（计算机应用技术专业论文）基于epa协议的蓝牙设备关键技术研究及软件开发.pdf

重庆邮电学院硬士论文 摘要 在当前多种现场总线并存、无法统一的形势下，以以太网和无线技术为代表 的商用c o t s ( c o m m e r c i a l o f f t h e s h e l f ) 技术在工业企业综合自动化系统中 的信息管理层、监控层网络得到了广泛应用，并有直接向下延伸，应用于工业测 量与控制系统的现场设备层网络的趋势。顺应这一趋势，我国提出了 e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 协议。它是基于以太网、无线局域网、蓝 牙等信息网络通信技术的工业自动化控制系统与仪器仪表间通信的协议。 论文首先介绍了当前工业以太网的发展现状及工业以太网对蓝牙通信技术 的需求，讨论了e p a 协议的实时调度策略。然后，深入分析了e p a 通信模型和蓝 牙协议，研究了通信实时性，确定性，h c i 流量控制，a d ，o a ，液晶显示等 关键技术，提出了基于蓝牙技术的面向底层控制设备的双向数据传输技术方案， 设计了基于e p a 协议的蓝牙接入装置和数拐采集器。同时，考虑到蓝牙设备开发 过程中通信测试的需要，在p c 机上开发了蓝牙设备监控软件。 最后，将开发的蓝牙设备应用于两个实验系统中进行测试。实验结果表明 有线、蓝牙、8 0 2 1 l b 三种通信机制能够进行有效集成，蓝牙设备的通信实时性 和确定性满足工业控制要求。 关键词：e p a ，蓝牙，以太网，h c i 蔓生堂皇堂堕堡主笙塞 a b s t r a c t a tt h es i t u a t i o no fm u l t i f i e l d b u sc o e x i s t e n c ew i t h o u tb e i n gu n i f i e d ，t h e t e c h n o l o g i e sb a s e do nc o t sr e p r e s e n t e db ye t h e m e ta n dw i r e l e s se x t e n s i v e l yw e r e a p p l i e di ni n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tl a y e ra n dm o n i t o rl a y e rn e t w o r ki ni n d u s t r i a l e n t e r p r i s ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e m n o wt h e yw e r ee x t e n d e dd i r e c t l yt of i e l d d e v i c el a y e rn e t w o r kf o ri n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m u n d e rt h et r e a d c h i n ad r a w no u tt h es t a n d a r d e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) i ti sa c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r du s e df o ri n d u s t r i a la u t o m a t i o nc o n t r o l s y s t e ma n d i n s t r u m e n t sb a s e do ne t h e m e t ，w l a na n db l u e t o o t ht e c h n o l o g i e s f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h er e c e n td e v e l o p m e n to fi n d u s t r ye t h e m e ta n di t s r e q u i r e m e n tf o rb l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o n ，a n dw ed i s c u s s e dr e a l t i m es c h e d u l i n g p o l i c y t h e n ，a f t e rp r o f o u n d l ya n a l y z i n ge p ac o m m u n i c a t i o nm o d e la n db l u e t o o t h p r o t o c o l ，k e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sh c if l o wc o n t r o l ，l c dd i s p l a y i n g ，c o m m u n i c a t i o n r e a l - t i m ea n dd e t e r m i n a c y , a da n dd aw e r ed e e p l yr e s e a r c h e d t h u s ，w eg a v ea b i d i r e c t i o n a ld a t at r a n s m i s s i o ns c h e m eo r i e n t e dc o n t r o ld e v i c e si nl o wl a y e rf i e l d b u s n e t w o r k ，a c c o r d i n gt o t h es c h e m e ，b l u e t o o t ha c c e s sd e v i c eb a s e do ne p aa n d b l u e t o o t hd a t ac o l l e c t o rb a s e do ne p aw e r ed e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，b l u e t o o t h d e v i c em o n i t o rs o f t w a r ew a sd e s i g n e dt om e e tr e q u i r e m e n tf o rt e s t i n gc o m m u n i c a t i o n b e t w e e n t h ed e v i c e sb e i n gd e v e l o p e d a tl a s t ，d e v e l o p e db l u e t o o t hd e v i c e sw e r ea p p l i e di nt w oe x p e r i m e n ts y s t e m st o t e s tt h e i rp e r f o r m a n c e t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t si n d i c a t e d8 0 2 3 ，b l u e t o o t ha n d 8 0 2 1lbc o u l db ei n t e g r a t e de f f e c t i v e l yi n t oac o n t r o ls y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o n r e a l t i m ea n dd e t e r m i n a c yo ft h ed e v i c e sc o u l dm e e tr e q u i r e m e n t s f o ri n d u s t r y e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：e p a ，b l u e t o o t h ，e t h e m e t ，h c i “ 重庆邮电学院硕士论文 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得重鏖由e 虫堂隧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己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：币更惠 签字日期： 垆年歹月；。目 学位论文版权使用授权书 本学传论文作者完全了解重压壹电堂睦 有关保留、使用学 位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重鏖由g 电堂瞳可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：前昊官 j - 2 fj 导师签名：少。f 签字日期：畔罗月，p 日签字日期：) 卯吖年厂月) 。曰 垩塞塑皇堂堕堡主笙塞一 1 1 工业以太网技术 第一章绪论 现场总线技术是当今自动化领域技术发展的热点之一。它把微处理器置入 现场设备中，并将现场设备( 如数字传感器、变送器、仪表与执行机构等) 与工 业过程控制单元、现场操作站等进行互连而成计算机网络，从而使整个系统具有 全数字化、分散、双向传输和多分支的特点，是工业控制网络向现场级发展的产 物。然而现场总线仍存在很大的局限性。首先，现场总线主要是低速网络，现场 仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低，主要用于数据采集和控制信号的输 出，只能实现一些简单的控制算法。其次，目前出现了p r o f i b u s 、f f 、l o n w o r k s 、 c a n 等多种现场总线，现场总线没有一个统一的标准，各种现场总线产品之间 很难实现互操作。现场总线自身技术的局限性以及多种总线标准共存的局面，限 制了现场总线技术在工业控制网络中的进一步发展。 随着i n t e m e t 技术飞速发展，以太网和t c p i p 协议已成为事实标准，基于 t c p i p 协议的以太网可以满足工业控制系统各个层次的需求。与以往的工业控 制网络相比，基于以太网的工业控制网络具有很多优势。以太网有更高的通信带 宽，能够满足不断增长的数据通信的需要。通过t c p i p 协议，可以方便的实现 现场设备层和企业管理层的无缝连接。而且，以太网设备价格低廉，实现简单， 能够大大降低控制系统的成本。而随着全双工交换技术的发展，以太网作为工业 控制网络在实时性方面的闯题正逐渐得以解决。将以太网应用于工业控制中已是 一个必然的趋势。 1 。2 工业以太网对蓝牙技术的需求 传统的工业控制网络应用中，布线的成本有时会大大超过其它控制设备的成 本，而且电缆的连接也限制了现场设备的移动和网络的重组。与此同时，一些工 业环境禁止使用电缆( 如超净或真空封闭的房间) 、或者很难使用电缆来传送数 据( 如高速旋转的设备) 。这种情况下，实现智能节点间的无线互联就显得极为 重要。而在无线局域网技术中，“蓝牙”是目前风靡世界的新一代通信技术，其 设计目的在于在固定设备和移动设备之间实现结构简单、强壮性好、低能耗、低 成本的无线连接。作为一种开放性的标准，目前的最商数据传输速率为1 m b s ， 传输距离远( 通过提高输出功率等措施，可以达到l o o 米) ，它可以支持点对点 或者多点间的互联通信。因此，“蓝牙”技术以其独到的优势成为其中的热点。 重庆邮电学院硕士论文 1 3 国内外研究现状 在工业控制领域，鉴于无线以太网在一些应用领域无可替代的地位、改造 传统有线工业现场设备的庞大市场以及蓝牙技术自身的优点，国内外已有众多公 司投身于蓝牙现场设备的研发工作。在已推出的产品中，包括蓝牙适配器、蓝牙 网关、蓝牙传感器、蓝牙控制器、蓝牙数据采集器等。由此可见，无论是从技术 上还是从市场上，蓝牙进入工业控制领域的时机已经越来越成熟。 事实上，早在1 9 9 9 年美国a t m e l 公司就推出了单芯片蓝牙控制器a t 7 6 c 5 5 l 。 利用该控制器可以很方便的构成一台蓝牙通信设备。2 0 0 1 年，美国c r o s s b o w 技 术公司推出了工业上第一个蓝牙无线传感器c r o s s n e t 。c r o s s n e t 主要由 c r o s s n e t 节点、智能i 0 、i n t e r n e t 以及应用驱动软件组成。每个c r o s s n e t 节 点可控制和监视4 个传感器。采用蓝牙无线技术的c r o s s n e t 传感器能快速有效 地将传感器与i n t e r n e t 网络相连接，从而消除了导线连接和用手工操作启动、 校验传感器连接等任务。这种传感器可广泛应用于数据采集、测量、监测和控制 等各种应用中。 1 4 本文主要研究内容 本文研究内容涉及“十五”国家“8 6 3 ”计划项目基于蓝牙技术的工业 现场设备、监控网络及其关键技术研究和国家标准国家标准，用于工业测量 与控制系统的e p a 系统结构和通信标准。我从事的工作主要包括以下几个方面： 基于e p a 协议的蓝牙无线接入装置的软件开发 基于e p a 协议的蓝牙数据采集器的软件开发 蓝牙设备监控软件开发 组建基于e p a 协议的蓝牙测控系统和进行蓝牙设备与e p a 有线网络的集成。 重庆邮电学院硕士论文 2 1e p a 协议概述“” 第二章e p a 协议 e p a 是e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n 的缩写，它基于以太网( i e e e 8 0 2 3 ) 和无线局域网( e e e s 0 2 1 1 ) 、蓝牙( i e e e s 0 2 1 5 ) 等信息网络c o t s ( c o m m e r c i a l o f ft h e s h e t f ) 通信技术以及t c p ( u d p ) l i p 协议，是种适用 于工业自动化控制系统装置与仪器仪表间、以及工业自动化仪器仪表间数据通信 的工业控制网络技术。 基于e p a 的工业自动化控制系统是一种分布式网络控制系统，它由现场设备 和控制监视设备组成，并结合工业自动化生产现场物理环境，所有e p a 设备一 起协调工作，完成生产过程和操作中的i o 数据采集和自动化控制。该系统可以 用于制造和过程控制环境，但由于目前以太网及无线局域网、蓝牙等本身不能支 持本质安全要求，因此e p a 网络尚不能应用于需要本质安要求的应用场合。 基于e p a 的分布式网络控制系统的基本出发点面向控制工程师的应用，利用 标准的、开放的、分布式的、可重用的自控系统基本模块( 如功能块) 。通过一 种明晰的、易于实现的连接关系( 如链按对象) 联系起来，和诣的组成不同的系 统，以满足不同工程应用要求。这意味着控制工程师通过一个系统开发商提供的 应用平台工具包对标准的组件进行组态配置就能快速而有效的构成一个实际应 用系统，满足单个用户的要求。完蹙的组件能够集成到工具包中，并且可以在相 同或其他应用程序中重用，以达到自控系统应用中的降低系统应用复杂性、高工 程成本和设计、施工周期，提高工程应用质量和系统可重用性的目的。 2 2e p a 网络拓扑“” e p a 系统中规定了两层网络，即过程监控层网段l 2 和现场设备层网段l l ， 其中l l 网段指现场设备层网段，用于工业生产现场的各种现场设备( 如变送器、 执行机构、分析仪器等) 之间以及现场设备与l 2 网段的连接，而l 2 网段则主 要用于控制室仪表之间的连接( 如图2 1 所示) 。l 1 网段和l 2 网段仅仅是指它 们在系统中所处的层次关系的不同而划分的，它们本质上都遵循同样的e p a 通 信协议，但对于处于现场设备层的l l 网段在物理接口和线缆特性上必须满足工 业现场应用的要求。 在现场设备层l 1 网段，依据e p a 现场设备间的通信耦合关系和物理安装位 置，可分为若干个子网段或控制区域。 重堕堕皇兰堕堡主堡兰 每个l 1 子网段内具有若干个e p a 现场设备( 如符合e p a 协议的变送器、 执行器、现场控制器、数据采集器、p l c 等) ，它们可以通过以太网交换机或集 线器连接起来，相互之间直接采用e p a 通信协议进行通信。每个l 1 子网段通过 e p a 网桥与其他l l 子网段和l 2 网段在逻辑上进行隔离。e p a 网桥不同于一般 的以太网交换机或无线访问点，它是针对工业过程测量控制系统而定义的一个特 殊设备，但本质上它是一个网桥设备。一般它具有两个接口，其中一个接口通过 交换机( 或无线访问点) 连接本子网段的其他e p a 设备，另一个接口用于连接 l 2 网段。通过组态，e p a 网桥可以只转发满足特殊要求的e p a 报文，面不转发其 它报文。 图2 1 e r a 系统网络拓扑结构 对处于不同l 1 子网段内的e p a 设备，一般不推荐相互之间的直接进行通信。 这样，每个l l 子网段、l 2 网段内的通信负荷尽可能降低为最小，以减小网 络阻塞和通信延迟，提高e p a 设备问的通信响应实时性。 2 3e p a 通信模型“钉 e p a 通信模型参考i s 0 0 s i 开放系统豆连模型( 见i s 07 4 9 8 ) ，低四层采用 i t 领域的通用技术，其中物理层与数据链路层兼容i e e e 8 0 2 3 、i e e e 8 0 2 11 、 4 重庆邮电学院硕士论文 印“管罴鏊蘑块应 e p a 功能块应 非实时应用程序 用进程 e p 蕾理 e p 应用 epa 简单网简单剐动态主 里磐层厦务 h t t pi t p其他标 管理 络管理 络时问 机配置 准 信息 协议 协议协议e p a 霉接孚映 协议协议协议 鹾 射接口 u d pu d p i p ( a r p 、i c m p 、i g m p ) e p a 实时调度接口 i e e e 8 0 2 3 1 e e e 8 0 2 1l i e e e 8 0 2 1 5 v t a c i e e e 8 0 2 3 i e e e 8 0 2 i1 1 e e e s 0 2 1 5 物理层 g j 户层 应用层 l 网络层 l 传输层 图2 2 e p a 通信模型 i e e e 8 0 2 1 5 ，网络层以及传输层采用t c p ( u d p ) p 协议，并在网络层和m a c 层 之间定义了一个e p a 通信调度接口，完成实时信息和非实时信息的传输调度。会 话层和表示层未使用。应用层定义了e p a 应用层协议、服务和e p a 套接字映射接 口、以及e p a 管理功能块及其服务，同时还支持i t 领域现有的协议，包括：h t t p 、 f t p 、d h c p 、s n t p 、s n m p 等。另外增加了用户层，采用基于i e c 6 1 4 9 9 和i e c 6 1 8 0 4 定义的功能块及其应用进程。 e p a 通信结构模型与i s 0 0 s i 通信参考模型之间的关系，如表2 1 所示。 表2 。le p a 通信模型同i s o o s i 七层参考模型比较 i s oo s i 七层参考模型e p a 通信结构模型 ( 用户层) 用户应用进程 应用层h t t p 、f t p 、d h c p 、s n t p 、s n m p 、e p a 应用层规范、e p a 管理功能块 表示层 未使用 会话层 传输层 t c p u d p 网络层 i p 数据链路层实时通信调度接e l 物理层 i e e e8 0 2 ，3 i e e e8 0 2 1 1 l e e e8 0 2 1 5 2 4e p a 通信调度“ e p a 支持基于i e e e 8 0 2 3 1 1 1 5 的非确定性与确定性通信两种通信方式。对 于处于过程监控层的1 2 网段( 请看图2 3 ) ，可以采用基于i e e e s 0 2 3 1l 1 5 的 访问调度机制，如基于以太网的子网段，完全采用基于c s m a c d 的自由竞争访问 机制。 皇鏖堂皇兰堕堡主丝壅 一 在l 1 网段，e p a 设备问的通信报文可分为周期性报文和非周期性报文两大 类。其中，周期性报文主要指用于e p a 系统中，分布于不同e p a 设备中的功能块 之问传输的测量与控制数据，非周期性报文指用于过程报警、趋势、域上下载的 数据，以及诸如a r p 、r a r p 、h t t p 、f t p 、t f t p 等报文。其中，周期性报文按事 先组态过的准确时间周期发出，非周期性报文则按其优先级及时间有效性发送。 在i 。1 网段的一个予网段内，所有e p a 现场设备的通信均是按周期进行的， 完成一个通信周期所需的时间称为一个巡回周期，该巡回周期由用户应用程序指 定，并下载到e p a 现场设备中。该巡回周期分为两个阶段，其中第一个阶段为周 期性报文传输阶段t p ，第二个阶段为非周期报文传输阶段t n 。在t p 阶段，依据 组态，一个乙1 予网段内的所有设备依次访问网络介质，按发布预订接收模式向 网络上发送周期性报文。每个e p a 现场设备所发送的周期性报文包括两部分，一 部分是绿色部分，它主要是指需要按周期传输的测量控制报文，或功能块输入、 输出更新数据。第二部分是红色部分，它是按广播方式或多播方式发送的非周期 报文声明消息，包括本地设备有无非周期报文发送、本地非周期报文优先级以及 本地i p 地址等报文。 在t n 阶段，每个e p a 设备根据在t p 阶段接收到的其他设备的非周期声明消 息，依据以下规则和步骤发送非周期报文： 如本地设备无非周期报文发送，则不处理； 如本鲍设备有非周期报文传送，如本地的非周期报文优先权最高，且本次 巡回周期内剩余时间足够该报文的完整发送，则发送该非周期报文，转入第步； 如本次巡回周期内剩余时间不足以该报文的完整发送，则认为本地设备的非周期 报文发送完毕，转入第步。 如本地设备有菲周期报文传送，且本地的非周期报文优先权与其他设备的 非周期报文具有相同的优先级，则本地设备的i p 地址如果较小，且本次巡回周 期内剩余时间足够该报文的发送，则发送该非周期报文；如本次巡回周期内剩余 时间不足以该报文的完整发送，则认为本地设备的非周期报文发送完毕，转入第 步。 如本地设备下一个非周期报文的优先级不小于其他设备的非周期报文，且 本次巡回周期内剩余时间足够下一个非周期报文的发送，则发送该非周期报文； 如果本地设备的下一个非周期报文的优先级小于其他设备的非周期报文，或者本 次巡回周期内剩余时间不足以本地设备中优先级最高的第一个非周期报文的发 送，则认为本地设备的非周期报文发送完毕，转入第步。 如本地设备的菲周期报文发送完毕，则向网络上发送“非周期擐文发送完 毕”声明消息，通知其他设备发送非周期报文； 其他具有非周期报文传输要求的e p a 现场设备重复步，壹到本次巡 重庆邮电学院硕士论文 回周期到，或所有设备的非周期报文发送完毕。 继续下一个巡回周期的报文发送。 图2 3e p a 通信调度示意图 2 5 蓝牙e p a 现场设备接入的协议模型“” 蓝牙e p a 现场设各接入e p a 以太网段的协议模型如图2 4 所示。该协议模型 中各层协议的功能如下： 本模型遵循i e e e 8 0 2 1 5 1 标准，i e e e s 0 2 1 5 1 标准源自蓝牙核心涝议、蓝 牙应用规范和蓝牙钡4 试文档，其中主要内容未作更改直接引用。i e e e 8 0 2 1 5 1 符合8 0 2 系列标准模型，其p h y 和m a c 包括物理射频、基带( b b ) 、链路管理( l m p ) 、 逻辑链路控制与适配( l 2 c a p ) 。 物理射频定义了设备与传输媒体之间的接口特性。射频( r f ) 使用无需授权 的2 4 g h zi s m 频段，实现数据位流的过滤和传输。同时，该层还定义了蓝牙收 发器应满足的要求。 b b 管理异步和同步链路、处理数据包、寻呼、查询接入和查询蓝牙设备等。 l m p 负责控制和协商发送分组的大小，管理设备的功率模式和蓝牙设备在微 网中的状态以及处理链路和密钥的生成、交换和控制。 l 2 c a p 执行对高层协议的复用、组管理、数据分组的分割和重组以及协商服 务质量。 r f c o m m 是基于e t s i 标准的t s0 7 1 0 的传输协议，它主要执行对串行接口 的仿真。 s d p 为应用提供了一个发现可用协议和决定这些可用协议的特性的方法。 重庆邮电学院硕士论文 p p p 是i e t f 点到点协议，由r f c l 6 6 1 定义。它运行于r f c o m m 之上，提供鉴 权、加密、数据压缩和多协议支持。p p p 连网是指采用某种网络层协议( 如i p 、 1 p x ) ，以实现蓝牙现场设备通过l a p 进行网际互连。在本规范中指明采用t p 协 议。它从p p p 层中提取t p 分组并将其传送到有线局域网，或执行相反的过程。 应用层根据用户使用的应用程序提供相应服务。 i e e e 8 0 2 15 m a c p h y 蓝牙e p a 现场设备 蓝牙e p a 接入点e p a 有线网络 图2 4 蓝牙e p a 现场设备接入的协议模型 重庆邮电学院硕士论文 第三章基于e p a 协议的蓝牙接入装置实现 3 1 硬件设计 硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块所需要使用的元器件进行 选择和组合，其选择的基本原则就是市场上可以购买到的性价比最高的通用元器 件，硬件设计的关键一步就是利用印制板计算机辅助设计软件对系统的元器件进 行布局和布线，接着是印制板加工、装配。图3 1 是基于e p a 协议的蓝牙接入装 置的硬件结构。它有以下几个部分组成： r a b b i t 2 2 0 0 核心模板“1 。r a b b i t 2 2 0 0 核心模板川是蓝牙介入装置的核心部 件。它采用r a b b i t 2 0 0 0 微处理器，2 5 6 k 的f l a s h 及1 2 8 k 的s r a m ，4 个串口， 2 6 个i o 口，1 0 b a s e t 以太网口。同时，它提供d y n a m i cc 的软件开发环境。 通过对r c m 2 2 0 0 核心模块的编程，控制以太网口的数据通信，此模块要对蓝牙 模块进行初始化以及实现蓝牙链路的连接，从而进行蓝牙无线数据通信。 液晶屏。液晶显示屏采用点阵图形液晶显示模块，型号：v p g l 2 8 6 4 。它 使用两片k s 0 1 0 8 b 作为列驱动器，同时使用一片k s 0 1 0 7 b 作为行驱动器。 k s 0 1 0 7 b 不与m c u 发生联系只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步信 号。k s 0 1 0 8 b 的特点足内置6 4 6 4 位的显示存储器，显示屏上各象素点的显示 状态与显示存储器的各位数据一一对应，需要与相应的带振荡器和显示时序发动 器的行驱动器k s 0 1 0 7 b 配套才能形成一个完整的液晶驱动和控制系统。 蓝牙模块。蓝牙通信模块选用以b l u e c o r e0 2 为内核的蓝牙芯片，此蓝牙 芯片体积小，功耗低，满足蓝牙1 1 规范，并提供了多种通信接口，如u s b 口、 u a r t 口、1 2 c 口以及语音接口。本文采用了蓝牙的u a r t 口与r a b b i t 2 2 0 0 核心 模块串口d 相连接， 其中u a r t 臼波特率为5 7 6 0 0 b p s ，工作电压为3 3 v 。 蓝牙模块。在设计中我们需要用到两种电压值：5 v 和3 3 v 。在实现中采 用l m 7 8 0 5 集成芯片生成5 v 的电源，m a x 6 4 0 集成芯片生成3 3 v 电源。 基于e p a 的蓝牙现场设备和e p a 有线控制网络的接入过程如图2 4 。设备上 电后，蓝牙接入装置对蓝牙进行初始化并在其覆盖范围内自动搜寻蓝牙现场设 备：若有，则各自的链路管理器就会发现对方，当双方通过了鉴权和认证后，则 自动建立通信关系。若覆盖范围内有多个带有蓝牙芯片的现场设备，则这些设备 自动组成蓝牙控制网络，实现蓝牙现场设备间的数据通信。同时，接入装霞的微 处理器自动对以太网接口进行初始化，与有线控制网络建立连接，并起到覆盖范 围内蓝牙现场设备与有线控制网络进行数据通信的桥梁作用。 9 垩盎塑皇堂堕堡圭堕苎 圈3 1基于e p a 协议的蓝牙接入装置硬件结构图 3 2 软件总体设计 在深入分析e p a 协议和蓝牙协议栈的基础上，设计的软件由蓝牙h c i 驱动 模块、e p a 通信栈模块、液晶模块和监控处理模块组成。图3 2 给出了整个程序 执行的主流程。其中监控处理模块执行上位机的蓝牙设备监控软件下发的控制命 令，或者向它上传蓝牙接入装置的所处状态。它的设计为蓝牙装置提供了很大的 灵活性。液晶模块是为现场工作人员提供实时诊断信息而设计的。蓝牙h c i 驱 动模块是整个软件的重要部分，它们提供了设备间的无线通信功能并实现蓝牙设 备和有线网络的无缝连接。蓝牙接入装置向其他e p a 设备转发或发送报文时， 与其他的e p a 设备一样，需要遵循确定性调度方法。因此，它需要主设备对其 进行组态，由组态程序指定其周期报文发送的时间偏移量和非周期报文的调度策 略。e p a 通信栈模块就是为此目的而设计的。整个程序使用r a b b i t 2 2 0 0 核心模 板自带的开发平台d y n a m i cc 实现。 0 重庆邮电学院硕士论文 图3 2 基于e p a 协议的蓝牙接入装置的主流程 3 3 蓝牙h c l 驱动模块 3 3 1 蓝牙h c l 协议分析 主机控制接口( h c i ) 位于传输协议之中，它为高端应用层提供了一个访问 低层传输协议的指令接口，同时为蓝牙硬件中基带控制器和链路管理器提供了命 令接口，从而实现对硬件状态寄存器和控制寄存器的访问。h c l 分为主机、传输 层、主控制器三部分，并在每一层为h c i 系统提供不同的功能。下面主要讨论 h c i 协议层中的h c i 软件部分，底层软件结构如图3 3 所示。 h c i 软件部分可分为h c i 固件和h c l 驱动两个部分。h c i 圆件位于主控制 器，h c i 固件通过对基带命令、链路管理器命令、硬件状态寄存器、控制寄存器 和事件寄存器的访问，实现蓝牙硬件h c i 指令：h c i 驱动位于主机，即协议模型 中的h c i 软件驱动部分。若某事件发生，用h c i 事件通知主机，而主机将收到 h c i 事件的异步通知。当主机发现有事件发生时，它将分析收到的事件包并决定 何种事件发生。主机端的h c i 驱动程序，一方面通过接口被蓝牙应用程序调用， 实现对上层应用的承载：另一方面实现了协议中的h c i 功能集，使主机可以向 蓝牙子系统发送h c i 指令，或接收子系统返回的h c i 事件。 重庆邮电学院硕士论文 o t h e rhi g h e rl a y e i dr i v er h c or 沁er ，ph y s l c , a l b u s u s b p c “e ar d 。o t h e r i d f i v e r p h y s i c a i b u s ph y s i _ 。a 1 8 u $ u s b p cc ar d 。o t h e r jf i r m w ar e h c if f r r n w ar g 图3 3蓝牙底层协议结构图 h c i 驱动和h c i 固件是通过主控制器传输层进行通信的，这些中间层和主 控制传输层提供了在没有数据描述信息情况下传输数据的能力。 在蓝牙规范的描述中，蓝牙子系统与主机之间共有3 类数据转移的方式、每 一种数据在硬件接口均具有一定的封装格式，分别是由3 种传输层支持，分别为 u a r t 、r s 2 3 2 和u s b 。采用不同的主控制器传输层对主机所接收的h c i 事件异 步通知不会产生影响。蓝牙接入装置通过r a b b i t 2 2 0 0 核心模板的d 串口和蓝牙 模块的u a r t 相连。 通过u a r t 传输层可发出四种h c l 分组，包括：h c i 指令分组、h c i 事件 分组、h c ia c l 数据分组和h c is c o 数据分组，h c i 指令分组仅能用于发送到 蓝牙主控器，h c i 事件分组仅嶷由蓝牙主控器发送，h c ia c l s c o 数据分组则 可由蓝牙主控器自由发送和接收。 h c i 并不具有区分h c i 的四种分组的能力，因此如果h c l 分组通过一个公 共的物理接口发送，必须附加分组类型的指示。每种分组都有固定的格式，这些 格式在蓝牙协议上都已经定义好了分组头，如表3 1 所示，我们主要用到的 u a r t 的分组是前三个分组类型。 表3 1h c l 分组 t r l cs 分组类型h c l 分组指示器 h c i 指令分组 o x o l h c i a c l 数据分组 0 x 0 2 h c i 事件分组 0 x 0 4 h c is c o 数据分组0 x 0 3 2 重庆邮电学院硕士论文 3 3 2h c i 驱动模块实现 蓝牙h c i 驱动程序由4 部分组成：蓝牙初始化、h c i 流量控制、蓝牙数据间 的数据通信和h c i 与e p a 通信协议栈的相互转化。图3 4 显示了h c i 通信流程。 图3 4h c i 通信流程图 蓝牙初始化 它主要完成蓝牙硬件复位和通信过程中各种参数的设置过程。初始化工作程 序使用了八条指令分组：r e s e t 、r e a d _ b u f f e r _ s i z e 、s e t _ e v e n t _ f i l t e r 、w r i t es c a ne n a b l e 、 w r i t e _ a u t h e n t i c a t i o n e n a b l e 、w r i t e _ v o i c e _ s e t t i n g 、w r i t ec o n n c e t i o na c c e p tt i m e o u t 和 w r i t e p a g e _ t i m e o u t 指令。通过对这些返回指令事件的解析，可以灵活设置各种通 信参数。 h c i 流量控制 h c i 流量控制是蓝牙数据通信的关键技术之一。它用于在主机和主控制器之 间，避免将传送到未应答远程设备的a c l 数据溢出主控制器数据缓冲区。主机 负责管理主控制器的数据缓冲区。 主机通过发送r e a d _ b u f f e r _ s i z e 指令进行初始化。通过该指令返回的两参数 可以确定从主机发往主控制器的h c ia c l 和s c o 数据分组( 不包括报头) 的最大 长度。另有两返回参数表示主控制器为等待传输可以缓存的h c i a c l 和s c o 数 据分组数。在只有一个连接或处于本地回送的情况下，主控制器利用已完成数据 分组事件控制从主机发来的数据流。事件分组包括一个连接句柄列表，以及从事 件返回后已经发送完成的h c i 数据分组的应答数量。如果该事件没有返回指定 连接句柄，则从连接创建开始。发送完成是指数据分组的传输、溢出和回送至主 机。根据事件返回信息和存放在主控制器的r e a db u f f e rs i z e 指令返回参数，主 机决定后面h c i 数据分组发送哪一个连接句柄。每次发送h c i 数据分组以后， 里盎塑皇堂堕婴主丝三一 主枫假定对应予链接类型的主控制器的一部分空闲缓存空间已被h c i 数据分组 占用。主机收到新的已完成数据分组事件，获取自上次事件返回以后减少的可用 缓存空间大小。它就可以计算当前实际可用缓存。当主控制器在其缓存中存放有 h c i 数据分组时，它必须向主机周期性持续发送已完成数据分组事件，直到最终 所有a c l 数据分组都已发送完毕或溢出。事件发送频率由厂商指定。注意：如 果s c o 流控制失效，则已完成数据分组事件号就不能在s c o 连接句柄中进行报 告。 对于每一连接旬柄，数据都应按照它在主机内的创建顺序，以h c i 数据分组的 形式发送到主控制器。主控制器也以相同的顺序传输从主机收到的数据。同样， 从其它设备收到的数据也可作相同处理。这就意味着应在连接句柄的基础上排 序。对于每一连接句柄，数据顺序应与其创建时保持一致。 在某种情况下，必须在主控制器到主机的方向上采用流控制。一般采用 s e t h o s t c o n t r o l l e r t oh o s t _ f l o w _ c o n t r o l 指令关闭或打开流控制。如果流控制 已打开，工作方式如上所述。初始化时，主机利用h o s tb u f f e rs i z e 指令通知主控 制器发往主机的h c ia c l 和s c o 数据分组最大尺寸。该指令还包括其它两个参 数，用以通知主控制器在主机数据缓存区中能够存储的h c i a c l 和s c o 数据分组 的数量。主机就像主控制器利用已完成数据分组数量一样利用 h o s tn u m b e r0 f c o m p l e t e d p a c k e t s 指令。h o s t _ n u m b e ro fc o m p l e t e d _ p a c k e t s 指令用于无流控制指令可用的情况下，只要存在连接或处于本地循环模式时就可 以发送该指令。这就使流控制可以同样方式实现双工，而且同时不干扰正常指令 流。 主机收到断开连接完成事件后，就可以认定相对于返回的c o n n e c t i o n h a n d l e 而发送到主控制器的所有h c i 数据分组都己溢出，而且相应的数据缓存已被释 放。主控制器不必再以完成数据分组事件数量的形式将此通知主机。如果在从主 控制器到主机的方向上采用流控制，主控制器将在发送d i s c o n n e c t i o nc o m p l e t e 后，认定主机收到d i s c o n n e c t i o n _ c o m p l e t e 时将释放已发送的c o n n e c t i o n h a n d l e 所占用的缓存。主机不必再以h o s t _ n u m b e r0 fc o m p l e t e d _ p a c k e t s 的形式将该信 息通知主控制器。 蓝牙h c i 数据通信 h c i 数据通信采用a c l 方式进行通信。数据通信前通过查询命令和建立连 接命令，可以和指定的蓝牙设备建立连接。个蓝牙主设备只能与7 个从设备通 信。每一次通信的a c l 数据包很短。但在蓝牙接入装置中，可能遇到发送大于 这个长度的数据，我们可以通过多个a c l 数据包的形式，把这个包发出去，然 后在另一通信端点重新组合。 h c i 与e p a 通信协议栈的接口 4 里要墅璺兰垦竺主堡兰 如果接收的其他蓝牙设备数据需要发送到有线网络或者有线网络的数据包 需要发送到蓝牙设备，这里必然存在着个协议转化的问题。我们在h c i 层完成 协议间的转化。转化主要通过h c i c o d e t o i p ( ) 和i p d e c o d e t o h c l0 函数实 现。 3 3 3h c i 驱动模块的主要数据结构和函数 本部分讲述主要的几个结构和函数。 指令分组结构：c m dp k t t y p e d e fs t r u c tc m d p k t u n s i g n e dc h a ri n d i c a t i o nt y p e ： u n s i g n e ds h o r to p c o d e ： u n s i g n e dc h a r p a r a m e t e r t o t a 一l e n g t h ： char+pcmd； ) c m d p k t ： 事件分组结构：e v e n tp k t t y p e d e fs t r u c te v n e t p k t u n s i g n e dc h a r i n d i c a t i o n t y p e ； u n s i g n e ds h o r te v e n t c o d e ： u g s i g n e dc h a r p a r a m e t e r t o t a l l e n g t h ： c h a r 。p e v e n c ： e v e n t p k t ： 数据分组结构：d a t a p k t t y p e d e fs t r u c td a t a p k t u n s i g n e ds h o r tc o n n e c t e d _ h a n d le _ a n d p b - b c f l a g ： u n s i g n e dc h a r d a t a t o t a l l e n g t h ： char+pdata： d a t a p k t ： 主机控制器缓冲区结构：h o s tc o n t r o l l e r _ b u f f e r t y p e d e fs t r u t th o s t c o n t r o l l e r b u f f e r u n s i g n e dl o n gi n ta c l l e n g t h ： u n s i g n e dl o n gi n