（通信与信息系统专业论文）嵌入式蓝牙语音通信设备的设计.pdf

中文摘要 蓝牙技术是目前世界上最流行的短距离无线通信技术之一，得到了爱立信， 诺基亚，i b m ，东芝，英特尔等世界上顶级通信设备制造商的支持。蓝牙技术实 现了替代繁杂的电缆的作用，可以为无绳电话，移动电话，调制解调器，耳机， p d a ，电脑，打印机等提供无线连接。 本论文概括介绍了蓝牙协议及其基本的概念，深入分析了蓝牙协议栈的结 构，系统特性，应用剖面等。接着在此基础上，提出了三种蓝牙协议栈的实现方 式，标准的双处理器方式，嵌入式的双处理器方式，完全嵌入的单处理器方式。 比较之后，确定本设计要采取第三种开发模式。 然后在详细介绍了嵌入式系统的特性和描述了b l u e o r e 2 e x t e r n a l 为核一t l , 的 蓝牙模块的功能后，确定开发嵌入式语音通信设备的具体的思路和通用的方法。 b l u e c o r e 2 e x t e r n a l 是c s r 公司设计的，在世界上最流行的蓝牙芯片。c s r 公司 同时提供了开发应用所必备的硬件和软件工具c a s i r a 和b t u e l a b 。 最后详尽阐述了嵌入式蓝牙语音通信设备的设计过程。根据精心设计了蓝牙 车载免提系统电路原理图，制作了p c b 电路板，完成对蓝牙模块的参数配置和 实现了对语音芯片m s m 7 7 31 0 2 的控制。基于c s r 提供的v m 的嵌入式操作系 统，在分析了蓝牙设备之间通信连接的建立过程后，用c 语言开发了软件。并 且对样机进行了调试并通过。 关键词：蓝牙嵌入式系统协议虚拟机 a b s t r a c t t h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g y ，w h i c hh a sg a i n e dt h es u p p o r to fl e a d i n gm a n u f a c t u r e r s l i k ee r i c s s o n ，n o k i a ，i b m ，t o s h i b a ，i n t e la n do t h e r s ，n o wi so n eo ft h em o s tp o p u l a r s h o r t r a n g ew 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 i e s i te l i m i n a t e st h en e e df o rw i r e s ， c a b l e s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n n e c t o r sb e t w e e nc o r d l e s so rm o b i l ep h o n e s ，m o d e m ， h e a d s e t ，p d a s ，c o m p u t e r s ，p r i n t e r sa n d s oo i l t h et h e s i sg i v e sa no v e r v i e wo ft h es p e c i f i c a t i o no ft h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n d t h eb a s i cc o n c e p t sr e q u i r e df o rb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n da n a l y s e sd e e p l yt h ep r o t o c o l a r c h i t e c t u r e ，s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s ，a p p l i c a t i o np r o f i l e se t c t h e n t h r e ed i f f e r e n t i m p l e m n t a t i o n so fb l u e t o o t hp r o t c o ls t a c ka r ep r o p o s e d ，t w op r o c e s s o r ss t a n d a r d s o l u t i o n ，t w op r o c e s s o r se m b e d d e ds o l u t i o na n dw h o l l ye m b e d d e ds i n g l ep r o c e s s o r s o l u t i o n a f t e rc o m p a r i s o n ，t h et h i r dm o d e w a sa d o p t e d a f t e rc a r e f u l l ys t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n d t h ef u n c t i o n so ft h eb l u e t o o t hm o d u l ew h i c hc o r ei sb l u e c o r e 2 - e x t e n a l ，t h es p e c i f i c i d e aa n dn o m a lm e t h o do fe m b e d d e da u d i oc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tb a s e do n b l u e t o o t hi sd e c i d e d b l u e c o r e 2 一e x t e r n a li st h em o s tp o p u l a rb l u e t o o t hc h i pi nt h e w o r l dd e s i g n e db yc s rc o r p o r a t i o n c s rc o r p o r a t i o na l s op r o v i d e st h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l s ，c a s i r aa n db l u e l a b i nt h ee n d ，t h et h e s i sd e s c r i b e st h o r o u g h l yt h ed e s i g no fe m b e d d e da u d i o c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tb a s e do nb l u e t o o t h t h ep c bi sf a b r i c a t e da c c o r d i n gt o t h es c h e m a t i co ft h eh a n d s - f r e ee q u i p m e n t t h et h e s i sa l s oc o m p e l e t e st h es e r i n go f t h eb l u e t o o t hm o d u l ea n dr e a l i z et h ec o n t r o lo ft h ea u d i oc h i pm s m 7 7 31 - 0 2 a f t e r r e s e a r c ho nt h ec o n n e c t i o np r o c e s so ft h eb l u e t o o t he q u i p m e n t s ，t h es o f t w a r eb a s e d o nv ma n dw r i t t e nb yc l a n g u a g ei sa l s od e v e l o p e d t h es a m p l em a c h i n ei sd e b u g g e d a n dp a s s e d k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ，e m b e d e ds y s t e m ，p r o t o c o l ，v i r t u a lm a c h i n e 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基鎏盘翌或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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了谢意。 学位论文作者签名 誊建辉 签字日期：d ，年二月j日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨叠盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 奎遣烽 导师签名 签字日期： d f 年 月j 日 签字日期： 口湃。月日 天津大学硕士学位呛文 1 1 蓝牙技术概述 1 1 1 蓝牙技术产生的背景 第一章绪论 人们对计算机的运算能力和存储空间的需求使计算机技术以“摩尔定律”的 速率不断向前发展，当人们在运算能力和容量上得到一定的满足的时候，又在追 求设备的小型化和便携性能。蓝牙技术正是人们这种需求和追求的结果。蓝牙技 术把各种便携式电脑，个人数字助理，移动电话等用无线链路连接起来，使计算 机与通信更加紧密的结合起来，使人们能随时随地的进行数据和语音信息的交换 与传输。未来信息家电将以i n t e m e t 和家庭网络为基础，以无线连接实现双向传 输，是具有一定智能的3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n & c o n s u m e r ) 十t 融合的信息 产品，蓝牙技术是符合信息家电发展的优选技术。因此，计算机行业、移动通信 行业、家电行业等都对蓝牙技术很重视，认为将对未来的无线移动数据通信业务 有较大的促进作用。 1 1 2 蓝牙技术的产生 最早提出蓝牙概念的是爱立信移动通信公司。1 9 9 4 年，爱立信移动通信公 司为移动电话及电话附件之间寻找一种的低功耗、低成本的无线接口。作为无线 接口首先需要规定其工作的频谱范围，对技术造价、容量和接口尺寸大小也进行 了预先规定，目的是要保证该技术具有所有线缆连接所没有优势。该无线单元的 尺寸和功耗都必须足够小，使得它可以安装进许多便携设备中去，另外该技术必 须支持语音和数据通信。 最重要的是该技术应具有全球通用性，而不仅仅是技术的实现及提高性能， 要得到来自p c 硬件、便携机和移动电话行业坚实的、广阔的市场支持。1 9 9 8 年 2 月爱立信( e r i c s s o n ) 、英特尔( i n t e l ) 、东芝( t o s h i b a ) 年l 诺基亚州o l d a ) 等公司组成 了特别兴趣小组( s i g ) 。蓝牙s i g 是一个国际性非营利组织，它目的是制定蓝牙 统一的技术规范，控制软件的标准，用以实现来自不同厂商间蓝牙设备的互通性， 推广蓝牙技术的应用。“b l u e t o o t h ”是古丹麦国王的绰号，他统一了整个北欧地 区，建立了统一强大的丹麦王朝，受到后代的缅怀。所以瑞典e r i c s s o n 公司给予 这项无线技术的命名，也具有大一统天下的含义。 大津大学硕士学位论x 1 1 3 蓝牙技术的优势 蓝牙技术的优点可以概括为：功耗非常低、价格非常廉、体积非常小、功能 非常强、应用非常广、标准非常明。 功耗非常小。随着无线技术的广泛应用，功耗涉及到对人体健康、便携式设 备的电池电量，其他无线局域网共存的二方面的问题，足蓝牙协议设计首先要解 决的问题。蓝牙协议中的功耗分为1 m w 、25 m w 、1 0 0 r o w 三个级别。在1 0 m 范围内的连接，输出功率仅为i i i l w ，是微波炉使用功率的百万分之，是移动 电话功率的，j 、部分。加大功率也可以达到相当的通信范围。 价格非常廉。随着蓝牙解决方案的出现，将引起硅市场的庞大竞争和创新， 直接的结果就是监牙芯片和模块价格的急剧下降，以目前市场份额最大的蓝牙芯 片供货商c s r 公司的b l u e c o r e 2 j 阵片的价格为例，单芯片的价格已经能够低于5 美元，还在不断的下降。蓝牙已经成为一种廉价、低复杂度、高可靠性的无线接 口技术，可以使得系统的集成度大大提高，从而有利于人幅度降低产品成本。 体积非常小。有了蓝牙技术，人们从干头万绪的数据线连接中解放出来。 b l u e e o r e 2 系列的9 6 管脚采用v f b g a 封装的芯片大小仅为6 r a m 6 m m ，比指甲 盖还要小的多，有了它，任何嵌入该芯片的设备，在1 0 m 内，不需要任何数据 连接线，笔记本电脑或者移动电话就可以与所有的支持蓝牙技术的设备进行高效 率的数据联系，在瞬间即可组成一个个人网络系统，在这种网络系统中，使用者 只需要操纵手中设备，便可周转其他电子设备，或者与它们进行数据交流。 功能非常强。蓝牙最早是针对近距离的便携器件之间的红外链路( i n f r a r e d l i n k ，简称l r d a ) 存在的问题提出的，应用红外线链路收发器链接，虽然省去电 线和电缆的连接，但是有很多不便，不仅距离限制在l 2 m ，而且必须在视线上 直接对准，中间不能有任何阻挡，且只限于在两个设备之间连接。功能强大的蓝 牙在这方面远远领先。 功能非常强还体现在，在微微网中个设备能l 司时支持7 个设备工作，可以 透过墙壁和其他阻碍完成非视距传输，全向传播，安全保密。微微网又可以互连 为分散网，形成灵、括的以个人区域为应用环境的拓扑结构，从而实现各类设备问 的快速通信。 应用非常广。蓝牙技术的主要好处是消除了干头万绪的、令人头疼的电缆线， 通常这些电缆是用于连接设备问信息和同步所必需的，它简化了小型网络设备问 以及这些设备与i l a t e m e t 问的通信，免除了无绳电话或移动电话、调制解调器、 头套式送受话器、p d a 、计算机、打印机、幻灯机、局域网等之间加装电线、 电缆和连接器。现在用蓝牙产品把这些电缆都代替了，但它出现的意义远不止这 电缆和连接器。现在用蓝牙产品把这些电缆都代替了，但它出现的意义远不止这 火津大学硕士学位论文 一点，蓝牙革命遍及通信领域的各个方面，能涉及到各种各样的网络、办公电子 和家电信息产品，能波及到社会各个层面各个角落每个人，是建立个人局域网 ( p a n ) 的理想手段。而且这种技术可以延伸到那些完全不同的新设备和新应用中 去。除此之外，蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供通用接口以组建 一个远离固定网络的个人特别连接设备群。 蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，它能将不同的设备和终端全部统一起 来。由于蓝牙采用的微波技术，可以绕开障碍物传输信号，因此，用蓝牙芯片制 作的遥控器可以遥控整个家庭的电器。在战场上，给每个士兵戴一个蓝牙手环， 士兵间可以互相了解战况。 由于蓝牙技术可以同时支持数据、语音信号，这使得蓝牙的应用可能扩展到 成千上万种产品，人们可以随时随地以任何方式接入网络。 标准非常明。蓝牙技术的灵魂就是它是全球统一、开放的技术标准，以及世 界蓝牙组织s i g 知识产权共享的策略。从它诞生之日起，蓝牙就是一个由厂商自 己发起的技术协议，完全公开，而并非某一家独有和保密。只有申请加入s i g 并 成为其中一员，按照所规定的标准和规范工作，才能获得s i g 授权使用这项技术， 从而研发出经s i g 测试和认证的蓝牙技术产品。蓝牙技术采用2 4 g h z 的i s m 频 段( 工业、科学和医学) ，全球范围有效。与生俱来的开放性和透明性赋予了蓝 牙技术强大的生命力。 1 1 4 蓝牙技术及产品现状分析 蓝牙技术自提出以来，在短短几年内已经风靡全球，目前全球已有4 0 0 0 多 家企业推出了蓝牙芯片、蓝牙平台、应用程序、测试设备等产品。 “蓝牙芯片必须小巧、廉价、结构紧凑和功能强大的特点才能放进蜂窝电 话。”m i c r o l o g i c 公司的q u i r m 的话指出了蓝牙发展的三大目标。丛技术角度看， 蓝牙芯片集成了无线、基带和链路管理层的功能，事实上，链路管理层既可以通 过硬件实现，也可以用软件实现，如果用软件实现的话，那么芯片将被简化，而 且容易升级，且价格和大小变得合理。目前占据蓝牙芯片全球市场份额7 0 的 c s r ( c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ) 公司的芯片就是采用的这种设计理念，它们的 b l u e c o r e 系列芯片就是采用了1 6 b i t 的r i s c 处理器核来实现蓝牙底层协议的。 目前价格已经超越了5 美元的价格底线。在这种情况下，仅为移动电话嵌入蓝牙 芯片一项，全球蓝牙芯片的供货量就将达到2 5 亿片。 可以想见，在这些利好消息的刺激下，蓝牙技术在近期内将达到应用的狂潮。 天津大学硕十学位论文 1 2 本论文的主要工作 本论文从整体结构上讲，共分为六章。 第一章：绪论。介绍本研究的发展概况，课题发生的背景，论文的具体研究 内容和章节安排。 第二章：蓝牙协议体系结构。本章中剖析了蓝牙协议体系结构，深入地研究 了各层协议的功能。在最后分析提出了开发蓝牙技术应用产品，实现蓝牙协议栈 的三种方式。 第三章：嵌入式系统的设计。本章中从介绍嵌入式系统的概念入手，分析嵌 入式系统的特点，着重于嵌入式软件的开发，嵌入式操作系统的运行方式，从而 总结出开发嵌入式系统产品的思路和方法。 第四章：蓝牙系统开发工具。本章中对c s r 公司的嵌入蓝牙产品的硬件开 发工具c a s i r a 和软件开发包b l u e l a b 做了概括性的介绍。描述了开发中要运用到 的c s r 公司的b l u e c o r e 2 e x t e r n a l 芯片，以及基于该芯片开发的蓝牙模块的功能。 第五章：嵌入式蓝牙语音通信设备的设计。本章中阐述了嵌入式蓝牙语音通 信设备的设计方案，实现了蓝牙车载免提系统的样品。在硬件设计中，详细说明 了蓝牙模块的参数设置，语音芯片m s m 7 7 3 1 0 2 的控制方式，设计了原理图并 且制作了印刷电路板。在软件设计中，在c s r 提供的v m 的嵌入式操作系统上， 在分析了蓝牙设备之间通信连接的建立过程后，用软件加以实现；并且编写了控 制硬件的程序，加以综合调试通过。 第六章：总结和体会。本章中对完成此次设计工作进行了总结，谈了自己的 体会，并且展望了蓝牙技术应用的发展前景。 天津大学硕士学位论文 2 1 蓝牙的技术标准 第二章蓝牙协议体系结构 1 9 9 8 年5 月刚成立的b l u e t o o t hs i g 就联合宣布了用于高速无线网的标准 b l u e t o o t h1 0 通信协议规范。随后又不断升级规范版本如下： 1 9 9 9 年1 2 月公布1 0 b 版蓝牙技术标准； 2 0 0 1 年2 月公布1 1 版蓝牙技术标准； 2 0 0 3 年月公布1 2 版蓝牙技术标准； 2 0 0 4 年1 1 月公布2 0 版蓝牙技术标准。 蓝牙协议标准包括两份文件，一份系统核心协议，规定系统通信、控制、服 务等细节；另一份为蓝牙剖面结构。本论文以1 2 版蓝牙技术标准为准。 系统核心协议横向的由下至上定义了射频层，基带层，链路管理层，逻辑链 路控制和适配层，服务搜索层，串口仿真层，电话控制二进制层的协议。 表2 - 1蓝牙技术基本指标和系统参数 工作频段i s m 频段：2 4 0 2 2 4 8 0 g h z 双工方式全双工，t d d 时分双工 业务类型支持电路交换和分组交换 数据速率l m b i t s 非同步信道速率非对称7 2 3 2 k b i t s ，5 7 6 k b i t s ，对称4 3 3 9 k b i t s 同步信道速率 6 4 k b s 功率 分为三个级别 跳频频率数2 3 ，7 9 个频点m h z 跳频速率 1 6 0 0 次秒 工作模式p a r k ，h o l d s n i f f 数据连接方式 s c oa c l 纠错方式1 3 f e c2 3 f e ca r q 鉴权采用反应逻辑算术 信道加密采用0 位，4 0 位，6 0 位加密字符 语音编码方式 p c m c v s d 发射距离一般为1 0 m ，增加功率可达1 0 0 m 天津大学硕士学位论文 蓝牙剖面结构定义了如何采用一套基本协议标准实现互操作性的规范，是代 表具体应用模型的默认解决方案，是协议栈的垂直切片组合，是互操作性和标识 语要求的基础，是保护互操作性的主要手段。 普通接入剖面 业务发现剖面 无绳电话剖面 串行端口音4 面 内部通信剖面 拨号网络剖面 传真剖面 耳机剖面 局域网接入剖面 普通对象交换剖面 文件传输剖面 对象p u s h 剖面 同步剖面 普通接入剖面 j 业务发现剖面i i 无绳电话剖面li 内部通信剖面jl 串行端口剖面 普通对象交换剖面 拨号网络剖面 文件传输剖面 传真剖面 对象p u s h 剖面 耳机剖面 同步剖面 局域网接入剖面 图2 - 1 蓝牙剖面及其相互关系 蓝牙协议规范的目标是允许遵循规范的应用能够进行相互间操作。为了实现 互操作，在远程设备上的对应应用程序必须以同一协议栈运行。不同的应用可以 运行于不同的协议栈，但是，每一个协议栈都使用同一公用蓝牙数据链路和物理 层。图2 - 2 就是蓝牙协议栈的基本结构图。 并不是所有应用程序都利用全部协议。应用程序只利用协议栈中的某些部 分。并且，协议栈中的某些附加垂直协议子集恰恰是用于支持主要应用的服务， 比如说t c s 或者s d p 等。实际上，图2 2 描述的是当需要无线传输数据有效载 荷时，利用其他协议服务过程中的协议间的关系。这些协议应具有与其他协议间 的关联。例如，一些协议( 如l 2 c a p 、t c s ) 当需要控制链路管理器时，可以 使用链路管理器协议( l m p ) 。 蓝牙协议栈包括蓝牙指定协议( l m p 和l 2 c a p ) 和非蓝牙指定协议( 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，保证现有协议和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，在蓝牙技术规范的基 天津大学硕士学位论文 础上开发新的应用。 h c i 应用框架支持层 t c ss d pr f c o m m 语 l 2 c a p 日 l m b a s e b a n d r f 图2 - 2 蓝牙协议栈 按照蓝牙协议栈的结构图，可以将蓝牙协议栈分割成三部分： 底层硬件模块 中间协议层 高端应用层 2 2 1 底层硬件模块 链路管理层( l m ) 、基带层( b b ) 和射频( r f ) 构成蓝牙的底层模块。r f 通过 2 4 g h z 无需授权的i s m 频段，实现数据位流的过滤和传输，它主要定义了蓝牙 收发器应满足的要求。b b 层负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输。l m 层负责 连接的建立和拆除以及链路的安全和控制，它们为上层软件模块提供了不同的访 问入口，但是两个模块接口之间的消息和数据必须要通过蓝牙主机控制器接口 ( h c i ) 的解释才能进行。h c i 是蓝牙协议中软硬件的接口，提供了一个调用下层 b b 、l m 、状态寄存器等硬件的统一命令接口。 2 2 1 1 射频层 频段和信道的安排 蓝牙工作在全球通用的，不需要运营许可的2 4 g h zi s m ( 即工业、科学、 医学) 频段，采用跳频技术。 天津大学硕七学位论文 目前有两种跳频方案，大多数国家采用2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h z ，分配7 9 个跳 频信道，每个频道为1 m h z ，法国等少数国家采用2 ，4 4 6 5 2 4 8 3 5 g h z ，分配2 3 个1 m h z 的信道。采用不同跳频方案的的设备是不兼容的。 表2 - 2 蓝牙频段及其信道分配 方案带宽信道分配 | 7 9 信道系统 2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h z f = 2 4 0 2 + k m h z ，k = 0 ，1 ，7 8 | 2 3 信道系统2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h zf = 2 4 5 4 + km h z ，k - - 0 ，1 ，2 2 发射器特性 功率电平指设备的天线连接处测得的功率电平。 根据功率的电平值，可以把设备分成3 个级别 表2 - 3 蓝牙设备的发射功率级别 功率级别最大输出功率正常输出功率最小输出功率 功率控制 110 0 m w ( 2 0 d b m )n ，a l m w ( 0 d b m ) p m i n + 4 d b m 2 2 5 m w ( 4 d b m )l m w ( 0 d b m )o 2 5 r o w ( 一6 d b m ) p m i n - p m a x 3l m w ( 0 d b m )n an ap m i n p m a x 功率级别1 设备需要功率控制。一个具有2 0 d b m 的功率级别为1 的设备必 须具有调整器功率到4 d b 以下的能力。 调制特性 蓝牙使用的调制方案是g f s k ，b t = 0 5 ，调制指数在0 2 8 到o 3 5 之间，二 进制的1 用正的频偏表示，二进制的0 用一个负的频偏表示，符号定时要好于 2 0 p p m 。 f # e q u e n c y l e e 目lz e m c 0 9 蚋嶂 厂。i、 。卅。， ! z “。c ，。鼢 图2 - 3 实际发送调制特性 天津大学硕士学位论文 2 2 1 2 基带层 基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备之间由射频构成物理连接，主要 特点是顽健性、低复杂性和低费用。 蓝牙采用了一种电路和分组交换组合的方式，时隙可以预留，以便传输同步 分组。蓝牙可以支持1 个异步数据信道，最多3 个同时的同步语音信道，或者1 个同时的异步数据和同步语音信道，每个语音信道在每个方向上支持一个 6 4 k b i t s 的同步语音信道，异步数据信道能够支持非对称的7 2 3 2 k b i t s ( 上行 5 7 6 k b i t s ) 或者对称的4 3 3 ，9 k b i t s 的数据。 蓝牙系统由无线单元、链路控制单元、链路管理单元和主机终端端e 1 支持单 元构成。 蓝牙链 2 4 g h z 蓝牙链路管理和 路控制 无线 一 器 1 i o 单元 图2 - 4 蓝牙系统结构 蓝牙网络支持三种连接方式 a 1 点对点连接方式 b 1 一对多连接方式 曲分散网连接方式 蛊b 囝 c 图2 - 5 蓝牙网络组成结构 主机 个 m甲；1 天津大学硕士学位论文 物理链路 在主节点和从节点之间可以建立不同类型的物理链路，蓝牙定义了两种不同 类型的链路 同步面向连接的链路( s c o ) 一异步无连接的链路( a c l ) s c o 链路 s c o 链路是一个对称的、主节点与某个从节点之间的点到多点的同步链路。 s c o 链路预留时隙，因而可以看作电路交换连接，它一般用于支持时间受限的 应用，例如话音。主节点能够支持最多3 个s c o 链路，从同一个从节点或不同 的从节点。一个从节点可以支持3 个来自同一个主节点的s c o 链路或来自不同 主节点的2 个s c o 链路。s c o 分组不重传。 主节点以规定的时间间隙，即s c o 间隔t s c o ，在预留的主一从时隙向从节 点发送s c o 分组。在接下来的主一从时隙中允许s c o 的从节点进行响应，除非 先前的主从时隙指明另外一个从节点的地址。如果s c o 从分组头中解析从地 址失败，仍然允许其在预留的s c o 时隙返回一个s c o 分组。 a c l 链路 对于没有被s c o 链路预留的时隙，主节点可以与任何从节点进行数据交换。 a c l 链路提供了一种分组交换的机制，主节点可以与任何从节点进行异步的或 同步的通信。在一个主节点和从节点之间只能存在一个a c l 链路，对于多个a c l 分组，分组重传可以用来确保数据的完整性。 当且仅当先前的主一从时隙中指明了某个从节点的地址，这个从节点可以从 一主的时隙中返回一个a c l 分组。如果从节点从分组头中成功地解析到它的地 址，从节点就不能在后续的时隙中发送数据。 不指定特定的从节点的a c l 分组被认为是广播分组，每个从节点都可阅读， 如果在a c l 链路上没有数据发送，也没有轮询要求，就不发送任何消息。 分组 基带规范中分组和消息的b i t 次序使用l i t t l ee n d i a n 格式，即 一最不重要的b i t ( l s b ) 对应b o ； - l s b 最先发送 _ 在图例表示这种格式时，l s b 在最左边 微微网的数据分组格式，每个分组由接入码t a c e s sc o d e ) 、分组头( h e a d ) 和载荷( p a y l o a d ) 一= 部分组成， 天滓人学硕士学位论文 单l 卫! 生一 ! ：! ! 堑 磐! 呈 a c c c o d e e s s | h e a d e r p a y l o a d 图2 - 6 基带数据标准分组格式 接入码和分组头是固定长度的，分别是7 2 b i t 和5 4 b i t ，载荷部分长度可变， 从0 b i t 到2 7 4 5 b i t 。 接入码( a c c e s sc o d e ) 用于同步、d c 偏移补偿和标识。接入码标识微微网的信道中交换的所有分 组接入码也用于在寻呼和查询过程，在这种情况下，接入码作为信令消息的一 部分，而不是分组头或净荷部分。 分组头( h e a d e r l b 图2 - 7 分组头格式 a ma d d r 表示一个微微网中活动成员的地址。在一个微微网中，一个或者多个从节点 与个主节点相连，为了区分每个从节点，当从节点激活时就分配一个3 b i t 的临 时地址即a m _ a d d r 。 t y p e 共有1 6 中分组类型，用4 b i t 来区分。见表2 - - 4 f l o w 该b i t 用于对a c l 链路的分组进行流量控制。 a r q n 完成发送确认功能，为a c k ( a r q n = 1 ) 时表示接收端已经正确接收分组；为 n a c k ( a r q n 2 0 ) 时，表示接收端没有正确接收到分组。 s e q n 提供对数据流编号功能。 h e c 每个分组头有一个h e c 用于对分组头进行完整性校验。 _ 载荷格式 有两种不同的载荷：同步的语音字段和异步的数据字段。 语音字段的长度固定，数据字段的长度不固定。 天津大学硕十学位论文 表2 - 4 传输载荷的分组类型 分段 t y p e 占用时隙数s c o 链路a c l 链路 b 3 b 2 b l b 0 0 0 0 01n u l ln u l l 1 0 0 0 l1p o l l p o l l 0 0 1 0 1 f h sf h s 0 0 1 11d m ld m l 0 1 0 01没定义d h l 0 1 0 1 1h v l没定义 2 0 1 1 01h v 2 没定义 0 1 1 l1h v 3没定义 1 0 0 01d v没定义 1 0 0 1l 没定义a u x l 1 0 1 03没定义d m 3 31 0 1 l3 没定义d h 3 1 1 0 03 没定义没定义 1 1 0 13没定义没定义 41 1 1 05 没定义d m 5 1 1 1 15 没定义d m 5 蓝牙语音规范 蓝牙的空中接口，既可以使用6 4 k b i f f s 对数p c m 格式的语音编码，也可以 使用6 4 k b i t s 的连续可变斜率增量调制( c v s d ) 编码。后一种格式使用了具有音节 压缩的自适应增量调制算法。 一对数p c m 编解码 由于空中接口的语音信道能够支持6 4 k b i t s 的信息流，因此可以使用6 4 k b i t s 的p c m 格式编码方案。a 率和u 率压缩都支持。有时候是在线路接口上使用a 率，而在空中接口使用u 率，或者反之。 c v s d 编解码 在空中接口使用增量调制更能提高语音的顽健性。为了降低斜率过量效应， 使用了音节压缩算法，调整步长根据信号的斜率进行变化，c v s d 的输入是对线 性p c m 的6 4 k b i t s 的抽样。 天津大学硕十学位论文 图2 - 8c v s d 编码过程框图 图2 - 9c v s i ) 解码过程框图 蓝牙设各地址 每个蓝牙收发器都分配一个4 8 b i t 的蓝牙设备地址，该地址从i e e e 8 0 2 得来， 有3 个字段 一l a p ：较低地址部分，2 4 b i t ； 一u a p ：较高地址部分，8 b i t ； n a p ：无意义部分，1 6 b i t ： 所以整个地址空间容量为2 的3 2 次方。 l s b m s b 图2 1 0 蓝牙地址格式 鉴权和加密 蓝牙技术提供短距离的对等通信，它在应用层上都采取了保密措施以保证通 信的安全性，所有蓝牙设备都采用了相同的认证和加密方式。在链路层，使用四 个参数来加强通信的安全性，即蓝牙设各地址b d _ a d d r 、认证私钥，加密私钥 和随机r a n d 。 2 2 13 链路管理协议 链路管理协议主要完成三个方面的工作： 负责处理控制和协商发送数据使用的分组的大小 负责管理节点的功率模式和蓝牙节点在微微网中的状态 处理链路和密钥的生成、交换和控制 天津大学硕上学位论文 2 2 2 中间协议层 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 ) 、 串口仿真协议( r f c o m m ) 、电话控制协议规范( t c s ) 。l 2 c a p 完成数据拆装、服 务质量控制、协议复用、组提取等功能，是其他上层协议实现的基础，因此也是 蓝牙协议栈的核心部分。s d p 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。r f c o m m 依据e t s i 标准t s 0 7 1 0 在l 2 c a p 上仿真9 针r s 2 3 2 串口功能。t c s 提供蓝牙设备间语音和数据的呼叫控制信令。 2 2 2 1 逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 属于数据链路层的一部分，位于基带协议之上。它向上层提供面向连接和无 连接的数据服务，它的功能包括：协议的复用能力、分组的分割和重组以及组提 取功能。l 2 c a p 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。 l 2 c a p 规范只支持a c l 链路，不支持s c o 链路。l 2 c a p 需要基带完整性 检查，以此来保护所发送的信息。 l 2 c a p 的基本要求是协议简单和开销低。对于支持蓝牙的无线通信设备， 例如个人电脑，p d a ，移动电话、无线耳机和游戏操纵杆等，大都要求协议复杂 度要相对低，协议的设计要有相当高的频带效率。 协议复用功能 l 2 c a p 一定要支持协议复用，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 必须能够区别服务发现协议( s d p ) 、r f c o m m 和电话控制协议 ( t c s ) a 分组的分割和重组( s a r ) 与其他的有线媒体相比，蓝牙的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，而蓝牙基带的最大传输单元 只有3 4 1 b y t e ，两者不相匹配。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，在接收端，基带收到的多个较小的分组首先要进行 组合和进行完整性检查，之后再送到高层。基带为了支持具有较大分组的协议绝 对需要s a r 功能。 服务质量( o o s l l 2 c a p 连接建立过程允许交换服务质量信息。因此每个蓝牙的节点必须进 行资源的监视，以便向协议提供可靠的q o s 信息。 组管理 很多协议包含组地址的概念。蓝牙协议支持微微网的概念，即一组采用同一 个时钟的多个同步跳频设备。l 2 c a p 的组分割概念可以高效地将协议组映射到 天津大学硕士学位论文 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r 以 便有效的管理组。 l 2 c a p 设计过程是基于如下的假设： 已经在两个节点之间用链路管理协议( l m p ) 建立了一条a c l 链路。虽然 可能存在个别的分组的中断和重发，基带协议能够保证数据分组的顺序。 基带提供全双工的信道。并不是所有时候l 2 c a p 的通信都是双工的，组 播和单向业务不需要双工信道。 _ l 2 c a p 使用基带提供的可靠的信道。当收到请求和重发数据时，基带通 常要执行数据完整性校验，直到数据成功确认或者发生超时。由于可能 会丢失确认信息，所以即使数据成功发送，也可能发生超时，使用1 b i t 的s e q 去除重复的发送。特别注意的是，如果要求可靠性就不能使用广 播分组。 l 2 c a p 的层间操作 l 2 c a p 协议的实现遵循下面描述的一般的结构。它能够在上层和下层协议 之间传输数据。l 2 c a p 的实现定义了l 2 c a p 之间使用的信令命令。l 2 c a p 协 议的实现还必须准各接收来自下层的事件并向上层生成事件。层与层之间的通信 是基于“质询一响应”机制的。 图2 1 ll 2 c a p 协议结构 状态机 状态机定义了导致状态转换的状态和事件，以及用于响应事件的动作。 图2 1 2 说明由l 2 c a p 层应用所执行的事件和动作。客户和服务器分别代表 请求的发起方和接收方。一个应用层次的客户可以发起，也可以接受请求。两层 间的接口( 纵向接口) 使用向高层提供服务的低层前缀，如l 2 c a 。相同层实体间 的接口( 横向接口) 则使用协议前缀，如l 2 c a p 。来自高层的事件称为请求( r e q ) ， 天津大学硕士学位论文 而相应的答复称为确认( c f m ) 。来自低层的事件称为指示( i n d ) ，而相应的答复则 称为应答p n d ) 。 c l i e n t s 0 h c l 2 c ar e q u e s t l 2 c ac o n 时m 图2 1 2l 2 c a p 层互操作 1 2 0 a , p r a q u e s t l 2 c a p _ r e s p o n s e i 2 c ai n d i c a i b o n l 2 c af k 自煳s p 图2 1 3 使用报文序列图解释事件的正常接收序列 2 2 2 2 服务发现协议( s d p ) 蓝牙环境下的服务发现与传统网络环境下的服务发现有很大的不同，移动的 r f 环境变化很大，业务参数也不断变化。 s d p 是一个基于客户朋务器结构的协议。服务器保持一张描述服务器有关 服务特征的服务记录表。每一个服务记录都包含一项服务信息。客户可以通过发 送s d p 请求，从由s d p 服务器维护的服务记录中检索信息。 s d pr e q u e s ts s d ps d p c ! i er , ts e r v er s o pr e s p o ns e s 图2 1 4s d p 客户，服务器交互过程 天津大学硕士学位论文 如果客户或与客户有关的应用决定使用一种服务，它就必须建立一个到服务 提供方的连接。s d p 提供一种搜索服务及其属性的机制。 蓝牙设备与s d p 服务器应一一对应，且存在一个最大的对应数。一个蓝牙 设备既可以作为一个s d p 服务器也可以同时作为一个s d p 客户。如果一台设备 的多个应用程序同时提供服务，那么可以将s d p 服务器相关信息请求的服务提 供方。 服务记录 服务是任何一个能够提供信息、执行动作或代表另一个实体控制资源的实 体。服务可以以软件、硬件或者软硬件的混合形式执行。 由s d p 服务器所维护服务的所有信息都包含于一条服务记录中。该服务记 录全部由一张服务属性表组成。 服务属性1 服务属性2 服务属性n 图2 1 5 服务记录 服务属性 用于描述某一个服务的一个特征。服务属性由两部分组成：属性i d 和属性 值。 一属性i d 1 6 位无精度整数，可用于在服务记录中将不同的服务属性区分开来 表2 - 5 服务属性实例 s e r v i c e c l a s s i d l i s t标识由服务记录代表的服务类型 s e r v i c d d唯一标识某- - n 务实例 p r o t o c o l d e s c r i p t o r l i s t 表示可用于使用某一服务的协议栈 p r o v i d e r n a m e提供某一服务的个人或组织的文本名 i c o n u r l表示被某一图标引用的u r l s e r v i c e n a m e 含有服务名称的文本串 s e r v i c e d e s c r i p f i o n 描述服务的文本串 天津大学硕士学位论文 _ 属性值 也就是可变长度段，其含义由与其关联的属性l d 和包含该i d 的