（通信与信息系统专业论文）蓝牙技术无线通信实验系统核心技术研究.pdf

中文摘要 蓝牙短距离无线通信技术提供一种低功耗、低成本的无线连接，目前已经在 手机、p d a 、笔记本电脑等设备上广泛使用，市场对蓝牙研发人员的需求越来越 迫切。此外，蓝牙协议的开放性和各厂家间的互操作性，也为实验设计提供可能。 该实验系统包括体会性实验，基础性实验，操作性实验，开发性实验以及实 践性实验，实验内容和知识点在多年蓝牙理论和产品研发的经验基础上精心选 取，图文并茂，循序渐进，注重实践和开发，以达到最好的学习效果。软件包括 仿真软件，h c i ( h o s tc o n t r o ll e ri n t e r f a c e ，主机控制接口) 固件配合主机端 软件和嵌入式软件三种，基于蓝牙1 2 版协议开发，注重对协议的理解和应用开 发。硬件平台基于c s r ( c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ，剑桥半导体公司) 公司的 b l u e c o r e 2 一e x t e r n a l 系列芯片，及自主开发的蓝牙模块，配合软件，集成一体 化的开发环境和实验环境。 该实验系统的核心技术和难点体现在注重开发功能的实现及射频电路的设 计、h c i 固件配合主机端软件主机端驱动的实现方式、及其在操作性实验和开发 性实验的可控性和可观察性上设计中的应用、嵌入式软件的开发机制和开发方 法、以及创新教学理念的引入，包括实验层次的总体设计、蓝牙技术与通信技术 一般原理的融合、以及设计互动环节帮助快速理解。 文中给出的设计电路和程序代码都是在实际应用中通过调试和验证的。所开 发出的产品已经过实际测试和使用，满足预期的设计要求和指标。 关键词：蓝牙c s rb l u e c o r e 2 e x t e r n a lh c i 嵌入式蓝牙模块 a b s t r a c t b l u e t o o t hs h o r td i s t a n c 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 yi sal o w p o w e r , l o w c o s ts o l u t i o nf o rw i r e l e s sc o n n e c t i o n ，w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di nm o b i l e p h o n e ， p d a ，n o t e b o o ka n ds oo n a sar e s u l t ，i ti se m e r g e n tf o rt r a i n i n gt e c h n o l o g i s tt o r e s e a r c ha n d d e v e l o pb l u e t o o t hp r o d u c t s f u r t h o r m o r e ，b l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n sa r e o p e n ，a sw e l la sp r o d u c t sf r o md i f f e r e n tc o m p a n yc a nw o r kt o g e t h e r , w h i c hm a k e s d e s i g n i n go f l a bs y s t e map o s s i b l e t h el a bs y s t e mi n c l u d ef 沁ep a r t s ，t a s t ee x p e r i m e n t ，b a s ee x p e r i m e n t ，c o n t r o l e x p e r i m e n t , d e v e l o pe x p e r i m e n ta n dp r a c t i c ee x p e r i m e n t , a l lt h e s ec o n t e n t sa r e c h o o s e nf r o mb l u e t o o t ht h e o r ya n de x p e r i e n c eo n p r o d u c td e v e l o p m e n t h e n o r g a n i z i n gt h e s ec o n t e n t s ，w eu s ev i s u a lc o n c e p t ，f r o me a s yt oh a r d ，a n dc o n c e r n e do n p r a c t i c i n ga n dd e v e l o p m e n t s o f t w a r ei n c l u d ee m u l a t i o ns o f t w a r e ，h c if t r m w a r e c o o p e r a t ew i t ha p p l i c a t es o f t w a r eo np c ，a n de m b e d d e ds o f t w a r e 1 1 1 e ya r er e l i e do n b l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o nv1 2 t h eh a r d w a r ei sb a s e do nc s rb l u e c o r e 2 一e x t e r n a l s e r i a lc h i p s ，a n db l u e t o o t hm o d u l eb yo u r s e l v e s ，w h i c hi sa s s i s t a n t f o rs o r w a r e ， e m b e d d e dw i t ha l lt h ee x p e r i m e n ta n dd e v e l o pe n v i r o n m e n tn e e d e d t h e r ea r e m a n y d i f f i c u l t p r o b l e m s t os o l v ei n t h i s d e s i g n ，s u c h a s a c c o m p l i s h m e n to fd e v e l o pf u n c t i o n ，r fd e s i g n ，h c if i r m w a r ea n dd r i v e r , e m b e d d e d s o f t w a r ed e v e l o pm e c h a n i s ma n dc r e a t i v ee d u c a t i o n a lc o n c e p t c i r c u i ta n dc o & g i v e ni nt h i st h e s i sa r ea l ld e b u g g e da n dc e a i f i e d ，t h ep r o d u c t s a r et e s t e da n dv e r i f i e d ，w h i c hc a nf u l f i l lt h et a r g e t k e yw o r d s ：b l u e t o o t h ，c s r ，b l u e c o r e 2 - e x t e r n a l ，h c i ，e m b e d d e ds y s t e m ， b l u e t o o t hm o d u l e 天津大学硕士学位论文附录 英文缩写对照表 a c l a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o nl e s s ，- 异步无连接 a f h a d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n g 自适应跳频 a r a d d r a c c e s sr e q u e s ta d d r e s s接入请求地址 a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t自动检错重发 a r q na c k n o w l e d g ei n d i c a t i o n 检错重发指示 a 、厂d t pa nd i s t r i b u t i o nt r a n s p o r tp r o f i l e音频视频分发传输协 s p e c i f i c a t i o n 议 b bb a s e b a n d基带 b c c m db l u e c o r ec o m m a n db l u e c o r e 命令 b c s pb l u e c o r es e f i a lp r o t o c o lb l u e c o r e 串口协议 b e rb i t e r r o r r a t e误比特率 b g ab a l lg r i da r r a y球格阵列封装 b i s t b u i l t i ns e l f - t e s t内置自测试 b l u t e o o t hs i gb l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u p蓝牙特别兴趣小组 c c l c a m b r i d g ec o n s u l t a n t s 剑桥咨询公司 c r c c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k 循环冗余校验 c s b c h i ps e l e c t 片选 c s r c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o 剑桥半导体公司 d a cd e v i c ea c c e s sc o d e设备接入码 d c id e f a u l tc h e c ki n i t i a l i z a t i o n默认校验初始值 d f ud e v i c ef i r m w a r eu p g r a d e设备固件更新 d h d a t a - h i g hr a t e 高速率分组 d i a cd e d i c a t e di n q u i r ya c c e s sc o d e专用查询接入码 d md a t a m e d i u mr a t e中等速率分组 e d re n h a n c e dd a t ar a t e更高数据传输速率 e s c o e x t e n d e ds y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n增强形同步面向连接 o r i e n t e d e ve x t e n d e dv o i c e增强形话音分组 天津大学硕士学位论文附录 f e cf o r w a r de r r o rc o r r e c t i o nc o d e前向纠错编码 f h s f r e q u e n c yh o ps y n c h r o n i z a t i o n 跳频同步 g c ig e n e r a lc i r c u i ti n t e r f a c e通用电路接口 g l cg e n e r a li n q u i r ya c c e s sc o d e通用查询接入码 心兀，删7 sn o tu n i x 自由软件基金 h c i h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e主机控制接口 h e ch e a d e r - e r r o r - c h e c k分组头校验 h f p h a n d s f r e ep r o f i l e免提剖面 h v h i g hq u a l i t yv o i c e 高质量话音分组 l c i n q u i r ya c c e s sc o d e 查询接入码 i r d ai n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n红外数据联盟 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 逻辑链路控制与适配 p r o t o c o l协议 l a p l o w e ra d d r e s sp a r t低位地址部分 l cl i n kc o n t r o l链路控制 l f s rl i n e a rf e e d b a c ks h i f tr e g i s t e r 线性反馈移位寄存器 u ml i n km a n a g e r链路管理 l s bl e a s ts i g n i f i c a n tb i t低位 m f cm i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y微软基础类库 m i s om a s t e ri ns e r i a lo u t主入从出 m o s i m a s t e ro u ts e f i a li n主出从入 n f cn e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n近域通讯 o c f o p c o d ec o m m a n df i e l d 操作码命令字段 o g f o p c o d eg r o u pf i e l d 操作码组字段 p c mp u l s ec o d em o d u l m i o n脉冲编码调制 p d u p r o t o c o ld a t au n i t协议数据单元 p i f ap l a n a ri n v e r t e dfa n t e a r i a倒f 形天线 p ma d d rp a r k e dm e m b e ra d d r e s s p a r k 成员地址 p o r p o w e r - o n - r e s e t 复位启动 p sk e yp e r s i s t e n ts t o r ek e y永久存储值 r e br e a de n a b l e读使能 r f r a d i of r e q u e n c y射频 r f c o m ms e r i a lc a b l ee m u l a t i o np r o t o c o lb a s e d串口仿真协议 天津大学硕士学位论文附录 o n e t s i t s 0 7 1 0 r xr e c e i v e接收 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 同步面向连接 s d ks o f t w a r ed e v e l o pk i t软件开发包 s d ps e r v i c ed i s c o v e r y服务发现 s e q ns e q u e n t i a ln u m b e r i n gs c h e m e 序列编号 s p is e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e串行外设接口 t d dt i m e d i v i s i o nd u p l e x时分双工 t xt r a n s m i t发送 u a p u p p e ra d d r e s sp a r t 高位地址部分 u 煳u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r 通用异步收发接口 t r a n s m i t t e r u w bu l t r aw i d eb a n d 超宽带 v mv i r t u a lm a c h i n e虚拟机 w a pw i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l无线应用协议 、忱bw n t ee n a b l e写使能 9 9 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，也不包含为获得墨洼盘堂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：乡j ；，氧 签字日期：枷7 年月，3 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗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： 江舂 导师签名： 糊笏 t 签字r 期：刀。7 年f 月，卿签字只期：夕7 年月日 天津大学硕士学位论文第一章蓝牙无线通信实验系统的设计思想和核心技术 第一章蓝牙无线通信实验系统的设计思想和核心技术 伴随着电信、微机、家电、汽车、工业控制等企业从事研发、生产蓝牙产品， 必然需要蓝牙技术研发、生产等的技术人员，有必要掌握一定的蓝牙技术操作和 研发能力。另一方面，蓝牙技术具有完善的协议体系结构，具有无线通信的一般 特性，通过蓝牙无线通信实验系统，真正认识一个完整的无线通信系统，而非停 留在通信原理阶段，将通信原理的基本知识点完整地体现在蓝牙实验中，深入理 解如何掌握协议、实现协议的方法，从而提高对通信系统特别是无线通信系统的 认识深度，为从事其他无线通信系统的研发和生产工作打好基础。 蓝牙具有开放的技术标准，如果不是进行商业运作，任何个人和单位可以免 费获得和使用该标准；它的协议体系结构清晰、操作简单，通过一定的理论和实 验可以掌握主要技术特点；它的操作平台较为简单，搭建蓝牙无线通信实验平台 较为廉价，对于资源相对紧张的高校或研发机构相当可取。 通过操作界面控制其工作过程，对于蓝牙设备的接入控制、网络管理、安全 管理等实现过程的可控性和可观察性，从控制蓝牙芯片的过程中体会技术的魅 力，同时也加强了理解和记忆。 1 1 蓝牙无线通信实验系统体系结构 本实验系统旨在通过蓝牙技术从理论到实践的深入研究，帮助掌握无线通信 技术乃至通信原理的一般分析方法，更注重蓝牙技术开发方法和开发流程。在实 验设置上，由浅入深，图形化界面方便理解和吸收，资料详尽，便于自学。 在实验内容的选取上，本着典型和基础理论结合的出发点，尽量选取既有蓝 牙通信技术特点，又不失通信原理一般性的知识点，希望以蓝牙技术为引子，触 类旁通，完成从理论到实践的飞跃。 实验内容包括体会性实验，基础性实验，操作性实验，开发性实验以及实践 性实验，由浅入深，循序渐进，注重实践和开发。 1 ) 体会性实验 体会性实验包括： 蓝牙耳机实验【l 】 蓝牙鼠标实验【2 】 天津大学硕士学位论文第一章蓝牙无线通信实验系统的设计思想和核心技术 通过实际操作蓝牙耳机和鼠标的连接和使用方法，体会蓝牙无线通信技术带 来的便捷，在硬件上，配合电池供电可移动的蓝牙鼠标和蓝牙耳机实验模块，观 察蓝牙鼠标和蓝牙耳机的电路和结构，对蓝牙系统有感性认识。 选择蓝牙耳机和蓝牙鼠标要归功于我们团队的贡献，在这两款产品的研发和 上市过程中积累了丰富的经验，保证了实验的高可靠性。 2 ) 基础性实验 基础性实验包含： 蓝牙协议体系实验 蓝牙基带分组实验 蓝牙纠错编码实验 蓝牙跳频实验 由于设计理念是从浅入深，既有蓝牙技术的特性，又不是一般通信原理的共 性，因此在选取知识点上需要尤其注意，我们选取协议体系结构和基带协议中的 基带分组结构、纠错编码、跳频等内容作为该实验系统的基础实验，正是体现了 这一设计理念。 协议体系结构是一个通信系统的灵魂。任何一个复杂的通信系统，必须协议 层间有良好的切割和上下层间接口的完善定义才能更好的工作。一方面方便基于 不同层的独立设计，更好地实现独立协议的优化和演进，将整个系统设计的复杂 度分均到各个子层。另一方面在真正通信的过程中则淡化层的概念，从通信数据 上看则是对等层间的通信。t c p d p 协议簇就是一个典型的例子，蓝牙协议一样是 一个成功的典科3 1 。 基带分组是通信中发送数据包的最小单位，在每一个分组中携带着通信的重 要信息。基带分组实验主要描述蓝牙的基带数据包结构，与t c p i p 协议的i p 数据 包类似，一个数据包含有分组头、负载等内容，而基带数据包则是在空中发送的 数据格式，是负载通过协议往下层层打包最后得到的适合在无线通信信道中传输 的数据包，通过学习基带数据包结构，帮助理解通信原理中很多理论在实际通信 系统中的实现方式，比如分组头中的a r q n ( a c k n o w l e d g ei n d i c a t i o n ，确认指示) 和s e q n ( s e q u e n t i a ln u m b e r i n gs c h e m e 序列编号) 则是a r q ( a m o m a f i cr e p e a t r e q u e s t ，自动检错重发) 的实现方式。分组结构是理解的基础，而很多实现方式 在其他通信协议中也是一样可以借鉴蒯4 1 。 纠错编码是通信系统可靠性的保证。纠错编码实验介绍蓝牙通信系统中采用 的纠错编码方案，为什么要采用纠错编码以及各种纠错编码的实现方式，纠错编 码在通信原理中被反复强调，但其实现电路也许很多人并不知道真正的适用场 合，没有应用和体会，自然也就记忆不深刻，在该实验中，将每种纠错编码的应 天津大学硕士学位论文第一章蓝牙无线通信实验系统的设计思想和核心技术 用场合特别强调，实验过程中根据编解码电路手动实现编解码过程，帮助理解和 记忆【4 】。 跳频则是通信系统的典型实现方式，跳频通信系统具有抗干扰能力强、多址 组网能力、抗衰落能力、易于与窄带通信系统兼容以及具有一定的保密性能等特 点，目前在很多通信系统中采用跳频的工作方式。理解和掌握跳频通信系统的原 理非常必要，通过比较跳频通信系统和非跳频通信系统来加深对跳频通信系统优 越性的理解，同时，通过对蓝牙跳频内核选择系统的剖析，手动进行跳频图案的 选择过程，了解蓝牙系统跳频的工作原理和实现方式，对其他通信系统的跳频实 现一样具有借鉴意义【4 】。 此类实验基于m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y , 微软基础类库) 设计， 通过微机仿真的方式设计成互动实验，图形化的界面，帮助理解和吸收复杂难懂 的协议，打下扎实的基础。 3 ) 操作性实验 操作性实验包括： 数据语音通信实验 服务发现实验 组网实验 设计此类实验的目的是将蓝牙的通信过程每个步骤呈现出来，加强可控性和 可观察性，通过使用，体会蓝牙带来的无线通信便捷，同时学习蓝牙连接流程及 相关的协议和应用剖面。 语音和数据通信过程完整地展现了蓝牙系统建立数据链路和语音链路的步 骤，这些步骤是严格按照协议规范的，虽然有些过程如鉴权或加密等步骤可以省 略，但建链过程是不可逆的，各步骤之间具有相互依赖性，比如要建立语音链路 必须先建立数据链路，反之，要断开语音链路必须先断开数据链路，这些都是实 现各厂家之间互操作性的基础，通过这个实验，也同时帮助理解无线设备的接入 过程和实现安全接入的方法。 服务发现协议是应用程序发现网络中可用的服务及这些服务特性的一种控 制机制。在一个以网络为中心的计算环境中，寻找和使用一个网络中的服务变得 越来越重要。服务可以是各种各样的，如打印、寻呼、传真、电话会议、网桥、 服务访问点和电子商务等。传统有线网络上也有类似这种服务发现的协议，但是 因为蓝牙设备携带的方便性，设备周围的网络环境必定随时发生变化，s d p ( s e r v i c ed i s c o v e 服务发现) 的功能在无线网络内尤其重要，与有线的服务发 现协议有很大的区别。当客户机进入某个服务器的范围内，即由s d p 协议发现服 务器所提供的服务类型，若是客户机离开服务器的服务范围，s d p 协议也负责检 天津大学硕士学位论文第一章蓝牙无线通信实验系统的设计思想和核心技术 测服务器所提供的服务已经不存在。因此，s d p 是实现互操作的重要部分，蓝牙 采用的服务器客户端的交互过程通过服务器维护一个服务记录列表，客户端连 接到服务器，询问服务器所提供的服务，来选择所要接入的服务，来实现这一服 务发现过程，通过注册服务和发现服务的过程帮助理解服务发现的意义晦1 。 对于无线局域网其拓扑结构可以总结为两类：无中心拓扑结构( 对等式拓扑 结构) 和有中心拓扑结构。无中心的拓扑结构要求网络中任意两节点问都可直接 通信。有中心拓扑结构要求有一个节点充当中节站点，网络中所有节点间的通信 都要经过该节点。对等拓扑结构中任何节点在网络中的地位都是平等的。蓝牙则 是以无中心拓扑结构自组网的方式实现的组网。自组网是移动通信和计算机网络 的交叉。一方面，网络的信息采用了计算机网络中的分组交换机制，而不是电话 交换网中的电路交换机制；另一方面，用户终端是便携式的，比如笔记本电脑、 p d a 、掌上型电脑、车载台等，并配置有相应的无线收发设备，并且用户可以随 意移动或处于静止状态。在自组网中，每个用户终端兼备路由器和主机两种功能， 而在常规网络中，路由器和主机通常是由两个独立的设备完成的。作为主机，用 户终端需要运行面向用户的应用程序，比如编辑器、浏览器等；作为路由器，用 户终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与数据分组转发工作 和路由维护工作。蓝牙采用微微网和散射网的组网方式，是自组网的典型系统， 希望通过蓝牙的网络模型来了解自组网的一般特性哺1 。 此类实验h c i 层以下在实验箱的蓝牙芯片上运行，h c i 层以上在主机端开 发应用程序，使用时通过串口或u s b 口将p c 机和实验箱连接。在实验室内部 通过点对点方式，或者组网的方式，完成实验。 4 ) 开发性实验 开发性实验包括： h c i 指令基础实验 h c i 指令操作实验 测试实验 此类实验旨在让学生掌握蓝牙系统开发的一般方法。 h c i 是主机控制接口，在蓝牙芯片内实现基带和链路管理的功能，主机与蓝 牙芯片通信通过h c i 指令和事件来实现。在蓝牙开发过程中，要加入对蓝牙芯片 的控制就必须掌握指令的使用和对返回事件的处理。h c i 指令基础实验和h c i 指 令操作实验通过学习使用蓝牙指令，用指令的方式去控制蓝牙芯片实现建链及控 制操作，掌握蓝牙芯片的控制方、法【7 1 。 而蓝牙的测试是蓝牙产品上市前必须经过的流程，蓝牙产品如果想打上 b l u e t o o t h 的标志，必须通过b l u e t o o t hs i g ( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，蓝牙 天津大学硕士学位论文 第一章蓝牙无线通信实验系统的设计思想和核心技术 特别兴趣小组) 组织严格的测试。在蓝牙协议中专门有一节是介绍蓝牙测试规范 的，可见其重要性。通过学习蓝牙射频的测试方法，了解蓝牙产品的测试流程以 及新产品上市前需要的认证流程，为今后产品的研发打下一定的基础，这也是学 习蓝牙必不可少的一步【8 】。 此类实验同样采用c s r 固件配合主机端应用程序的开发模式。 5 ) 实践性实验 实践性实验指： 蓝牙鼠标装配实验 亲自动手装配一个蓝牙鼠标，学会电路的焊接工艺和技巧，并对产品的结构 设计有一定认识。 1 2 蓝牙无线通信实验系统的设计难点及核心技术 要设计一套实验系统，除了要选取合适的知识点，要开发便于吸收和理解的 图形化界面，要设计能让学生参与其中的可控和可观察性的内容，要将开发方法 和经验融入到实验设计中，还要将产品的理念渗透进来，这无不是开发该系统所 要面临的挑战。 该实验系统对开发者的知识理解掌握和应用能力提出了较高的要求，同时必 须具备实战经验，该实验系统的设计和实现难点在于： 开发平台的设计 硬件平台是为配合学习软件开发的，同时还具备开发板的功能，用户如果在 其他设计中需要用到蓝牙技术，而不具备蓝牙技术的开发基础，可以利用该开发 平台进行蓝牙技术应用开发和验证。 开发平台的设计为了帮助掌握蓝牙技术应用开发的功能，预留了尽可能丰富 和功能完善的开发接口，而且将蓝牙模块通过转接板转换成双列直插封装，方便 与蓝牙有关的应用开发在开发平台上开发验证后移植到其他平台，方便初学者很 快进入开发角色，降低了研发初期的难度。 硬件设计基于自主研发的蓝牙模块，模块是基于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，采用四层板工艺，2 4 g 的射频前端电路设计都对模块 设计提出了较高的要求。 基于h c i 的通信控制 h c i 是主机控制接口，是主机与蓝牙芯片问用指令和事件的方式实现的互动 过程。基于h c i 的蓝牙芯片h c i 固件配合主机端上层软件的应用，使得蓝牙的 通信过程可以用h c i 指令实现其可控和可观察。在这种开发模式设计中的难点 天津大学硕士学位论文第一章蓝牙无线通信实验系统的设计思想和核心技术 在于主机端驱动程序配合h c i 固件的实现，以及要求对h c i 指令和事件的反复 摸索和实验，熟练掌握用指令的方式实现通信过程。 嵌入式软件开发机制 嵌入式软件是指所有的软件层包括应用层程序都在芯片内部运行，不需要外 部的处理器，程序的运行效率高，但对片内处理器也提出了较高的要求。为了和 h c i 固件配合主机端应用程序的方式兼容，以及提高应用程序开发的可靠度，在 蓝牙芯片内部采用虚拟机的机制，而不是直接去访问片内c p u 资源。因此在设 计嵌入式应用程序时，必须了解c s r 公司提供的的嵌入式开发机制、协议层间 的数据传递以及可供调用的库资源。除此之外，还必须对应用程序的剖面深入研 究，开发出来的应用程序才能符合蓝牙应用剖面规范，才能满足不同厂家之间互 操作性的要求。 通信原理知识点的引申 像纠错编码和跳频等内容是通信原理中经常强调的内容，在蓝牙通信系统中 的具体实例同样不失通信原理的一般性，蓝牙系统的纠错编码方案及算法实现在 其他通信系统中可以借鉴，同样，跳频内核选择系统也是经过验证的成功的方案。 在设计这套系统时，将上述算法用m f c 设计成可参与的互动仿真效果，不仅在 算法实现上有所创新，在界面和考察内容的设计上也有其独特性。 创新的教学理念和实现方法 要选取合适的知识点，不仅有图文并茂的知识点注释，还要有参与其中的互 动环节，当场巩固所学的知识点，需要将重点知识反复提炼，设计出测试点或者 控制内容，帮助理解和吸收，这些都需要对知识的深刻理解掌握和灵活应用。 同时图形化界面虽然需要图文并茂，但不可喧宾夺主，各个应用程序的界面 风格要统一。 1 3 国内外研究现状 目前蓝牙s i g 组织正在积极撮合蓝牙技术与其他短距离无线通信技术的融 合，并不是一项新技术的出现就会取代蓝牙，只是在不同的应用领域，不同的应 用场合有各自的一席之地。目前蓝牙笔记本电脑、蓝牙手机、p d a 等产品已经 渗透到日常生活的方方面面，蓝牙技术的应用正处在鼎盛时期，这就对蓝牙技术 研发人员的培训提出了更高的要求。 除了c s r 公司提供的c a s i r a 等开发平台及b l u e l a b 2 8 等软件库，国内很多厂 家也一样瞄准了蓝牙培训市场。东南大学移动通信国家重点实验室在研究蓝牙技 术的基础上也开发了一套通信新技术实验系统1 9 ，所不同的该系统基于爱立信蓝 天津大学硕士学位论文第一章蓝牙无线通信实验系统的设计思想和核心技术 牙模块开发，蓝牙开发的培训应运而生。 我们所开发的蓝牙无线通信实验系统适合在高校开设蓝牙课程或者实验课 程，将课程设计成互动软件，方便教师教学和学生自学。同时实验系统还具备开 发功能，资料详尽，开发接口完善，供研发人员快速学习蓝牙。此外，我们单独 提供蓝牙模块供进一步开发。 天津大学硕士学位论文 第二章开发平台设计 第二章开发平台设计 开发平台是为想自行开发蓝牙技术应用的研发人员提供的实验和验证平台。 具备c s r 公司的c a s i r a 平台的一般功能，具备串口，u s b 口，音频，i o ，以及 s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，串行外设接口) 等接e l ，基于自主研发的蓝牙模 块设计，外围电路也已经过验证和测试。 提供开发平台对研发人员来说意味着降低了初期研发难度，硬件上的高可靠 性保证了软件开发的进度。模块为双列直插封装，其丰富的接口电路方便开发者 在开发板上进行功能验证以及对模块的f l a s h 烧写，进而移植到其他平台。 图2 1 所示为开发平台的系统结构。下面介绍几个主要接口电路的设计。 2 1 音频电路 图2 - 1 开发平台系统结构 2 1 1p c m 接口特性 p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ，脉冲编码调制) 将语音变成适合通信信道传输 天津大学硕：t 学位论文第二章开发平台设计 的数字信号。b l u e c o r e 2 e x t e r n a l 芯片的p c m 接口从硬件上支持连续收发p c m 数 据，减轻了应用程序的负担。b l u e c o r e 2 一e x t e r n a l 提供直接到固件基带的双向的数 字音频接口，不经过h c i 层。硬件支持s c o 链路上的数据收发。可以同时支持三 条s c o 链路【l o 】。 p c m 接口工作在主模式时，可以生成1 2 8 ，2 5 6 或5 1 2 k h z 的时钟，如果工 作在从模式，只能由外部提供2 0 4 8 k h z 的时钟。 p c m 接口可以配置成主或从。如果是主的话，产生p c mc l o c k 和 p c m s y n c 。如图2 - 2 所示为蓝牙芯片作为p c m 接口的主设备的示意图，图2 3 为蓝牙芯片作为p c m 接口的从设备的示意图。 l - 一 里j 1 撇嫩1 a h z 九n _ - | 8 k h z 图2 2 蓝牙芯片作为p c m 接口的主设备 如果将p c m 接口配置成从模式，蓝牙芯片从外部接收2 0 4 8 k h z 的时钟信号。 _ 卜一 坚lu p t o 卸柏州z n n _ 一8 k h z 图2 3 蓝牙芯片作为p c m 接口的从设备 b l u e c o r e 2 一e x t e r n a l 支持多种时钟格式，长帧格式( l o n gf r a m es y n c ) ，短帧 格式( s h o r tf r a m es y n c ) 以及g c i ( g e n e r a lc i r c u i ti n t e r f a c e ，通用电路接口) t i m i n g 环境。 天津大学硕士学位论文第二章开发平台设计 在长帧格式中，p c ms y n c 信号的上升沿指示p c m 信号的开始。如果 b l u e c o r e 2 e x t e r n a l 是主，则由蓝牙芯片产生p c ms y n c 和p c mc l k ， p c ms y n c 是8 位高电平。如果蓝牙芯片是p c m 从设备，p c ms y n c 从时钟 信号的连续两个下降沿开始。b l u e c o r e 2 e x t e r n a l 芯片在时钟信号的下降沿开始 采样p c mi n ，在时钟信号的上升沿发送p c m0 u t 。p c mo u t 信号在时钟的 下降沿应该是高阻状态。长帧格式如图2 _ 4 所示。 p c mo o - i p c m _ i n 图2 - 4 长帧格式( 8 b i t 采样) 短帧格式中，p c ms y n c 信号的下降沿指示p c m 信号的开始，p c ms y n c 信号通常只有一个时钟周期的高电平。与长帧格式一样；蓝牙芯片在p c m c l k 信号的下降沿采样p c mi n ，在上升沿发送p c mo u t 。短帧格式如图2 5 所示。 p c m _ o u t 臣巨匝卫卫卫卫卫巫匝亚巫耍珊 一 i j i i 1 1 j 1 1 j j j i - - - l - j - _ l - j p c m _ i n 图2 - 5 短帧格式( 1 6 b i t 采样) 一个时隙可以是8 个或1 6 个时钟周期，8 个时钟周期的时隙只能用在8 b i t 采样中。1 6 个时钟周期的时隙可以用在8 ，1 3 或1 6 比特的采样中。 b l u e c o r e 2 e x t e r n a l 芯片支持1 3 或1 6 b i t 线形编码，8 b i tp 律或a 律采样， 采样频率是8 k 采样点s 。同时支持大端格式或小端格式的比特流顺序。用1 6 b i t 的时隙需要用符号扩展，用零或者由编解码芯片提供的音频增益信息来填充。如 图2 6 所示为扩展格式。 天津大学硕士学位论文第二章开发平台设计 卜一 炯瓤一 p o mo u t 一一一f 二却k s o 二| a1 6 - 1 x ts i o t 谢l h 舳i t 啪弘- n d e ds a r a p ea n ds i g ne x t e n s i o ns e l e c t e d 卜_ 一u 帅岫一 p c m _ o u t “卜一，鲥翻一一 a1 6 - b as i o tw i t h8 - b i tc o m p , 锄m ds 硼p l ea n dz e 惜p a d d i n gs e l e c t e d 卜一一s 日雌柚蚋蜘 a1 6 - i x ts l o tw i t h1 3 b i tl i n e a rs a m p l ea n d8 畸ne x t e s 两s e l e c t e d 卜一帅一她一 p c m _ o u t 匹工工垩卫三臣工丑习至压卫丑卫田卜 卜埘叫 a1 6 - b | ts l o tw i 耋h1 3 - t 女tt e a rs 雀n l 蜘a n d 融i d i og a ms e a t e d 图2 - 61 6 b i t 的时隙及其采样格式 与p c m 设置有关的p sk e y ( p e r s i s t e n ts t o r ek e y , 永久存储值) 是 p s k e y - p c m c o n f i g 3 2 。表2 - 1 所示为该p s 值的配置说明，默认的值是 o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，表示1 3 b i t 线性编码，长帧格式，充当p c m 主，产生2 5 6 k h z 的时 钟信号，不支持p c m o u t 的三态。 表2 1p c m 相关p s 值 名称b i t 位置描述 o设为0 从模式使能l 0 代表为主模式，产生p c m c l k 和p c m s y n c ：1 表示为从 模式，从外部接收p c mc l k 和p c ms y n c 信号 短帧格式使能20 选择长帧格式( 上升沿为帧开始) ；1 选择短帧格式( 下降沿表 示帧开始) 3设为0 符号扩展使能 4 0 选择用附加的l s b 扩展到1 6 位，l 选择符号扩展。 小端格式使能5 0 选择大端格式，1 选择小端格式 - l l 天津大学硕士学位论文第二章开发平台设计 发送三态使能60 表示连续驱动p c mo u t ，1 表示在p c mc l k 活跃时隙的最 后一b i t 的下降沿将p c mo u t 设成高阻态，下一个时隙不活跃 发送三态上升 7 0 表示在下降沿时设成高阻，1 表示在上p c mc l k 的上升沿设 沿使能成高阻态 同步禁止使能8 0 表示主设备产生p c m _ s y n c ，1 表示禁止产生同步信号，保持 p c mc l k 的运行，有些编码用该方法进入低功耗状态 g c i 模式使能91 使能g c i 模式 静音使能1 01 表示将p c mo u t 设为0 2 0 = 1 6 设成0 0 0 0 0 主时钟速率 【2 2 ：2 1 10 1 表示1 2 8 k h z ，o o 表示2 5 6 k h z ，1 0 表示5 1 2 k h z 2 6 2 3 无意义，设成0 0 0 0 采样格式 2 8 ：2 7 1 6 b i t 码字中的1 3 b i t ( 0 0 ) ，1 6 b i t ( 0 1 ) ，8 b i t ( 1 0 ) 采样，1 1 表 示8 b i t 码字 2 1 2 音频部分电路设计 如图2 7 所示，在该电路设计中，我们选用m o t o r o l a 公司的m c l 4 5 4 8 3 芯片 作为p c m 编解码芯片，该芯片支持1 3 b i t 的线形编码。由于没有外部时钟，所 以蓝牙芯片做p c m 主设备，采用默认的p s 值0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，长帧格式，由蓝牙 芯片产生2 5 6 k h z 的时钟。 在m i c r o p h o n e 工作时需要一个直流偏置，图中的r 1 ，r 2 ，c 1 ，c 6 3 一起提 供2 7 v 的直流偏置。 s p e a k e r 的输出采用单端输出方式，r 1 1 和r 1