（电工理论与新技术专业论文）基于蓝牙技术的心脏动态监护系统的研究.pdf

墼玺鎏塞三奎兰三兰堡圭耋堡尘奎 t h es t u d yo f d y n a m i c e c g m o n i t o r i n gs y s t e m s b a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g y a b s t r a c t i nt h ep a p e r ，t h ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e dw i t ht h ee x i s t i n g b l u e t o o t hm o d u l e ，w h i c hb a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g y a d v a n c e dt e c h n o l o g y o fw i r e l e s sa n dc l o s eq u a r t e r st r a n s m i s s i o ni su s e dd y n a m i ce c gt e l e m o n i t o r s y s t e m sw h i c hm a k et h el a r g ev o l u m e so fd a t at r a n s m i s s i o nf r o mw i r ei n t o w i r e l e s s ，a n di ti sr e a l t i m e ，p o r t a b l e t h ep o r t a b l ec o n t r o l l e rw h i c ha r ec a r r i e d b yp a t i e n t sc a nc o n t i n u o u s l yr e c o r dp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r so fh e a r t ，a n di nt h e c o l l e c t i o no fd a t a , i ta l s ot r a n s m i t sd a t at ot h ea n a l y s i sw o r k s t a t i o nf o rd a t a a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g ，i th a sv e r yi m p o r t a n tc l i n i c a lv a l u ei nt h ep r o t e c t i o no f p a t i e n t s i nt e r m so fh a r d w a r e ，t h r o u g ht h ed a t ac o l l e c t i n gs y s t e m s ，e c gs i g n a li s e n l a r g e d ，f i l t e r e d ，a n dd i s r u p t i n gi sg o t t e nr i do f , a n ds oo n ，t h e ne c gs i g n a l a c c o r d i n gw i t hf r e q u e n c yi s s e n tt ot h ep i cs i n g l e c h i p t h ee c gs i g n a lo f p r o c e s s e di ss e n tt om o d u l eo fb l u e t o o t ht r a n s m i s s i o nt h r o u g hr s 2 3 2 ，i np c ， b l u e t o o t hm o d u l er e c e i v es i g n a l sr e a l - t i m e l y 、t h r o u g h r e c e i v i n gm o d u l e ，a n d t r a n s m i ts i g n a l st op ct h r o u g hp c r s 2 3 2 s o f t w a r e ，i nt e r m so fp i cs i n g l e c h i pc o n t r o l ，d a t ac o l l e c t i o n ，a d c o n v e r t i o n ，c o n t r o l l i n go fe c gs i g n a lw i t ha s s e m b l el a n g u a g eo ff a s t e rr u n n i n g s p e e d ，i nt e r m so fp cc o n t r o l ，ad i s p l a ys o f t w a r eo fe c gd a t aw i t hv i s u a l i z a t i o n l a n g u a g ev bp r o g r a m e d ，a n di ti n c r e a s e sa n a l y t i cf u n c t i o n ，w h i c hc a nd e t e r m i n e w h e t h e rt h eh e a r ti sn o r m a lt h r o u g ht h ew a v e f o r mo fe c g t h es y s t e ma d o p t sw i r e l e s st e s t i n gt e c h n o l o g y , s os a v e st h ec o m p l i c a t e d c o n n e c t i n g w i r e i t sv e r y e a s yf o r t h eo p e r a t o r , a n ds a v e st h eu s eo fs p a c e t h e r ei sa g o o dm a r k e tp r o s p e c tf o rt h ea p p l i c a t i o n t h es y s t e mi sat r yo fb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi nm e d i c a lt e l e m o n i t o rs y s t e m s a si sk n o w n ，b l u e t o o t ht e c h n o l o g yh a v ea g o o dm a r k e tp r o s p e c ti na p p l i c a t i o no f w i r e l e s sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o na tp r e s e n t ，b u tt h em e d i c a lf i e l di s r a r e l y i i ，：竺玺篁茎三奎兰三兰竺圭兰堡篁兰 a p p l i e d t h r o u g ht h et e s t i n go ft h i ss y s t e m ，s p e a k i n gv o l u m e sf o rt h a ta p p l y i n g b l u e t o o t ht e c h n o l o g yt ow i r e l e s st e l e m o n i t o ri sf e a s i b l ei nm e d i c a lt e l e m o n i t o r s y s t e m s k e y w o r d s b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ；h e a r ts i g n a l ；d a t ac o l l e c t i o n ；s i n g l e c h i p c o n t r o l ；p ca n a l y s i sp r o c e s s i n g 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于蓝牙技术的心脏动态监护 系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：l 奔l 辽日期：”加孱月t 角 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于蓝牙技术的心脏动态监护系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论 文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：辽希盹 导师签名 坳 日期：俘；月，f 日 日期：弘蟛年jn , j h 哈尔清理t 夫学t 学修t 学仙译殳 第1 章绪论 1 1 蓝牙技术的心脏监护系统背景 1 i 1 课题来源 本课题属于哈尔滨市攻关项目的申报项目。各大医院医疗系统中，现在应 用的心电监护系统均是采用有线传输，本课题研制的系统，是对有线心电监护 系统的彻底改进，对无线心电监护系统的测试和研制。 1 1 2 课题研究的目的及意义 动态监护系统是医学临床渗断的重要的设备，目前国内的监护系统是通过 有线电缆来实现信号传输，限制了病人的活动空间，患者在连续监测2 4 小时 或更长时日】时，希望能摆脱导联电缆的羁绊，蓝牙技术动态监护系统解决这一 问题。此项研究将先进的无线、近距离传输技术应用于动态监护系统中，使大 量数据的传输由有线变为无线、实时、可移动。由病人随身携带呵连续记录心 电信号的便携式控制器，在记录的同时可将数掘传输到分析1 作站进行数据分 析和处理。 蓝牙技术是最近几年发展起来的一种无线数据与语音通信的开放性全球规 范，它是一种用无线替代移动设备或固定电子设备之间连接电缆的近趼离无线 链路。它具有传统生物遥测技术所不可比拟的优点： 1 发射功率小( 只有l m w ) 对人体生理影响小： 2 使用了频率扩展和跳频技术，在有很多无线繁杂通讯的环境下，仍然能 保证数据传输的准确性，有很强的抗扰能力； 3 体积小，可制成微型传感发射模块，便于携带和长期监测，而对人的正 常活动无影响； 4 蓝牙技术支持点对点和一点对多点的通信，相互之间无串扰，可以同时 对多人进行监测： 5 自身有加密安全机制，保证数据的可靠性； 6 支持多种无线网络协议，可在现有的物理网络基础上实现远程监管，系 哈尔滨理t 大学t 学硕+ 学位论文 统可通过更新软件升级。 拟研制的动态监护仪进行监护，使用蓝牙技术进行信号无线传输，实现从 传感器到监护中心进行无接触的数据传递，并伴随着在病床旁减少电缆和存仪 器上淘汰电缆，检测参数多，结构紧凑，体积小巧，携带方便，即r 叮用窀 外，也可以定时、连续、长时间地检测病人的重要生命参数，它在保障病人的 生命安全方面无疑是具有重要的临床使用价值。 在信号采集端，体积更小、更节能、性能更优、随身携带；并使之与计算 机无线连接，医生监护端，作为一个中心网可进行远距离控制，实时监控系统 可以与i n t e r a c t 网相接，为蓝牙技术在远程医疗监护领域提供了技术支持。 本课题采用蓝牙技术实现医疗监护系统无线通讯的实时监测，我们知道蓝 牙技术是近几年发展起来的近距离无线通讯技术，其应用主要在信息家电“ 方面，其医疗上的应用在国内外还很少，现在网络技术的飞速发展，必将引起 医疗生产的变革。试想如果在网络的终端配置蓝牙芯片，通过网络传输数掘进 行无线通讯就能实现医疗现场的监测管理，现代技术的发展已经使其成为可 能。高效率的现代化无人医疗监测相信在不久的将束就会实现3 1 1 4 1 1 。1 1 。 人类科学技术日新月异的发展，促进了医疗器械的蓬勃发展，在世界范围 内，医疗器械正以约每年1 0 的速度增长，大大超过了许多工业的增长速度。 许多工业发达国家都把医疗器械列入高科技领域，造就医疗器械大发展的大好 局面。蓝牙技术应用于动态心电监护仪也是在这个大环境f 产生的。蓝牙技术 是一种小范围无线信息传输系统，是一种无线移动数据、语音- 5 视频信号的通 信，是一种用于替代移动设备或固定电子设备之间联结电缆的近距离无线链 路。当前对蓝牙技术的应用主要集中于小型的移动通信设备，而把蓝牙技术应 用于医疗设备中的研究尚处于起步阶段。目前，国内外动态心电图机产品，均 为有线数据传输，也可实现r s 2 3 2 接口将心电数据发送至计算机或传真机，实 现远程医疗诊断。只有美国安捷伦公司的心电图机产品是采用红外接口实现打 印机无线连接。国外仅见手持便携式脉搏仪，国内深圳大学已经研制成功基于 蓝牙技术的消化道图像采集发送胶丸，已通过国家鉴定。基于蓝牙技术的动态 心电监护仪的相关产品资料尚未查到。但显然，用蓝牙互连的各种电子医疗设 备具有更广泛的应用范围，可以在各种设备及医疗人员之日j 更好的协作，出现 紧急状态时及时发出告警，在医院的远程监护、社区医疗站以及家庭保健监护 医疗中将有巨大的市场潜力，有广阔的应用前景”“。 因此，本系统的研制对蓝牙技术在医疗器械应用作了尝试，为以后医疗现 场采用网络技术实现短距离无线通讯、控制打下了基础。 哈尔演理t 大学t 学硕十学位论文 1 2 蓝牙技术的发展及应用概况 1 2 1 蓝牙技术的发展 早在1 9 9 4 年，瑞典的e r i c s s o n 公司便已经着手蓝牙技术的研究开发工 作，意在通过一种短程无线链路，实现无线电话同p c 、耳机及台式设备等之 间的互联。1 9 9 8 年2 月，e r i c s s o n 、n o k i a 、i n t e l 、t o s h i b a 和i b m ，芡刚组建 特别兴趣小组( s i g ) 6 1 1 7 l 。在此之后，3 c o m 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 和m o t o r o l a 也 相继加盟蓝牙计划。它们的共同目标是开发一种全球通用的小范围无线通信技 术，即蓝牙技术。 蓝牙是一个开放性的无线通信标准，它将取代目l j 多种电缆连接方案，通 过统一的短程无线链路，在各信息设备之间可以穿过墙壁或公文包，实现方便 快捷、灵活安全、低成本小功耗的话音和数据通信。 自1 9 9 7 年7 月s i g 公布蓝牙规范1 0 以来，蓝牙技术的推广和使用得到 了迅猛发展。目前，s i g 的成员已经超过了2 5 0 0 家，几乎覆盖了全球各行各 业，随着蓝牙芯片的体积越来越小，价格越来越低，蓝牙技术将得到迅速普 及。由于蓝牙芯片制造技术的不断进步，已有5 0 0 多种蓝牙产品获得了s i g 的 认证并推向市场”7 。 1 2 2 蓝牙技术的特点 蓝牙是一种短距离无线通讯的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上 电脑、移动电话的各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就 建立了统一全球的目标，向全世界公开发布，工作频段为伞球统一丌放的 2 4 g h z 工业、科学和医学( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ，i s m ) 频段“。从 目i j 的应用看，由于蓝牙体积小功耗低，其应用己不局限于计算机外没，几乎 可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数字传输速率要求不高的移动 设备和便携设备。“”。蓝牙技术的特点可归纳为以下几点： 1 全球范围适用； 2 同时可传输语音和数据； 3 可以建立临时性的对等连接； 微微网是蓝牙最基本的一种网络形式，最简单的微微网是一个王设备和 一3 哈尔滨理t 大学t 学磅 学付冷芷 一个从设备组成的点对点的通信连接。蓝牙微微刚的结构如图1 1 所示。 多个微微网在时间和空间上相互重叠而构成的更加复杂的网络拓扑结构 被称为散射网( s c a n e m e t ) 。散射网中的蓝牙设备即可以足某个微微 i ) 9 的从没 备，也可以是另一个微微网的主设备，如图1 2 所示。 4 具有良好的抗干扰能力； 5 蓝牙模块体积小，可以方便地集成到各种设备中； 6 低功耗输出功率：l m w ( o d b m ) 通信距离为l o m ，! o o m w 为l o o m ： 7 开放的接口标准； 8 成本低，集成蓝牙技术的产品成本增加很少。 闰i - 1 篮才微微网 f i g i 1b l u e t o o t hp i c o n c t 图1 2 蓝牙散射同 f i g 1 2b l u e t o o t hs c a t t e r n e t 4 哈尔滨理t 大学t 学硕十学付论文 1 2 3 蓝牙与其他短距离无线通信技术 除蓝牙技术外，其他较为成功的短距离无线通信技术还有红外、 i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域嗍技术。这1 1 种技术的 诞生都早于蓝牙技术，并且经过多年的发展，已经只渐成熟，各项技术指标也 不断得到提升“”“”1 。这三种技术和蓝牙都工作在一个频段，它们之m 存在着 一定竞争和相互影响。 1 红外通信技术红外通信技术是通过波长为8 5 0 r i m 的红外光传输数 据。由于红外光线直线传输、易受遮挡，只支持点对点视距连接，收发装胃的 光路夹角一般在3 0 0 内，常用通信距离为t - 3 m 。 蓝牙在其规范中专门定义了i r d a 互操作性协议，支持i r d a 的o b e x 协 议及其它基于o b e x 的对象交换方面的应用，这是因为红外技术的发展和这方 面的应用已经相当成熟，但红外技术由于传输媒质本身的限制，其应用前景不 如蓝牙技术。 2 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术i e e e 8 0 2 1 l 是电气电子工程师协会8 0 2 工作组制定的无线局域网标准，主要用于实现小范围内的移动组刚和无线接 入8 0 2 1 l b 技术在体积、功耗和成本上无法和蓝牙相比，因而目前除了作为 网络接入之外，在其它对于低功耗、低成本等要求高的领域和设备上的应用还 很少，比如移动电话和p d a 。可以说蓝牙可以应用于那些8 0 2 1 1 无法胜任的 广阔领域，与之相互补充。 3 h o m e r f 家用无线局域网技术h o m e r f 家用无线周域网技术建立在芪 享无线访问协议( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c o l ，s w a p ) 之上。h o m e r f 技术 侧重于p c 及其外设所组成的无线局域网，主要针对低成本的家庭语音与数据 的无线连接。与h o m e r f 相比，蓝牙突出的特点在其设备的可移动性上。 从现在来看，以上三种技术都有各自的优势和应用领域，并且在很大程度 上与蓝牙技术相互补充，蓝牙技术的优势是显丽易见的，无疑拥有史加广泛的 应用前景 1 2 4 蓝牙技术的应用 蓝牙技术使各种移动设备、计算机外设的数：产设备之日j 的无线廉价连接成 为可能，它不仅取代了这些设备之间的点来连接，而且还使得许多数字设备的 功能得到了扩充，让原来独立的数字设备可以与其他设备联网交换信息。s i g 哈尔滨理- 大学t 学蜘卜学憧论文 也无法预测到蓝牙技术会带来多少新的应用，在这种可以被集成到几乎任何数 字设备的技术提出以后，人们充分展开想象，提出了许多的应用设想，有哆已 经有产品问世，如蓝牙计算机“”“”、蓝牙手机、电话、蓝牙数码摄像机、相 机、蓝牙耳机、蓝牙汽车、u s b 适配器、车锁，甚至还有继承了蓝牙技术的于 表和钢笔等。 1 2 5 蓝牙技术的安全 正如其它任何新产品一样，高速发展的蓝牙技术也有尚未克服的障碍。目 前业界对它的期望似乎已经超出它本来的应用，这有町能使蓝牙：技术的优势破 过分夸大，造成开发商们不应有的失误。具体说来，主要何以卜| 几点：最大障 碍是价格问题；通信速度；互操作性问题；通讯的有效距离较短。 综上所述，尽管人们对于“蓝牙”还存在这样或那样的疑问与担心，也尽 管“蓝牙”技术还有这样或那样的不足之处，但回想几年l i 人们提起互联网时 曾存在的更多的质疑与观望，对比现在互联网带给我们生活的改变与冲击，谁 又能断定蓝牙技术在不远的将来不会更蓬勃地发展呢! 1 3 系统设计的性能要求 满足目前有线动态心电监护仪的所有的性能指标 导联心电检测：持续心电监护；实时同步心电图液晶显示；反复放，浏 览；典型心律失常报警；主要参数( h r ，r h ，q r s ，p r ) 。 自动测量报告： 1 系统应具有无线通信的功能： 2 系统的软件应具有保存历史数据和打印的功能； 3 系统应能够准确测试1 0 1 x v 4 m v 电压值( 典型值i m v ) ；0 0 1 2 5 0 h z 频率值； 4 自带电源，便于携带； 蓝牙技术指标： 微处理器：1 6 位： 采样频率：5 0 0 h z ； 采样精度：1 2 位； 发射频率：2 4 g h z ； 发射器、接收器使用电源：3 3 v ( d c ) ： 哈尔滨理t 大学t 学颂卜学位论文 工作距离：2 0 m ： 导联：3 导常规心电图导联； i c 存储卡：p c m c i a 卡。 1 4 本文研究的主要内容 该课题对蓝牙技术在医疗监护系统上的应用进行了研究和设计，主要完成 了如下工作： 1 深入地了解、熟悉了现在无线通信技术的发展状况，对无线通信技术历 史发展有了一个总体全面地认识； 2 系统地学习了蓝牙技术的协议和应用框架，结合现在网络通信技术的发 展，提出了在医疗监护系统上用蓝牙技术进行短距离无线测控的思想； 3 利用蓝牙模块s b t - 8 0 0 r d 设计一个点到点的短距离无线通信测试系 统：设计了便携控制器信号采集电路，并进行了仿真调试；编制了便携机软件 程序的设计，实现了数据的通信和处理：完成了p c 机通信调试工作； 4 学习了在v i s u a l b 环境下编译p i c 汇编语占。 哈尔滨理- 大学_ 学硕卜学位论文 第2 章蓝牙协议规范和应用框架 2 1 蓝牙协议规范 蓝牙协议是蓝牙设备间交换信息所应遵守的规则。与丌放系统互连模型一 样，蓝牙技术的协议体系也采用了分层结构，从底层到高层形成了蓝牙的协议 栈，各层协议规定了所完成的功能和使用的数据分组格式，并提供上下各层之 日j 的接口。所有的蓝牙设备制造厂商都必须严格遵守蓝牙协议中的要求和规 定，以保证蓝牙产品阃的互操作性。蓝牙协议的体系结构“”如图2 1 所示。 图2 - l蓝牙协议的体系结构 f i g 2 1s y s t e ms t r u c t u r eo f b l u e t o o t ha g r e e m e n t 2 1 1 蓝牙射频协议 蓝牙的射频系统是一个跳频系统其任一分组在指定时隙、指定频率上发 送。它使用查询过程使一个单元发现那些在范围之内的单元，以及它们的设备 地址时钟通过呼叫过程能够确定实际连接。射频的范围是指介f 声音频率与 红外线之间的电磁波频率。蓝牙技术诞生的初衷是以低功耗、低成本的无线接 口取代现在纷繁复杂的有线接口。蓝牙射频部分不是重新开发的新技术而是 采用了在技术和市场上已经成熟的协议和算法。蓝牙射频部分土要处理空中数 据的收发。 蓝牙工作在无需许可证的2 4 g b l z l s m 频段上，采用r 跳频扩谱技术主动 地去避免工作频段受干扰。蓝牙每个频道宽为1 m h z 。7 9 个跳频频点中至少有 7 5 个应该伪随机地进行跳变，在一个3 0 s 的时间段内任何一个频点的使用时 间不得超过04 s 。蓝牙的跳频速率为1 6 0 0 次s ，每个频率持续时问6 2 5 u s 称为 一十时隙。主设备在偶数时隙发送数据，在奇数时隙接收数据；肌没备则与土 设备相反。 21 2 蓝牙基带与链路控制器协议 蓝牙基带与链路控制器主要负责射频部分的发送接收时问、7 9 个频点的选 择和发射功率等级的选择。蓝牙设各发送数据时基带部分将柬自高层协议的 数据进行信道编码，向下传给射频进行发送：接收数据叫射频将经过解恫恢 复空中数据并上传给基带，基带再对数据进行信道解码向高层传输“。 2121 蓝牙物理链路通信设备之间物理层的数据连接通道就是物理链路。蓝 牙系统中有两种物理链路：异步无连接链路a c l 和同步面向连接链路s c o 。 a c i i 链路是微微网主设备和所有从设备之间的同步和异步数据分组变换“”“链 路，主要用于对时问要求不敏感的数据通信，如文件数据或控制信令等。s c o 链路是一条微微阿中由主设备维护的点对点、对称的同步数据交换链路，主要 用于对时间要求根高的数据通信，如语音等。 2 12 2 蓝牙基带收发规则 1 发送( 1 x ) 规则t x 要分别进行a c l 和s c o 链路的处理。单个从啦备时 t x 的a c l 和s c o 缓存器如图2 2 所示。 哈尔滨理i 学i 学碗学论女 异步i o 端口 同步i o 端口 囤2 - 2 发送t x 缓存 f i g 2 - 2 t r a n s m i t t xc a c h e a c l 和s c o 所有公共链路的分组( i d 、n u l l 、p o l l 、f h $ 和d m l ) 中，兑有 d m l 分组携带在链路控制嚣和链路管理器之间交换的有效载荷中的公兆分组 使用a c l 缓冲器。所有的a c l ( s c o ) 分组都使用a c l ( s c o ) 缓存器。在d v 分 组中，语音部分使用s c o 缓存器，数据部分使用a c l 缓存器。 2 接收( r x ) 规则a c l 和s c o 链路分别处理r x 进程。与a c l 链踣 t x 缓存器相反，主设备对所有从设各公用一个a c l 链路r x 缓存器。s c o 缓 存器数量取决于实际s c o 链路的数量。1 l x 进程如图2 - 3 所示。 异步1 1 0 端 同步【帕端口 蚓2 - 3 接收r x 缓存 f i g2 - 3 r e c e i v e r xe a e h e a c l 链踣r x 缓存器包含两个f i f o 寄存嚣，一个用于链路控制器访问和 装载晟新的r x 分组，另一个用于链路管理器读取先前的载荷。s c o 链路i l x 缓存器也包含两个f i f o 寄存嚣，一个用来填充新到选的语音信息，另一个可 ! ! ! ! 二：兰二塑：兰g l ： 以被语音处理单元读取。分组头t y p e 字段指示当前分组是数据分组还是语音 分组分组拆解器可咀自动的把数据送到音适的缓存器。链路管理器读取旧的 寄存器后，开关s ，就切换。如果下一个有效载荷在p , x 寄存器清卒之前到达， 在下一个返回的t x 分组的分组头中必须包括一个s t o p 指示。一旦r x 寄存器 清空，s t o p 指示就清除。新的a c l 有效载荷存储到a c l 寄存器之酊，必钡椅 测s e q n 字段。lc h 中的刷新指示和广播信息将影响对s e q n 的解释。s 2 r 关每隔t s c o 时间进行一次切换，如果分组头错误没有新语音载荷到达，切换 仍旧继续进行。 3 流量控制新的分组到达时，a c l 链路的r x 缓存嚣可能已经处于满 的状态此时就需要流量控制来解决这个问题。但是s c o 数据不受流量控制 的限制。其中包括：收方控制和发方控制。 2 1 3 蓝牙主机控制器接口协议 21 3l 蓝牙主机控制器接口概述蓝牙主机控制器接口( h c i ) 是蓝牙主机主 机控制器应用模式中蓝牙模块和主机的软硬件接口，它提供了控制基带与链路 控制嚣、链路管理嚣、状态控制器等硬件功能的指母分组格式( 包括响应事件 分组格式) 以及进行数据通信的数据分组格式”。 蓝牙技术集成到各种数字设备的方式有两种：一种是单微控制器方式，即 所有的蓝牙低层传输协议( 包括蓝牙射频、基带与链路控制器、链路管理器) 与 高层传输协议( 包括逻辑链路控制与适配协议、服务发现西议、串口仿真，网 络封装协议等) 咀及用户应用程序都集成到一个模块当中，整个处理过程由一 个微处理器来完成；另一个是双微控制器方式，即蓝牙协议与用户应用程序分 别由主机和主控制器来实现( 低层传输协议一般通过蓝牙硬件模式实现，模块 内部嵌入式的微处理器称为主机控制器，高层传输协议和用户应用程序在写入 的个人计算机或嵌入的单片机、d s p 等上运行，称为主机) ，主机和丰机控制 器之间通过标准的物理总线接口( 如通过串行总线u s b 、串行端口r s 2 3 2 ) 来连 接”“洲。在蓝牙的主机主机控制器连接模型当中，h c i 作为蓝牙软件枷议堆 栈中软硬件之间的接口它提供了一个控制基带与链路管理器、链路管理器、 状态寄存器等硬件的统一接口。当主机和圭机控制嚣通信时，i c i 层以l 的协 议在主机上运行，而h c i 层以下的协议由蓝牙主机控制器硬件来完成，它们通 过h c i 传输层进行通信。主机和主机控制器之间都有h c i 它们具有相l 司的接 口标准。主机控制器中的h c i 解释来自主机的信息并将信息发向相应的硬件模 哈尔滨理t 大学t 学五l i 卜学位论文 块单元，同时还将模块中的信息根据需要向上转发给主机。 主机和主机控制器之间是通过h c i 收发分组的方式进行信息交换的。主机 控制器执行主机指令后产生结果信息，主机控制器通过相应的事件分组将此信 息发送给主机。主机与主机控制器通过指令应答方式实现控制，主机向主机 控制器发送指令分组。主机控制器执行指令后，通常会返回给主机一个完成事 件分组，该分组携带有指令完成信息；对于有些分组，不返回指令完成事件分 组，但返回指令状态分组，用以说明主机发出的指令已经被主机控制器接收并 开始处理；如果指令执行错误，返回的指令状态事件分组就会指示相应的错误 代码。由于篇幅所限，关于h c l 分组类型格式、参数、指令在这擘就不作介 绍。 2 1 3 2 蓝牙主机控制器接口传输层h c i 传输层是指蓝牙主机和蓝牙主机控制 器之间相连的物理接口。h c i 传输层包括u s b 、r s 2 3 2 、u a r t 和p c 卡传输 层。下面介绍一下和本文有关的r s 2 3 2 、u a r t 传输层。 1 h c i 的r s 2 3 2 传输层r s 2 3 2 传输层与蓝牙u s b 传输层不同，u s b 传 输层能够区别不同的h c l 分组类型，从而做出相应的处理。对于r s 2 3 2 来 说，所有的数据收发都是分别经过t x 和r x 两条线，蓝牙r s 2 3 2 主机无法区 分收到的h c l 分组究竟是哪一分组，所以蓝牙r s 2 3 2 主机的h c l 分组必须附 加特殊的标志用于区分其分组类型。这一标志就是蓝牙h c lr s 2 3 2 分组指示 器，它附加于每种对应的h c l 分组的最前面。如图2 - 4 所示。利用r s 2 3 2 接 口进行传输之前，在r s 2 3 2 接口两端的设备应该双方协商波特率、奇偶校验类 型等接口参数。 l s b m s b r s 2 3 2 分组头( 8 位) 序列号8 位h c l 分组腊误消息，协商分组的有效载荷 图2 - 4r s 2 3 2 传输分组的结构 f i g 2 - 4r s 2 3 2s t n l g l b l o f t r a n s m i s s i o ng r o u p i n g 在r s 2 3 2 发送任何数据之前，应当在主机控制器和主机之间协商波特率、 奇偶校验类型、停止位和协议模式。协商模式可以在任何一端任何时候启动， 以便得到新的协商值，或者只是把新的，i k 。时间通知对方。当协商过程在数 据传输过程中启动时，它将使用先前协商的设置来交换新的参数，而不是使用 缺省值。协商分组格式如图2 5 所示”。u a r t 设置和a c k 字段见表2 - l ， 其中停止位取0 表示一个停止位，取l 表示2 个停止位；校验使能取0 表示关 闭校验，取l 表示打开校验；校验类型取o 表示奇校验，取l 表示偶校验； 哈尔滨理一 大学t 学硕十学位论文 a c k 码取( o o o ) b 表示请求，取( 0 0 d , 表示认可，取( 0 1 0 ) b 表示不认可，( 0 1 1 ) b - ( i l i ) b 预留。 如果使用r t s c t s 作为错误指示和重新同步的方式，发送器要求的最大 检测时间为1 k 。，它包括检测c t s 状态变化的时问和刷新发送缓冲区的时 间，否则1 k 。表示本地中断时延，时间的单位为l o o m s 。 分组类犁头l 序列号 i u a r t 设置和i 波特率 lt d 。时间l 协议模式 0 x 0 6 ( 8 何) f( 8 位)i a c k ( 8 位)l ( 1 6 m h z ) l ( 1 6 伊)i ( 8 伊) 图2 - 5r s 2 3 2 协商分组的格式 f i g 2 - 5r s 2 3 2f o r m a to f t r e a tg r o u p i n g 表2 1u a r t 设置和a c k 字段 1 h b l e2 - 1u a r ts e t u pa n da c kf i e l d b i to - lb i t 2b n 3b i t 4b “5 7 保留停止位检验使能授验类j l !a c k 码 协议模式字段见表2 2 所示。c r c 取0 表示分组后面不使用c c l l 下c r c 校验，取1 表示分组后面使用c c i t t - c r c 校验。“所使用的定界符号”取0 表 示不使用定界符号0 x 7 e ，取l 表示和一致性开销字节填充( c o b s ) - - 起使用定 界符号o x 7 e 。“使用r t s c t s ”字段取0 表示不使用r t s c t s ，取l 表示使 用。“r t s c t s 模式”字段取0 表示r t s c t s 用于错误指示和重新同步，取l 表示不用于错误指示和重新同步。“使用错误恢复”字段取0 表示不支持错误 恢复，取1 表示支持错误恢复。若r t s c t s 用于同步，错误恢复重新发送错 误的分组和所有后面的分组。若使用0 x 7 e 定界符作为实现同步的机制。就只 重新发送错误的分组。错误恢复不一定总成功，有可能发生超时和重传缓冲区 满等情况。 根据实际情况，进行分组传输时可以使用检错机制。同步机制可以使用 r t s c t s 或者定界符来实现。使用r t s ，c t s 可以减少c o b s 编码的计算时 间，但是需要2 根额外的铜线。若使用3 芯线缆，不使用可编程r t s c t s ，那 么定界符、0 x 7 e 就能够与c o b s 一起使用。这两种方案的纠错能力差别不 大如果r t s c t s 再次用于同步，就简单的重发所有分组，并将含有错误分 组作为起始分组。如果使用定界符发送就只重发含错分组。可以选择不使用纠 错功能，当接收端检测到错误时，仍将错误信息分组发到发送端。 略尔滨理工大学t 学硕十学位论文 表2 - 2 协议模式字段 t a b l e2 - 2a g r e e m e mm o d ef i e l d b i t o b nlb i t 2b i t3b i t 4b n5 7 所示用的 所示用的使用 r t s ( 丌s 使吲错 保留r c r c 定界符号 r t s c t s模式 误恢复 以后扩腱 2 h c i 的u a r t 传输层u a r t 和r s 2 3 2 传输层部采用串行通信的方式 在蓝牙设备的主机控制器接口之间进行数据传输，两者问的区别在于应”“ 用环境。u a r t 传输层针对的环境是蓝牙芯片和主机在同一块印刷电路板上的 情况，因此线路误码相对较少。r s 2 3 2 传输层支持的是蓝牙芯片和位于不同实 体中的主机进行通信的情况，距离较远并且具有较高线路误码率，因此r s 2 3 2 传输层对信号电器特性进行了规定。 使用h c i 的u a r t 传输层的前提是假设没有线路误码，因而与h c i 的 r s 2 3 2 传输层相比，其分组格式只有指令分组、a c l 数据分组、s c o 数据分 组和事件分组，而没有错误消息分组和协商分组。与h c i 的r s 2 3 2 传输层一 样，h c i 的u a r t 传输层也使用分组指示器来区分这四种分组，h c l 分组紧跟 在h c l 分组指示器之后发送。 u a r t 采用了r s 2 3 2 的接口参数设霞：波特率由生产厂商确定：8 位数掘 位；无奇偶校验位；1 位停止位；流控信号为r t s c t s “；流关闭响应时间 由生产商确定。 r t s c t s 信号用来阻止u a r t 缓存的暂时溢出，它不应该用于h c i 层的 流控，因为h c i 层有自身的流控机制。如果c t s 为i ，则主机，主机控制器呵 以发送分组；如果c t s 是0 则不能。流关闭响应时间定义了从r t s 胃0 到字 节流实际停止问的最大时间。u a r t 信号线将以空调制解调器的方法相连：本 地t x d 连接到r x d ，本地r t s 连接到远端c t s ，反之亦然。 如果主机或主机控制器在通信过程中失去了同步，则需要进行复位。丢失 同步的标志是发现了错误的h c l 分组指示器。或者h c l 分组中的长度字段超 出范围。在主机和主机控制器的方向发生同步丢失后，主机控制器将发送一个 硬件错误事件分组通知主机，然后等待主机发来的复位命令束执行复位。接下 来主机控制器也将使用复位命令来重新开始同步。在主机控制嚣到生机的方向 发生同步丢失后，主机将使用复位命令来对主机控制器进行复位，接着主机通 过检查复位命令的命令完成事件来重新开始同步。 哈尔滨理t 大学t 学硕t 学付论贮 2 1 4 蓝牙的其它协议 1 蓝牙链路管理器协议蓝牙链路管理器主要负责完成浸备功率管理、链 路质量管理、链路控制管理、数据分组管理和链路安全管理五方面的任务。点 对点通信的一对蓝牙设备中链路管理器的全局视图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 全局视图中的链路管理器 f i g 2 - 6l i n km a n g e ro f w h o l ev i e w 2 逻辑链路控制与适配协议逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 位于基层 之上，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。l 2 c a p 层屏蔽了低层传输协议中的许多特性， 它只支持a c l 数据传输，而不支持s o c 数据的传输。l 2 c a p 支持高层协议 的多路复用，并帮助实现基层的短p d u 与高层的长p d u 的相互传输。r n j 时能 够在建立连接的过程中，通过监视资源的使用情况来保证服务质量的实现。 3 蓝牙服务发现协议( s d p ) 在蓝牙设备的网络环境中，本地设备发现、 利用远端设备所提供的服务和功能，并向其它蓝牙设备提供自身的服务，这是 网络资源共享的途径，也是服务发现要解决的问题。s d p 提供了服务江册的方 法和访问服务发现数据库的途径。s d p 定义了两种服务发现模式：服务搜索， 用于查询具有特定服务属性的服务；服务浏览，简单的浏览全部可用的服务。 虽然s d p 提供了发现服务和相关的服务属性的手段，但s d p 本身不提供访问 这些服务的手段。在发现这些服务之后，如何访问这些服务取决于服务选择的 不同方法，包括使用其它的服务发现和访问机制。 哈尔滨理t 大学t 学颂十学岱论文 4 蓝牙 r d a 互操作性协议红外无线技术传输早于蓝牙技术，它有肴广 泛的应用，它所支持的一些应用模型( 如对象交换和文件传输等) 也是瞌牙技术 的重要应用方向，因此，s i g 采用了i r d a ( 红外数据协会) 的会话层协议 i r o b e x ( g 【步 对象交换协议，简称o b e x ) ，使高层应用可以同时运行在蓝牙和 红外的无线链路上，在蓝牙协议体系中，o b e x 位于r f c o m m 和t c p i p 之 上，见图2 7 。 应用层 会话层 传输层 适配层 嘬矗矿 i 塾谢睥一j 图2 - 7o b e x 在蓝牙协议栈中的位置 f i g 2 7p l a c eo f o b e xi nb l u e l 0 0 t ha g r e e m e n t 0 b e x 提供了对象的表示模型，并通过“晰”和“g e t ”操作传输对象。 设备间的对话遵循客户和服务期间的请求响应模式”1 。虽然i r d a 定义了无连 接的o b e x ，但蓝牙只使用面向连接的o b e x 。在蓝牙系统中，o b e x 的功能 是实现数据对象的交换，具体的格式由各个应用框架规定，使用o b e x 的蓝牙 应用框架包括通用对象交换框架、对象推送框架、同步框架，文件传输框架、 基本打印框架和基本成像框架。 蓝牙还有音频与电话控制协议、蓝牙网络封装协议、蓝牙旨频视频分发传 输协议和蓝牙音频视频控制传输协议。 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，给出了相关的蓝牙协议栈，指出了如何恰当地使用和配置 各