（通信与信息系统专业论文）基于蓝牙技术的车域网关键技术的研究.pdf

东南大学硕士研究生论文 第一章绪论 小范围移动通信技术可以实现一定范围内的电子设备( 比如各种通信设备、 计算机及其终端设备以及家用电器等) 之间的无线移动互连，满足人们对通信的 移动化、个人化、多媒体化的需求，与大范围高速移动通信技术相辅相成，互为 补充。因而，小范围移动通信技术具有非常广阔的市场应用前景，并正以其特有 的优势展现出越来越强大的发展潜力。 本章将对几种小范围移动通信技术进行比较，在此基础上介绍本沦文研究的 课题及论文各章的内容安排。 1 1 几种小范围移动通信技术的比较 本章将比较几种有代表性的小范围移动通信技术：i e e e 8 0 2 1 1 【l 。2 】、红外传输 i r d a 2 4 】、家庭射频h o m e r f l 2 】【5 年蓝牙b l u e t o o “3 1 6 1 。其中，1 e e e 8 0 2 1 1 属于大 功率、长距离的无线通信技术，采用的是基于接入点的集中式组网方式；而 i r d a 、h o m e r f 和b l u e t o o t h 属于短距离、小功率的无线连接技术，采用的是自主 建网( a d h o c ) 方式。 1 1 1i e e e 8 0 2 1 1 i e e e 8 0 2 1 l 是无线局域网的规范及标准，8 0 2 协议包括物理层和m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层。 8 0 2 1 1 协议中定义了三种物理层工作方式：跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p s p r e a ds p e c t r u m ) 方式，该方式工作在2 4 g h zi s m ( i n d u s t r ys c i e n c em e d i c i n e ) 频段下，是在7 9 个信道上以每秒5 0 跳的速度进行跳频，f h s s 技术主要适用于需 要快速移动的端点，传输范围较小；直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ) 方式，该方式也工作在2 4 g h zi s m 频段上，是将数据扩展在连 续频谱上进行传输，适用于固定环境应用，或是对传输品质要求较高的应用；红 外传输。三种工作方式都支持1 m 和2 m b p s 传输速率。m a c 层利用信道评估、信 道同步和碰撞避免技术实现了基本的访问服务。由于8 0 2 1 l 在速率和传输距离上 都不能满足应用需要，i e e e 又进一步推出了8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l b ( 也称作w i f i ) 规范，信息传输速率最高可达到5 4 m b p s 。 1 1 2i r d a 红外线数据标准协会i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 是致力于建立无线传播 连接的国际标准组织。i r d a 技术实现了低成本的红外线点对点连接，在0 l m 的 范围内，当红外收发端口左右偏差不超过1 5 0 时，能够实现速率从9 6 0 0 b p s 到 1 6 m b p s 的数据传输。 i r d a 技术的致命缺陷在于：只有当红外收发设备点对点视线直接对准时才能 进行数据传输；不能穿透阻挡物；传输距离太短；通信只限于在两个设备之间进 行，不能同时链接更多的设备；没有提供链路级安全性能，底层的安全只依赖于 第1 页 东南大学硕士研究生论文 第一章绪论 小范围移动通信技术可以实现一定范围内的电子设备( 比如各种通信设备、 计算机及其终端设备以及家用电器等) 之间的无线移动互连，满足人们对通信的 移动化、个人化、多媒体化的需求，与大范围高速移动通信技术相辅相成，互为 补充。因而，小范围移动通信技术具有非常广阔的市场应用前景，并正以其特有 的优势展现出越来越强大的发展潜力。 本章将对几种小范围移动通信技术进行比较，在此基础上介绍本沦文研究的 课题及论文各章的内容安排。 1 1 几种小范围移动通信技术的比较 本章将比较几种有代表性的小范围移动通信技术：i e e e 8 0 2 1 1 【l 。2 】、红外传输 i r d a 2 4 】、家庭射频h o m e r f l 2 】【5 年蓝牙b l u e t o o “3 1 6 1 。其中，1 e e e 8 0 2 1 1 属于大 功率、长距离的无线通信技术，采用的是基于接入点的集中式组网方式；而 i r d a 、h o m e r f 和b l u e t o o t h 属于短距离、小功率的无线连接技术，采用的是自主 建网( a d h o c ) 方式。 1 1 1i e e e 8 0 2 1 1 i e e e 8 0 2 1 l 是无线局域网的规范及标准，8 0 2 协议包括物理层和m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层。 8 0 2 1 1 协议中定义了三种物理层工作方式：跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p s p r e a ds p e c t r u m ) 方式，该方式工作在2 4 g h zi s m ( i n d u s t r ys c i e n c em e d i c i n e ) 频段下，是在7 9 个信道上以每秒5 0 跳的速度进行跳频，f h s s 技术主要适用于需 要快速移动的端点，传输范围较小；直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ) 方式，该方式也工作在2 4 g h zi s m 频段上，是将数据扩展在连 续频谱上进行传输，适用于固定环境应用，或是对传输品质要求较高的应用；红 外传输。三种工作方式都支持1 m 和2 m b p s 传输速率。m a c 层利用信道评估、信 道同步和碰撞避免技术实现了基本的访问服务。由于8 0 2 1 l 在速率和传输距离上 都不能满足应用需要，i e e e 又进一步推出了8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l b ( 也称作w i f i ) 规范，信息传输速率最高可达到5 4 m b p s 。 1 1 2i r d a 红外线数据标准协会i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 是致力于建立无线传播 连接的国际标准组织。i r d a 技术实现了低成本的红外线点对点连接，在0 l m 的 范围内，当红外收发端口左右偏差不超过1 5 0 时，能够实现速率从9 6 0 0 b p s 到 1 6 m b p s 的数据传输。 i r d a 技术的致命缺陷在于：只有当红外收发设备点对点视线直接对准时才能 进行数据传输；不能穿透阻挡物；传输距离太短；通信只限于在两个设备之间进 行，不能同时链接更多的设备；没有提供链路级安全性能，底层的安全只依赖于 第1 页 东南大学硕士研究生论文 红外的视线直接对准的通信特点，可能被侦听。这些缺点限制了i r d a 技术的发展 和应用。 1 1 3h o m e r f 家庭射频工作组成立于1 9 9 8 年，致力于创建用于无线数据传输的开放性规 范。工作组认识到有线连接带来的移动困难、铺设新线路的高费用将阻止家庭嘲 络技术的普及，为此工作组开发了s w a p ( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c 0 1 ) 协 议，用于家庭范围内的计算机和家用电子设备间的无线通信。h o m e r f 的工作频段 是2 4 g h z ，采用跳频扩频技术，跳频速率为每秒5 0 跳。在不同调制方式下，其数 据传输速率为l m b p s 或4 m b p s 。支持数据和语音通信。 h o m e r f 的主要适用范围局限于家庭无线局域网，由于该技术没有完全公 开，并且在抗干扰等方面相对其它技术尚有缺陷，因此其市场应用前景并不乐 观。 1 1 4b l u e t o o t h 1 9 9 8 年5 月，爱立信、诺基亚、东芝、m m 和英特尔五家公司组成的蓝牙特 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 ) 联合宣布了一项名位“蓝牙”的技术， “蓝牙”是以中世纪北欧第一个统一语言的国王的绰号命名的。蓝牙技术是一种 开放性的、短距离无线通信技术标准，适用于在较小范围内通过无线连接的方式 实现固定设备及移动设备之间的互连，可以在各种数字设备之间实现灵活、安 全、低成本、小功耗的语音和数据通信。蓝牙技术的产生带来了无线通信领域的 革命，采用蓝牙技术的产品更因其强大的功能而成为无线市场的新亮点。目前蓝 牙s i g 的企业成员数已增加到上千家，国际上很多有实力的公司包括m o t o r o l a 、 3 c o m 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 等都加入了蓝牙s i g ，成为蓝牙技术的坚强后盾。 蓝牙技术的主要特点是： 工作在全球开放的2 4 g h zi s m 频段上，当发射功率小于1 w 时，该频段 频率资源的使用是完全自由的，无须申请和授权 1 m b p s 的数据传输速率。支持语音和数据传输，满足了对多媒体业务的应 用需求 i l l 体积小，价格低，功耗低，并且集成电路应用简单，容易实现，易于推广 具有很强的移动性和灵活性，可以随时随地用无线接1 5 代替有线电缆连接 采用简单而可靠的语音编码技术 可靠的、配置灵活的安全设计 6 培】。蓝牙系统提供了基带层、链路层和应 用层的安全。基带层的安全由蓝牙的高速跳频特性来保证。链路层安全由 四个安全实体来保证：每个蓝牙设备都有一个全球唯一的、公开的设备地 址i1 2 8 比特的私有鉴权密钥( 也称链路密钥) ，用于对将要连接的设备 进行身份鉴别；8 1 2 8 比特的私有加密密钥，用于数据加密机制，以保 证可靠的数据传输。加密密钥长度可变的特点，可以适应不同国家对加密 算法的不同需要，并且将来改进时可以简化对算法和加密系统硬件的重新 第2 页 东南大学硕士研究生论文 红外的视线直接对准的通信特点，可能被侦听。这些缺点限制了i r d a 技术的发展 和应用。 1 1 3h o m e r f 家庭射频工作组成立于1 9 9 8 年，致力于创建用于无线数据传输的开放性规 范。工作组认识到有线连接带来的移动困难、铺设新线路的高费用将阻止家庭嘲 络技术的普及，为此工作组开发了s w a p ( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c 0 1 ) 协 议，用于家庭范围内的计算机和家用电子设备间的无线通信。h o m e r f 的工作频段 是2 4 g h z ，采用跳频扩频技术，跳频速率为每秒5 0 跳。在不同调制方式下，其数 据传输速率为l m b p s 或4 m b p s 。支持数据和语音通信。 h o m e r f 的主要适用范围局限于家庭无线局域网，由于该技术没有完全公 开，并且在抗干扰等方面相对其它技术尚有缺陷，因此其市场应用前景并不乐 观。 1 1 4b l u e t o o t h 1 9 9 8 年5 月，爱立信、诺基亚、东芝、m m 和英特尔五家公司组成的蓝牙特 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 ) 联合宣布了一项名位“蓝牙”的技术， “蓝牙”是以中世纪北欧第一个统一语言的国王的绰号命名的。蓝牙技术是一种 开放性的、短距离无线通信技术标准，适用于在较小范围内通过无线连接的方式 实现固定设备及移动设备之间的互连，可以在各种数字设备之间实现灵活、安 全、低成本、小功耗的语音和数据通信。蓝牙技术的产生带来了无线通信领域的 革命，采用蓝牙技术的产品更因其强大的功能而成为无线市场的新亮点。目前蓝 牙s i g 的企业成员数已增加到上千家，国际上很多有实力的公司包括m o t o r o l a 、 3 c o m 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 等都加入了蓝牙s i g ，成为蓝牙技术的坚强后盾。 蓝牙技术的主要特点是： 工作在全球开放的2 4 g h zi s m 频段上，当发射功率小于1 w 时，该频段 频率资源的使用是完全自由的，无须申请和授权 1 m b p s 的数据传输速率。支持语音和数据传输，满足了对多媒体业务的应 用需求 i l l 体积小，价格低，功耗低，并且集成电路应用简单，容易实现，易于推广 具有很强的移动性和灵活性，可以随时随地用无线接1 5 代替有线电缆连接 采用简单而可靠的语音编码技术 可靠的、配置灵活的安全设计 6 培】。蓝牙系统提供了基带层、链路层和应 用层的安全。基带层的安全由蓝牙的高速跳频特性来保证。链路层安全由 四个安全实体来保证：每个蓝牙设备都有一个全球唯一的、公开的设备地 址i1 2 8 比特的私有鉴权密钥( 也称链路密钥) ，用于对将要连接的设备 进行身份鉴别；8 1 2 8 比特的私有加密密钥，用于数据加密机制，以保 证可靠的数据传输。加密密钥长度可变的特点，可以适应不同国家对加密 算法的不同需要，并且将来改进时可以简化对算法和加密系统硬件的重新 第2 页 东南大学硕士研究生论文 红外的视线直接对准的通信特点，可能被侦听。这些缺点限制了i r d a 技术的发展 和应用。 1 1 3h o m e r f 家庭射频工作组成立于1 9 9 8 年，致力于创建用于无线数据传输的开放性规 范。工作组认识到有线连接带来的移动困难、铺设新线路的高费用将阻止家庭嘲 络技术的普及，为此工作组开发了s w a p ( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c 0 1 ) 协 议，用于家庭范围内的计算机和家用电子设备间的无线通信。h o m e r f 的工作频段 是2 4 g h z ，采用跳频扩频技术，跳频速率为每秒5 0 跳。在不同调制方式下，其数 据传输速率为l m b p s 或4 m b p s 。支持数据和语音通信。 h o m e r f 的主要适用范围局限于家庭无线局域网，由于该技术没有完全公 开，并且在抗干扰等方面相对其它技术尚有缺陷，因此其市场应用前景并不乐 观。 1 1 4b l u e t o o t h 1 9 9 8 年5 月，爱立信、诺基亚、东芝、m m 和英特尔五家公司组成的蓝牙特 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 ) 联合宣布了一项名位“蓝牙”的技术， “蓝牙”是以中世纪北欧第一个统一语言的国王的绰号命名的。蓝牙技术是一种 开放性的、短距离无线通信技术标准，适用于在较小范围内通过无线连接的方式 实现固定设备及移动设备之间的互连，可以在各种数字设备之间实现灵活、安 全、低成本、小功耗的语音和数据通信。蓝牙技术的产生带来了无线通信领域的 革命，采用蓝牙技术的产品更因其强大的功能而成为无线市场的新亮点。目前蓝 牙s i g 的企业成员数已增加到上千家，国际上很多有实力的公司包括m o t o r o l a 、 3 c o m 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 等都加入了蓝牙s i g ，成为蓝牙技术的坚强后盾。 蓝牙技术的主要特点是： 工作在全球开放的2 4 g h zi s m 频段上，当发射功率小于1 w 时，该频段 频率资源的使用是完全自由的，无须申请和授权 1 m b p s 的数据传输速率。支持语音和数据传输，满足了对多媒体业务的应 用需求 i l l 体积小，价格低，功耗低，并且集成电路应用简单，容易实现，易于推广 具有很强的移动性和灵活性，可以随时随地用无线接1 5 代替有线电缆连接 采用简单而可靠的语音编码技术 可靠的、配置灵活的安全设计 6 培】。蓝牙系统提供了基带层、链路层和应 用层的安全。基带层的安全由蓝牙的高速跳频特性来保证。链路层安全由 四个安全实体来保证：每个蓝牙设备都有一个全球唯一的、公开的设备地 址i1 2 8 比特的私有鉴权密钥( 也称链路密钥) ，用于对将要连接的设备 进行身份鉴别；8 1 2 8 比特的私有加密密钥，用于数据加密机制，以保 证可靠的数据传输。加密密钥长度可变的特点，可以适应不同国家对加密 算法的不同需要，并且将来改进时可以简化对算法和加密系统硬件的重新 第2 页 东南大学硕 士研究生论文 设计；1 2 8 比特随机数。应用层的安全由应用层的鉴权和加密实现，这可 以根据具体应用进行配置。 1 2 项目介绍及本文内容安排 蓝牙技术可以实现短距离的无线多媒体通信，是建立无线个域网( w p a n ， w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 的代表性技术，应用非常广泛。现在这项技术的 应用已经进一步延伸到了汽车领域。 汽车驾驶过程中使用手机很容易导致交通事故，一些国家也已明令禁止驾车 时使用手机，而蓝牙技术的引入可以有效地解决这个问题。通过在手机上加载蓝 牙芯片，配合车内安装的蓝牙自动识别系统，组成一个蓝牙车域网。用户上车 时，车内蓝牙自动识别系统会自动与蓝牙手机建立无线连接，驾驶员无需任何操 作，手机来电时即可自动切换到车内的音响系统或耳机，轻松实现车内通信。并 且自动识别系统配备了多个适配接口，通过自动识别系统提供的人机接口和音响 系统，用户甚至可以通过手机享受到蜂窝网提供的其它各种服务，实现无线上 网、车载定位、卫星导航以及下载视频和音频文件等多媒体功能。蓝牙技术以其 低功耗和低成本的特点成为了组建无线车域网的一项关键技术。 1 2 1项目介绍 本文是针对基于蓝牙技术的车域网中关键技术的研究，研究的课题属于 m o t o r o l a 公司的蓝牙车载套件( c a r k i t ) 开发项目。论文研究的车域网系统由 c a r k i t 和充当网关的蓝牙手机组成，系统开发的主要任务是研制c a r k i t ，此外还需 要设计一个蓝牙模拟网关用作对c a r k i t 进行性能测试。 c a r k i t 即是车内蓝牙自动识别系统，它是适用于汽车环境的嵌入式蓝牙车载 终端设备，可以与车域范围内的一个或多个蓝牙网关( 如蓝牙手机) 建立蓝牙链 路，组成无线网络。目前本项目开发的c a r k i t 集成了蓝牙免提和蓝牙耳机应用。 蓝牙网关是带有蓝牙功能的手机等，它能与车内其它蓝牙设备建立无线连 接，同时能够访问蜂窝网。本项目开发中需要带有免提或耳机功能的网关，以对 c a r k i t 进行性能测试。用来测试的网关可以采用现有的支持蓝牙免提电话或耳机 功能的手机，此外本项目中还自行开发了一个基于w i n d o w s 平台、集成了蓝牙免 提和蓝牙耳机应用的模拟蓝牙网关。 本论文的主要工作是对蓝牙c a r k i t 进行研究和分析，包括c a r k i t 嵌入式系统 开发方案的设计，人机接口层以及部分系统驱动程序的设计实现，c a r k i t 软件模 块在实时操作系统上的集成，以及系统自引导方案的设计和实现。 1 。2 2 本文内容安排 本文共分为六章，各章主要内容如下： 第一章绪论。通过对各种小范围移动通信技术的比较体现了蓝牙技术的优势 和特点，在此基础上介绍了本论文的研究课题和主要内容安排。 第3 页 东南大学硕 士研究生论文 设计；1 2 8 比特随机数。应用层的安全由应用层的鉴权和加密实现，这可 以根据具体应用进行配置。 1 2 项目介绍及本文内容安排 蓝牙技术可以实现短距离的无线多媒体通信，是建立无线个域网( w p a n ， w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 的代表性技术，应用非常广泛。现在这项技术的 应用已经进一步延伸到了汽车领域。 汽车驾驶过程中使用手机很容易导致交通事故，一些国家也已明令禁止驾车 时使用手机，而蓝牙技术的引入可以有效地解决这个问题。通过在手机上加载蓝 牙芯片，配合车内安装的蓝牙自动识别系统，组成一个蓝牙车域网。用户上车 时，车内蓝牙自动识别系统会自动与蓝牙手机建立无线连接，驾驶员无需任何操 作，手机来电时即可自动切换到车内的音响系统或耳机，轻松实现车内通信。并 且自动识别系统配备了多个适配接口，通过自动识别系统提供的人机接口和音响 系统，用户甚至可以通过手机享受到蜂窝网提供的其它各种服务，实现无线上 网、车载定位、卫星导航以及下载视频和音频文件等多媒体功能。蓝牙技术以其 低功耗和低成本的特点成为了组建无线车域网的一项关键技术。 1 2 1项目介绍 本文是针对基于蓝牙技术的车域网中关键技术的研究，研究的课题属于 m o t o r o l a 公司的蓝牙车载套件( c a r k i t ) 开发项目。论文研究的车域网系统由 c a r k i t 和充当网关的蓝牙手机组成，系统开发的主要任务是研制c a r k i t ，此外还需 要设计一个蓝牙模拟网关用作对c a r k i t 进行性能测试。 c a r k i t 即是车内蓝牙自动识别系统，它是适用于汽车环境的嵌入式蓝牙车载 终端设备，可以与车域范围内的一个或多个蓝牙网关( 如蓝牙手机) 建立蓝牙链 路，组成无线网络。目前本项目开发的c a r k i t 集成了蓝牙免提和蓝牙耳机应用。 蓝牙网关是带有蓝牙功能的手机等，它能与车内其它蓝牙设备建立无线连 接，同时能够访问蜂窝网。本项目开发中需要带有免提或耳机功能的网关，以对 c a r k i t 进行性能测试。用来测试的网关可以采用现有的支持蓝牙免提电话或耳机 功能的手机，此外本项目中还自行开发了一个基于w i n d o w s 平台、集成了蓝牙免 提和蓝牙耳机应用的模拟蓝牙网关。 本论文的主要工作是对蓝牙c a r k i t 进行研究和分析，包括c a r k i t 嵌入式系统 开发方案的设计，人机接口层以及部分系统驱动程序的设计实现，c a r k i t 软件模 块在实时操作系统上的集成，以及系统自引导方案的设计和实现。 1 。2 2 本文内容安排 本文共分为六章，各章主要内容如下： 第一章绪论。通过对各种小范围移动通信技术的比较体现了蓝牙技术的优势 和特点，在此基础上介绍了本论文的研究课题和主要内容安排。 第3 页 东南大学硕 士研究生论文 设计；1 2 8 比特随机数。应用层的安全由应用层的鉴权和加密实现，这可 以根据具体应用进行配置。 1 2 项目介绍及本文内容安排 蓝牙技术可以实现短距离的无线多媒体通信，是建立无线个域网( w p a n ， w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 的代表性技术，应用非常广泛。现在这项技术的 应用已经进一步延伸到了汽车领域。 汽车驾驶过程中使用手机很容易导致交通事故，一些国家也已明令禁止驾车 时使用手机，而蓝牙技术的引入可以有效地解决这个问题。通过在手机上加载蓝 牙芯片，配合车内安装的蓝牙自动识别系统，组成一个蓝牙车域网。用户上车 时，车内蓝牙自动识别系统会自动与蓝牙手机建立无线连接，驾驶员无需任何操 作，手机来电时即可自动切换到车内的音响系统或耳机，轻松实现车内通信。并 且自动识别系统配备了多个适配接口，通过自动识别系统提供的人机接口和音响 系统，用户甚至可以通过手机享受到蜂窝网提供的其它各种服务，实现无线上 网、车载定位、卫星导航以及下载视频和音频文件等多媒体功能。蓝牙技术以其 低功耗和低成本的特点成为了组建无线车域网的一项关键技术。 1 2 1项目介绍 本文是针对基于蓝牙技术的车域网中关键技术的研究，研究的课题属于 m o t o r o l a 公司的蓝牙车载套件( c a r k i t ) 开发项目。论文研究的车域网系统由 c a r k i t 和充当网关的蓝牙手机组成，系统开发的主要任务是研制c a r k i t ，此外还需 要设计一个蓝牙模拟网关用作对c a r k i t 进行性能测试。 c a r k i t 即是车内蓝牙自动识别系统，它是适用于汽车环境的嵌入式蓝牙车载 终端设备，可以与车域范围内的一个或多个蓝牙网关( 如蓝牙手机) 建立蓝牙链 路，组成无线网络。目前本项目开发的c a r k i t 集成了蓝牙免提和蓝牙耳机应用。 蓝牙网关是带有蓝牙功能的手机等，它能与车内其它蓝牙设备建立无线连 接，同时能够访问蜂窝网。本项目开发中需要带有免提或耳机功能的网关，以对 c a r k i t 进行性能测试。用来测试的网关可以采用现有的支持蓝牙免提电话或耳机 功能的手机，此外本项目中还自行开发了一个基于w i n d o w s 平台、集成了蓝牙免 提和蓝牙耳机应用的模拟蓝牙网关。 本论文的主要工作是对蓝牙c a r k i t 进行研究和分析，包括c a r k i t 嵌入式系统 开发方案的设计，人机接口层以及部分系统驱动程序的设计实现，c a r k i t 软件模 块在实时操作系统上的集成，以及系统自引导方案的设计和实现。 1 。2 2 本文内容安排 本文共分为六章，各章主要内容如下： 第一章绪论。通过对各种小范围移动通信技术的比较体现了蓝牙技术的优势 和特点，在此基础上介绍了本论文的研究课题和主要内容安排。 第3 页 东南大学硕 士研究生论文 第二章介绍了蓝牙技术。首先分析了蓝牙系统、蓝牙网络拓扑结构，其次介 绍了蓝牙协议栈中的主要协议层次，最后详细介绍了蓝牙应用中最基础的应用规 范蓝牙通用接入应用规范。 第三章介绍了基于蓝牙技术的车域网系统的设计方案。在对蓝牙免提和耳机 应用规范的进行分析的基础上，详细讨论了车域网系统设计方案，并对车域网系 统中的终端设备c a r k i t 的软硬件结构，包括器件选择、软件模块划分等作了详细 分析。 第四章介绍了c a r k i t 人机接口( m m i ，m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 部分的设计与 丌发。首先分析了m m i 的设计思想，之后从消息传输机制、状态机和人机接口模 块分析了m m i 的设计实现，最后介绍了几个系统驱动程序的丌发和实现。 第五章介绍了c a r k i t 基于u c o s 实时多任务内核的软件模块集成。在对u c o s 的任务、任务调度、服务进行分析的基础上，详细介绍了u c o s 的移植、定制，并 对任务划分、优先级分配、任务间通信的设计实现进行了介绍。 第六章设计并实现了c a r k i t 系统的自引导方案。通过分析处理器芯片片内固 化的自引导模式，设计并实现了整个系统的自引导方案。 第4 页 东南大学硕 士研究生论文 第二章蓝牙技术概述 随着计算和通信设备的大量应用，带来了它们之间如何进行连接的问题。蓝 牙技术提供了一种短距离无线连接的解决方案，这是一种简单、低廉并且低功耗 的解决方案，可以随时随地用无线接1 2 1 来替代有线电缆的连接。通过蓝牙，用户 可以简单轻松地连接大量的设备而不需要电缆，真正从纷繁复杂的线缆中解脱出 来。 但是蓝牙技术不仅仅是电缆替代技术。蓝牙作为一种短距离无线通信技术， 工作在全球开放性的2 4 g h z 频段，可以支持设备之间的数据和语音通信，传输速 率可以达到1 0 m b p s 。同时蓝牙具有芯片体积小、价格低廉和低功耗的优势，被认 为应用非常广泛且极具发展潜力。蓝牙技术可以用于无线设备( 如p d a 、手机、 无绳电话) 、图象处理设备( 如照相机、打印机、扫描仪) 、安全领域( 如智能 卡、身份识别) 、汽车电子( 如耳机、车载免提) 、家用电子( 如电视机、冰 箱、微波炉) 以及医疗、娱乐、建筑等多个领域。 本章将对蓝牙技术进行全面而且详细的介绍。首先介绍蓝牙系统组成单元和 蓝牙组网结构，之后分层介绍蓝牙核心协议，最后总体介绍了蓝牙应用模型，并 重点介绍最基础的蓝牙应用模型通用接入应用模型。 2 1 蓝牙系统简介 2 1 1蓝牙系统 蓝牙系统2 】 6 1 嘲由射频单元、链路控制( 硬件) 单元、链路管理( 软件) 单元 和蓝牙协议栈( 软件) 四个功能单元构成，如图2 - 1 所示。 图2 1 蓝牙系统单元构成图 2 1 1 1 射频单元 蓝牙系统工作在2 4 g h z 的i s m 频段，以时分双工的方式工作，采用g f s k 调制技术。由于i s m 频段是开放性的公用频段，蓝牙采用了跳频、自适应功率控 制和以短数据包通信的技术来抗干扰。 蓝牙将从2 4 0 2 至2 8 0 0 g h z 之间的频带划分为7 9 个跳频信道，在一次连接 中，蓝牙的无线收发器会按照一定的伪随机码序列从一个信道跳转至另一个信 道，而其它设备不可能以同样的规律进行频率跳转，因而跳频技术增强了蓝牙系 第5 页 东南大学硕 士研究生论文 第二章蓝牙技术概述 随着计算和通信设备的大量应用，带来了它们之间如何进行连接的问题。蓝 牙技术提供了一种短距离无线连接的解决方案，这是一种简单、低廉并且低功耗 的解决方案，可以随时随地用无线接1 2 1 来替代有线电缆的连接。通过蓝牙，用户 可以简单轻松地连接大量的设备而不需要电缆，真正从纷繁复杂的线缆中解脱出 来。 但是蓝牙技术不仅仅是电缆替代技术。蓝牙作为一种短距离无线通信技术， 工作在全球开放性的2 4 g h z 频段，可以支持设备之间的数据和语音通信，传输速 率可以达到1 0 m b p s 。同时蓝牙具有芯片体积小、价格低廉和低功耗的优势，被认 为应用非常广泛且极具发展潜力。蓝牙技术可以用于无线设备( 如p d a 、手机、 无绳电话) 、图象处理设备( 如照相机、打印机、扫描仪) 、安全领域( 如智能 卡、身份识别) 、汽车电子( 如耳机、车载免提) 、家用电子( 如电视机、冰 箱、微波炉) 以及医疗、娱乐、建筑等多个领域。 本章将对蓝牙技术进行全面而且详细的介绍。首先介绍蓝牙系统组成单元和 蓝牙组网结构，之后分层介绍蓝牙核心协议，最后总体介绍了蓝牙应用模型，并 重点介绍最基础的蓝牙应用模型通用接入应用模型。 2 1 蓝牙系统简介 2 1 1蓝牙系统 蓝牙系统2 】 6 1 嘲由射频单元、链路控制( 硬件) 单元、链路管理( 软件) 单元 和蓝牙协议栈( 软件) 四个功能单元构成，如图2 - 1 所示。 图2 1 蓝牙系统单元构成图 2 1 1 1 射频单元 蓝牙系统工作在2 4 g h z 的i s m 频段，以时分双工的方式工作，采用g f s k 调制技术。由于i s m 频段是开放性的公用频段，蓝牙采用了跳频、自适应功率控 制和以短数据包通信的技术来抗干扰。 蓝牙将从2 4 0 2 至2 8 0 0 g h z 之间的频带划分为7 9 个跳频信道，在一次连接 中，蓝牙的无线收发器会按照一定的伪随机码序列从一个信道跳转至另一个信 道，而其它设备不可能以同样的规律进行频率跳转，因而跳频技术增强了蓝牙系 第5 页 东南大学硕 士 研究生论文 统的抗干扰能力和安全性。蓝牙发射功率分为三个等级，即l m w 、2 5 m w 和 1 0 0 m w ，其发射距离从1 0 厘米到1 0 0 米。蓝牙的自适应功率控制体现在，接收设 备可以根据接收信号强度和链路实际需要，要求发送设备动态调节发射功率。并 且当业务量减少或停止时，蓝牙设备可进入低功率工作模式。 2 1 1 2 链路控制( 硬件) 单元 链路控制单元实现了基带协议和一些低层的链路操作。 在蓝牙网络中，所有的蓝牙设备地位都是平等的，主动呼叫的设备为主设备 ( m a s t e r ) ，被动呼叫的设备为从设备( s l a v e ) 。蓝牙跳频序列由主设备的蓝牙地址决 定，跳频间隔由主设备的蓝牙时钟决定。蓝牙设备标称的跳频速率是每秒1 6 0 0 跳，则跳频信道划分为时隙，每个时隙长6 2 5 u s 。这些时隙根据主设备的蓝牙时钟 编号，范围从0 至2 2 7 1 。 蓝牙协议是电路交换与分组交换的结合。蓝牙主从设备间，可建立面向连接 的同步链路( 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 dl i n k ) 年i 无连接异步链路( a c l ， a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s sl i n k ) 。s c o 链路是对称的、点对点的链路，占用固 定间隔的保留时隙，被看作是电路交换，典型应用是用作语音通信；a c l 链路提 供分组交换的连接，占用非s c o 链路的时隙，支持异步和等时传输。 蓝牙技术支持一个异步数据通道，或三个并发的同步语音通道，或一个同时 传送异步数据和同步语音的通道。每条语音通道支持6 4 k b p s 的同步语音；异步通 道支持最大7 2 3 2 k b p s ( 相应的反向应答速率最大为5 7 6 k b p s ) 的非对称连接，或 4 3 3 9 k b p s 的对称连接。 蓝牙基带提供了加密和鉴权以保证通信的安全。蓝牙的鉴权机制是询问应答 机制，只有通过鉴权，蓝牙设备问才能进行连接。蓝牙系统采用密码流技术对信 息进行加密操作。 2 1 1 3 链路管理( 软件) 单元 链路管理单元实现了链路管理协议( l m p ，l i n km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) ，它将 来自蓝牙协议栈的命令转化成基带的操作，负责建链和拆链、链路配置和链路安 全。该单元主要实现了以下功能： 将从设备加入蓝牙网络，并为其分配网络成员地址。 中断连接，从蓝牙网络中将从设备剔除。 配置链路，包括控制主从设备切换。 建立s c o 和a c l 链路。 将连接转化成低功耗模式：保持模式、呼吸模式或休眠模式。 控制测试模式。 2 1 1 4 蓝牙协议栈( 软件) 单元 蓝牙软件协议栈是一个独立的作业系统，不与任何操作系统捆绑，并且符合 蓝牙规范的要求。蓝牙规范包括两个部分，一部分是蓝牙核心协议部分，规定了 第6 页 东南大学硕 士研究生论文 射频、基带、连接管理、服务发现、传输层以及与其它通信协议之间的互通性和 互操作性相关的组件；另一部分是蓝牙应用规范( p r o f i l e ) 部分，规定了不同蓝牙 应用所需的协议和操作过程。 2 1 2网络拓扑结构 图2 2 是蓝牙网络拓扑结构的示意图。蓝牙技术支持点对点和一点对多点的通 信，采用的是a d - h o c 的组网方式。在建立网络之前，所有的蓝牙设备的地位都是 平等的，只有当某个蓝牙设备首先主动发起建链操作时，该设备才成为m a s t e r 。 蓝牙网络的基本单元是微微网( p i c o n e t ) 。两个以上蓝牙设备共享同。+ 信道 就构成微微网。一个微微网中只能有1 个主设备，但最多可以有7 个从设备，所有 的从设备都与主设备在时间和跳频上同步。 图2 - 2 蓝牙微微网( a ) 和分布式网络i b ) 示意图 不同微微网之间可以相互连接。几个互相独立不同步的、以特定方式连接起 来的微微网形成分布式网络( s c a t t e m e t ) ，其中每个微微网都有自己的跳频信 道。在分布式网络中，一个微微网中的从设备可以同时是其它微微网的主或从设 备。 2 。2 蓝牙协议体系 蓝牙协议体系结构如图2 3 所示。蓝牙的目的是要实现良好的互通性，即不同 厂商制造的蓝牙产品能够相互通信。为此，除了定义无线部分外，蓝牙还定义了 一个软件协议栈，使蓝牙设备能够找到一定范围内的其它蓝牙设备，发现其提供 的服务并使用该服务。蓝牙协议可以固化在一个芯片内，安置于各种各样的智能 终端中。 蓝牙协议栈的分层如下： 核心协议：b a s e b a n d ，l m p ，l 2 c a p ，s d p 电缆替代协议：r f c o m m 电话传送协议：t c s ，a t 命令集等 第7 页 东南大学硕 士研究生论文 射频、基带、连接管理、服务发现、传输层以及与其它通信协议之间的互通性和 互操作性相关的组件；另一部分是蓝牙应用规范( p r o f i l e ) 部分，规定了不同蓝牙 应用所需的协议和操作过程。 2 1 2网络拓扑结构 图2 2 是蓝牙网络拓扑结构的示意图。蓝牙技术支持点对点和一点对多点的通 信，采用的是a d - h o c 的组网方式。在建立网络之前，所有的蓝牙设备的地位都是 平等的，只有当某个蓝牙设备首先主动发起建链操作时，该设备才成为m a s t e r 。 蓝牙网络的基本单元是微微网( p i c o n e t ) 。两个以上蓝牙设备共享同。+ 信道 就构成微微网。一个微微网中只能有1 个主设备，但最多可以有7 个从设备，所有 的从设备都与主设备在时间和跳频上同步。 图2 - 2 蓝牙微微网( a ) 和分布式网络i b ) 示意图 不同微微网之间可以相互连接。几个互相独立不同步的、以特定方式连接起 来的微微网形成分布式网络( s c a t t e m e t ) ，其中每个微微网都有自己的跳频信 道。在分布式网络中，一个微微网中的从设备可以同时是其它微微网的主或从设 备。 2 。2 蓝牙协议体系 蓝牙协议体系结构如图2 3 所示。蓝牙的目的是要实现良好的互通性，即不同 厂商制造的蓝牙产品能够相互通信。为此，除了定义无线部分外，蓝牙还定义了 一个软件协议栈，使蓝牙设备能够找到一定范围内的其它蓝牙设备，发现其提供 的服务并使用该服务。蓝牙协议可以固化在一个芯片内，安置于各种各样的智能 终端中。 蓝牙协议栈的分层如下： 核心协议：b a s e b a n d ，l m p ，l 2 c a p ，s d p 电缆替代协议：r f c o m m 电话传送协议：t c s ，a t 命令集等 第7 页 东南大学硕 士研究生论文 射频、基带、连接管理、服务发现、传输层以及与其它通信协议之间的互通性和 互操作性相关的组件；另一部分是蓝牙应用规范( p r o f i l e ) 部分，规定了不同蓝牙 应用所需的协议和操作过程。 2 1 2网络拓扑结构 图2 2 是蓝牙网络拓扑结构的示意图。蓝牙技术支持点对点和一点对多点的通 信，采用的是a d - h o c 的组网方式。在建立网络之前，所有的蓝牙设备的地位都是 平等的，只有当某个蓝牙设备首先主动发起建链操作时，该设备才成为m a s t e r 。 蓝牙网络的基本单元是微微网( p i c o n e t ) 。两个以上蓝牙设备共享同。+ 信道 就构成微微网。一个微微网中只能有1 个主设备，但最多可以有7 个从设备，所有 的从设备都与主设备在时间和跳频上同步。 图2 - 2 蓝牙微微网( a ) 和分布式网络i b ) 示意图 不同微微网之间可以相互连接。几个互相独立不同步的、以特定方式连接起 来的微微网形成分布式网络( s c a t t e m e t ) ，其中每个微微网都有自己的跳频信 道。在分布式网络中，一个微微网中的从设备可以同时是其它微微网的主或从设 备。 2 。2 蓝牙协议体系 蓝牙协议体系结构如图2 3 所示。蓝牙的目的是要实现良好的互通性，即不同 厂商制造的蓝牙产品能够相互通信。为此，除了定义无线部分外，蓝牙还定义了 一个软件协议栈，使蓝牙设备能够找到一定范围内的其它蓝牙设备，发现其提供 的服务并使用该服务。蓝牙协议可以固化在一个芯片内，安置于各种各样的智能 终端中。 蓝牙协议栈的分层如下： 核心协议：b a s e b a n d ，l m p ，l 2 c a p ，s d p 电缆替代协议：r f c o m m 电话传送协议：t c s ，a t 命令集等 第7 页 东南大学硕士研究生论文 应用协议( 可选协议) ：p p p ，u d p t c p i p ，o b e x ，v c a r d v c a l e n d a r w a p ，w a e 等 图2 - 3 蓝牙协议体系结构 1 基带协议( b a s e b a n d l 基带层是蓝牙的物理层，管理物理信道和进行单数据包传输级别上的链路 控制，负责纠错、数据白化、跳频控制和蓝牙安全。它提供同步和异步两 种数据链路，提供查询和寻呼的方式使蓝牙设备之间可以相互访问查询和 访问。 2 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 ) l m p 负责蓝牙设备之间连接的建立和拆除，管理功率模式、功率消耗、 蓝牙设备单元在微微网中的工作状态( 如保持、呼吸、休眠等模式) ，以 及鉴权和加密功能。 3 逻辑链路控制和适配协议( 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 ) l 2 c a p 实现高层协议复用、数据包的分段和重新装配、组管理和面向高 层协议的服务质量管理。l 2 c a p 采用协议复用、分段和重组操作以及组 抽象等方式向高层协议提供了连接和无连接数据服务。l 2 c a p 允许高层 第8 页 东南大学硕士研究生论文 协议和应用程序发送、接收l 2 c a p 数据包。l 2 c a p 只支持a c l 链路， 它采用了信道的概念在蓝牙设备不同应用之间建立不同的路径。 4 电缆替代协议( r f c o m m ) r f c o m m 是基于e t s l0 7 1 0 标准的串行端口仿真协议，是简单可靠的传 输协议。r f c o m m 支持两种类型的设备：一种是通信终端设备，它支持 基于r f c o m m 的应用；另一种是通信媒介设备，如调制解调器。 5 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 o l l s d p 是所有用户模式的基础，它使s d p 客户能够发现s d p 服务器提供的 服务及其属性。s d p 服务