备先根据它最近知道的被呼设备的时 钟偏移做出被呼设各位置的估计，然后调整两个频组的频率，随即主呼设备 先用第1 组估计的频率持续地呼叫1 2 5s 。如果位置估计是错误的( 即主呼 设备未收到回音) ，主呼设备将在下一个1 2 58 内使用第2 频组。小的时钟偏 移会使呼叫过程很快完成，而大的时钟偏移却会使该过程延长到最大2 5s ( 两个频组总共呼叫的时间) 。一般而言，此过程的平均时延是0 6 4s 。一旦 一个设备通过查询被发现并且通过p a g e 加入到微微网中，微微网就形成了。 在活动状态中，每个蓝牙设备都被分配一个a m a 地址，它指引数据传 到不同的设备中( 主控设备的地址总是默认为0 ) 。为了在很低的功率状态下 也能使蓝牙设备处于连接状态，蓝牙规定了三种节能状态，即停等( p a r k ) 状态、保持( h o l d ) 状态和呼吸( s 1 1 i 仃) 状态。在s n i f f 状态中，从属设备降 低了从微微网“收听”消息的速率，一会儿醒一会睡，宛如呼吸一样；而在 h o l d 状态中，设备停止传送数据，但一旦激活，数据传递就立即重新开始。 在p a r k 状态中，设备被赋予p m a 地址，并以定间隔监听主控设备的消息， 主控设备的消息包括：询问该设备是否想成为活动设备；询问任何停 等的设备是否想成为活动设备；广播消息。如果把这几种工作模式按照节 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 能效率以升序排一下队，那么依次是：呼吸模式、保持模式和停等模式。 在活动状态下，蓝牙设备能够支持两种链路类型：面向连接的同步链路 ( s c o ) 和面向无连接的异步链路( a c l ) 。每种链路支持6 种不同的分组类 型，其中4 种是控制分组。 s c o 数据包既可以传送话音，也可以传送数据，但在传送数据时，只用 于重发被损坏的那部分数据。s c o 帧内的收发包结构必须是对称的，即必须 同时包含1 个、2 个或3 个时隙。s c o 数据包在保留的时隙内发送，一旦s c o 链路建立，主从设备就直接发送s c o 分组，无需轮询( p o l l ) 。为了建立s c o 连接，必须先建立a c l 链路以传送控制信息。 a c l 支持对称和非对称两种帧格式。a c l 的包( 不论是收还是发) 必须 包含奇数个时隙，以使整个帧的时隙数为偶数( 如1 1 、1 3 或者1 5 等) 。主 控设备负责控制a c l 链路的带宽，并决定微微网中的每个从属设备可以占用 多少带宽及连接的对称性。从属设备只有被选中时才能传送数据，即从属设 备在发射数据前必须接受轮询。a c l 链路也支持接收主控设备发给微微网中 所有从属设备的广播消息n 3 1 4 1 。 2 1 5 检纠错技术 蓝牙工作频段的开放性使得工作在这个频段的设备有很多，这样室内无 线通信的干扰环境就很复杂。比如存在各种电器的电磁干扰、噪声干扰，因 墙壁、家具等对电波的反射以及人的移动所造成的多径干扰和衰落等。为提 高通信的可靠性，降低误码率，蓝牙采用了差错控制编码技术。蓝牙采用三 种纠错方案：1 3 前向纠错( f e c ) ，2 3 前向纠错和自动重发( a r q ) 。前向 纠错的目的是减少重发的可能性，但同时增加了额外开销。然而在一个合理 的无错误率环境中，多余的头标会减少输出，故分组定义的本身也保持灵活 的方式，因此，在软件中可定义是否采用f e c 。一般而言，在信道的噪声干 扰比较大时，蓝牙系统会使用前向纠错方案以保证通信质量：对于s c o 链路， 使用1 3 前向纠错；对于a c l 链路，使用2 3 前向纠错。在无编号的自动请 哈尔滨工程大学硕士学位论文 求重发方案中，一个时隙传送的数据必须在下个时隙得到收到的确认。只 有数据在收端通过了报头错误检测和循环冗余校验( c i ) 后认为无错时才 向发端发回确认消息，否则返回一个错误消息。 目前蓝牙传送语音数据采用连续可变斜率增量调制( c v s d ) 编码。这 种编码可以保证很高的信噪比，它擅长处理丢失的和被损坏的语音采样，即 使比特错误率达到4 ，c v s d 编码的语音还是可听的。 2 1 6 安全技术 蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，虽然蓝牙系统所采用 的跳频技术己经提供了一定的安全保障，但是蓝牙系统仍然需要链路层和应 用层的安全管理。在链路层中，蓝牙系统使用认证、加密和密钥管理等功能 来进行安全控制。在应用层中，用户使用个人标识码( p 玳) 来进行单双向 认证。 蓝牙网络中的安全模式分为以下三类： 安全模式l ：又称无安全模式，运行在该模式下，蓝牙设备屏蔽所有的 安全机制。 安全模式2 ：又称服务级安全模式，该模式为应用程序提供多种灵活的 访问策略。 安全模式3 ：又称链路级安全模式，该模式要求设备在建立链路连接前 启动链路级安全措施。 安全模式2 与安全模式3 的本质区别在于：模式2 下，蓝牙设备在信道 建立以后启动安全性过程，即其安全性过程在较高协议进行；模式3 下，蓝 牙设备在信道建立以前启动安全性过程，即其安全性过程在低层协议进行。 蓝牙系统采用流密码方式对信息进行加密，适合硬件实现，密钥由高层 软件管理。 在蓝牙系统中，认证是一个非常重要的部分，它采用“询问应答机 制进行认证m 1 。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上文每一种技术对于整个蓝牙系统都是很重要的。 2 2 蓝牙系统的功能单元 蓝牙系统的功能单元包括无线射频部分、基带控制器部分、链路管理部 分、蓝牙协议软件部分和主机控制器接口部分。 蓝牙系统的原理框图如图2 1 所示。 2 2 1 无线射频部分 图2 1 蓝牙系统的原理框图 蓝牙技术的无线单元其实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、功耗都是决定蓝牙技术能否得到 更广泛应用的重要指标。蓝牙规范定义了3 种不同发射功率级别的蓝牙无线 收发器，一级为1 0 0 m w ( 2 0d b m ) ，二级为2 5m w ( 约4d b m ) ，三级为l m w ( od b m ) 。 对主设备而言，蓝牙无线r f 收发器主要实现蓝牙跳频扩频的奇时隙发 射和偶时隙接收( 对从设备正好相反) 。它包含有：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。蓝牙跳频采用间隔为1m h z 的7 9 个跳频点。其跳频速 率为1 6 0 0 跳秒，查询和呼叫时，跳频速率为3 2 0 0 跳秒。 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 基带控制器部分 蓝牙基带控制器部分实现蓝牙的基带协议，能实现物理信道和物理链路 的管理、数据的分组控制、加噪与校验，收发时序控制、跳频方案控制以及 蓝牙安全性的管理等功能。可实现数据和语音在所需的信道上正确而安全地 传输。它能够支持多达三条s c o 链路及一条a c l 链路的信道，或一条同时 支持s c o 链路和a c l 链路的信道。 2 2 3 链路管理部分 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 m p ( l i n km a n a g e rp r o t o c 0 1 ) 在运行相同链路管理 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，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( 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，如图2 2 所示。 图2 2 链路管理 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 4 蓝牙软件协议部分 蓝牙的低层协议以硬件形式或目标码的格式存在于基带控制器中，而主 机处理器支持上层协议的源程序，并通过主机控制器接口h c i 和基带控制器 与链路管理器相协调。它可能包含第二层控制与适配协议( l 2 c a p ) 、服务 发现协议( s d p ) 、电缆替代协议( r f c o m m ) 以及t c p i p 协议等。蓝牙规 范有很多的软件协议，根据具体的蓝牙系统来选择性地使用它们。 2 3 蓝牙协议栈 2 3 1 蓝牙协议的体系结构 蓝牙技术规范由s i g 制订，在使用通用无线传输模块和数据通信协议的 基础上，开发交互式服务和应用，多用于便携式通信设备。 蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够互通，本地设 备与远端设备需要使用相同的协议，不同的应用需要不同的协议，但是，所 有的应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。完整的蓝牙协议 层如图2 3 所示，不是任何应用都必须使用全部协议。 图2 3 显示所有协议之间的相互关系。在某些应用中这种关系是有变化 的，如需控制连接管理器时，可使用逻辑链路控制应用协议( l 2 c a p ) 、二 元电话控制规范( t c sb m r y ) 或连接管理协议( l ) 。 完整的协议包括蓝牙专利协议( l m p 和l 2 c a p ) 和非专利协议( 如对 象交换协议o b e x 和用户数据报协议u d p ) 。设计协议和协议栈的主要原则 是尽可能利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各 种应用之间的互通性，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙技术 规范的开放性保证了设备制造商可自由地选用其专利协议或常用的公共协 议，在蓝牙技术规范基础上开发新的应用。 2 3 2 蓝牙协议体系中的协议 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 服务发现 a t 音频视频音频视频 协议 电话控制 指 对象交 t c p ，u d p 音频 i ( s d p ) ( t c s ) 令 换协议 控制 分发 集 ( o b e x ) 网络协议( i p ) 传输协议 传输协议 ( a u d i o ) ( a v a v f 、t p 、 ，a 、，n t d 、 。- ，n 1 点对点协议( p p p ) 串口仿真网络封装办议 ( r f c o m m ) ( b n e p) 逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 主机控制接口( h c d 链路管理器协议( l m p ) 基带与链路控制( b a s e b a n d & l i n kc o n t r o l l c r ) 监才尢线射频( r f ) 图2 3 蓝牙协议栈体系 蓝牙协议栈体系大致可以分为四层。 核心协议：射频，基带，链路管理l m