（计算机应用技术专业论文）基于μcosⅡ的嵌入式蓝牙协议栈的研究与实现.pdf

乩：二 a t h e s i si nc o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fa n e m b e d d e db l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c kb a s e d o n 肛c o s - - i i b yg a oy o n g q i a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry uk e q i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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：禹永强 日期：2 0 0 穸、步 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校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。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文摘要 基于, c o s i i 的嵌入式蓝牙协议栈的研究与实现 摘要 蓝牙是一种低功耗的近距离无线通信技术，作为无线数据和语音通信的开放 性标准，目的是取代现有的p c 、打印机和移动电话等设备上的连线。蓝牙技术一 经提出，立即受到业界广泛关注，蓝牙特别兴趣小组( s i g ) 成员几乎覆盖了全球 通信、网络、芯片、外设、软件等行业所有人们熟知的大企业。足见蓝牙产品广 阔的应用前景和巨大的潜在市场，蓝牙技术必将在未来获得广泛应用。 在后p c 时代，嵌入式设备的网络化是一大趋势：一方面由于嵌入式设备自身 体积的限制，使得嵌入式设备所连接的网络要从有线网络向无线网络的方向发展； 另一方面嵌入式设备对网络访问的成本和功耗要求都非常严格：因此嵌入式系统 与蓝牙技术的结合有着巨大的发展前景。 在嵌入式应用开发中，首先要面临的问题就是核心操作系统的选择，而p c o s - l i 是一种功能强大的嵌入式实时操作系统，它性能优越，并且开放源代码，是作 为嵌入式操作系统的最佳选择。因此本文研究在p c o s - i i 基础上设计一个嵌入式 的蓝牙协议栈。 本文详细阐述了在实现蓝牙协议栈的过程中所应了解的蓝牙规范的核心内 容，解释了在研究和实现蓝牙规范过程中所遇到的难点问题。在该课题中实现了 蓝牙协议栈的h c i ，l 2 c a p ，s d p ，r f c o m m 这四层核心协议以及局域网接入应用模 型。在本文的最后，对所实现的蓝牙协议栈进行了测试，达到了预期的效果。 关键词：嵌入式系统；蓝牙；蓝牙协议栈；特殊兴趣小组 一h 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o ne la ne m b e d d e d b l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c kb a s e do n l l cc o s - - i i a b s t r a c t b l u e t o o t hi sac l o s e - d 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 yw i t hl o wp o w e r c o n s u m p t i o n a s a l lo p e ns t a n d a r df o rw i r e l e s sd a t aa n dv o i c ec o m m u n i c a t i o n , b l u e t o o t h sg o a li st oe l i m i n a t et h ew i r e so ft h ee x i s t i n gd e v i c e ss u c ha sp c ，p r i n t e r , m o b i l ep h o n ea n ds oo n b l u e t o o t hh a sc a u s e db r o a da t t e n t i o ni m m e d i a t e l ya ss o o na s i tw a sb r o u g h tf o r w a r d t h em e m b e r so ft h eb 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 ( s i g ) a r ec o n s i s t e do fn e a r l ya l lt h eg r e a tc o r p o r a t i o n sw h i c ha l ew e l lk n o w ni n c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r k ，i c ，p e r i p h e r a la n ds o f t w a r ei n d u s t r i e si nt h ew o r l d t h i s i n d i c a t e st h a tb l u e t o o t hw i l lb ea p p l i e db r o a d l yi nt h ef u t u r ea n dh a sag r e a tl a t e n t m a r k e t i na ne r ao f p o s t - p c ，t h e r ei sab i gt r e n dt oc o n n e c tt h ee m b e d d e dd e v i c e so n t ot h e n e t w o r k o no n eh a n d ，b e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o no nt h eb u l ko ft h ee m b e d d e dd e v i c e s ， t h en e t w o r ko nw h i c he m b e d d e dd e v i c e sa r ec o n n e c t e dm u s tc h a n g ef r o mt h ew i r e d n e t w o r kt ot h ew i r e l e s sn e t w o r k o nt h eo t h e rh a n d ，t h ee s s e n t i a lr e q u i r e m e n t so f e m b e d d e dd e v i c e sa r el o wc o s ta n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n s oh o wt oc o m b i n et h e e m b e d d e ds y s t e m sw i t hb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi sc u r r e n t l yi n v e s t i g a t e di n t e n s i v e l y i ne m b e d d e da p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t ，t h ep r o b l e mf a c e df i r s ti st h ec h o i c eo f t h ek e yo p e r a t i n gs y s t e m j c l c o s i ii sak i n do fp o w e r f u le m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e mb e c a u s ei t sp e r f o r m a n c ei ss u p e r i o r , a n di ti so p e ns o u r c e s oi ti st h e b e s tc h o i c er e g a r d e da st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h i st h e s i ss t u d i e sa n dd e s i g n s a ne m b e d d e db l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c kb a s e do n l c o s - i i i nt h et h e s i s ，t h ec o r ep a r t so ft h eb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o na r ee x p a t i a t e df i r s t l y t h e nt h ep r o b l e m se n c o u n t e r e do nt h ep r o c e s so fd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ni s d i s c u s s e d a f t e rt h a t ，f o u rc o r ep r o t o c o ll a y e r s ( h c i ，l 2 c a p ，s d p ，r f c o m m ) a n d t h e1 a na c c e s sp r o f i l e ( 1a p ) a r ei m p l e m e n t e d a tt h ee n do ft h et h e s i s ，t h ed e s i g n e d b l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c ki st e s t e da n dt h er e s u l tr e a c h e so u rp r o s p e c t i v ee f f e c t k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；b l u e t o o t h ；b l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c k ；s p e c i a li n t e r e s t g r o u p i i i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明1 摘要i i a b s t ra c t i i i 第1 章绪论。1 1 1 课题背景1 1 2 课题研究内容及技术路线3 i 1 3 论文组织结构。4 第2 章蓝牙技术综述5 2 1 蓝牙技术的特点5 2 2 蓝牙技术协议体系结构 2 2 1 蓝牙核心协议。7 2 2 2 电缆替代协议和电话控制协议7 2 2 3 选用协议8 2 3 蓝牙局域网接入应用模型8 第3 章肛c o s i i 的移植及硬件平台介绍。1 1 3 1 # c o s i i 介绍及特点1 1 3 2p c o s - i i 的工作原理1 2 3 3h h a r m 9 e d u 平台硬件系统介绍1 3 3 4 * c o s i i 的移植1 4 3 4 1 移植的条件。1 4 3 4 2 移植工作的主要内容1 5 3 5 移植结果测试1 8 第4 章p c o s i i 硬件驱动模块一1 9 4 1 串口驱动程序模块1 9 4 2l c d 驱动模块。2 0 一一 东北大学硕士学位论文 目录 4 3u s b 驱动模块2 1 第5 章嵌入式蓝牙协议栈的实现与测试2 3 5 1 总体设计思路2 3 5 1 1 嵌入式蓝牙协议栈实现模型2 3 5 1 2 嵌入式蓝牙协议栈实现方式2 4 5 1 3 嵌入式蓝牙协议栈的总体结构2 5 5 2h c i 协议的分析与实现2 5 5 2 1h c i 协议概述2 5 5 2 2h c l 分组说明2 7 5 2 3h c i 命令与事件。2 9 5 2 4h c i 协议的软件实现3 0 5 3l 2 c a p 协议的分析与实现3 3 5 3 1l 2 a 廿协议概述。3 3 5 3 2l 2 c a p 的信令3 4 5 3 3l 2 c a p 数据包格式3 5 5 3 4l 2 c a p 层信道的配置3 7 5 3 5l 2 c a p 协议的软件实现3 7 5 4r f c o m m 协议的分析与实现。：3 9 5 4 1r f c o m m 协议概述3 9 5 4 2r f c o m m 协议中的帧4 0 5 4 3r f c o m m 中的通信流程和流控机制4 1 5 4 4r f c o m m 协议的软件实现 4 2 5 5s d p 协议的分析与实现4 5 5 5 1s d p 协议概述4 5 5 5 2s d p 协议数据单元的格式。4 7 5 5 3s d p 事务4 9 5 5 4s d p 协议的软件实现 5 6p p p 协议的分析与实现 5 6 1p p p 协议的概述5 1 一v 一 东北大学硕士学位论文目录 5 6 2p p p 链路建立的流程5 1 5 6 3p p p 帧的基本格式5 2 5 6 4p p p 协议实现中的各模块的处理过程5 3 5 6 5p p p 协议实现中的主要接口函数5 8 5 7 蓝牙协议栈的测试5 8 第6 章总结与展望。6 1 6 1 总2 ；6 1 6 2 展望6 1 参考文献6 3 致谢6 5 攻读硕士期间发表的论文6 6 一v l 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 由移动网络与计算机网络所承载的网络经济方兴未艾，作为新经济的技术载体，网 络技术满足了人们随时随地传递信息的愿望，因此网络化是一种必然的趋势。 建设网络链路可以采用两种方式：有线和无线。有线网络技术最大的优势是高速， 而且技术成熟，因此经常被应用于主干网络建设。在计算机局域网内，目前最常见的仍 然是采用电缆或光缆的有线局域网；但是由于局域网的地理限制以及用户应用的灵活 性，有线局域网表现出了很多的缺点。主要表现在【3 9 】： ( 1 ) 建设周期长，费用高；因为有线通信必须架设电缆，或挖掘电缆沟或架设架 空明线； ( 2 ) 容易受地势影响，不能任意铺设； ( 3 ) 链路维护困难，很难及时查找故障。 无线网络技术恰好能够弥补有线网络技术的不足。无线网络技术的优点是【l ”： ( 1 ) 无线通信可以迅速( 数十分钟内) 组建起通信链路，安装迅速，扩容方便； ( 2 ) 非常方便用户使用网络，对用户实现了透明； 因此，无线技术在网络接入技术与局域网技术方面优势是非常明显的。 目前广泛使用的无线局域网接入技术【6 】主要有蓝牙( b l u e t o o t h ) 、i e e e 8 0 2 1 1 b ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 、红外( i r d a ) 和家庭射频( h o m e r f ) 四种： ( 1 ) 蓝牙( b l u e t o o t h e ) 蓝牙是一种近距离无线通信技术标准，1 9 9 8 年5 月由爱立信，i b m ，i n t e l ，诺基亚， 东芝等5 家公司联合制定，目的是实现最高数据传输速率1 m b p s ( 有效传输速率为 7 2 1 k b p s ) ，最大传输距离为l o 米的无线通信【2 6 】；它可以在较短的距离内取代目前多种 电缆连接方案，跨越障碍，在各种设备之间实现方便快捷、灵活安全、低成本、小功耗 的话音和数据通信。 ( 2 ) i e e e8 0 2 1l b ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) i e e e8 0 2 11 b 也是一种目前流行的无线通信协议，它使用2 4 g h z 射频频段，带宽 最高可达1 1 m b p s ；具有速率快、连接可靠和容易与现有以太网网络集成等特点；但是 它价位高、需要物理接入点的支持、难于配置和维护、不支持语音和电话业务【9 l 。 ( 3 ) 红外( i r d a ) 红外是点对点的数据传输协议，通信距离一般在0 到l 米之间，传输速率最快可达 1 6 m b p s ，通信介质为波长9 0 0 纳米左右的近红外线。其传输具备小角度( 3 0 度锥角 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 以内) 、短距离、直线数据传输、保密性强、传输速率较高的特点，适于传输大容量的 文件和多媒体数据。但是，它是一种视距传输，2 个相互通信的设备之间必须对准，中 间不能被其它物体阻隔，因而只适用于2 台( 非多台) 设备之间的连接1 6 】。 ( 4 ) 家庭射频( h o m e r f ) 家庭射频是建立在共享无线访问协议( s w a p ) 之上的，它在2 4 g h z 频带扩展频 谱上以5 0 跳每秒的速率跳频，最大功率为l o o m w ，有效范围约为5 0 m ，最大传输速率 为2 m b p s ；该协议同时支持数据和语音通信，最多支持6 个全双工的语音信道。它的传 输距离有限，难于集成进现有的有线网络；并且功耗高，不适于便携式使用。 和其它三种无线技术相比，蓝牙技术具有以下四种优势【l3 j ： ( 1 ) 多厂商支持优势 支持蓝牙标准的企业几乎包括全球各相关行业的所有知名企业。蓝牙的发起者都是 世界级的企业：3 c o m 、e r i c s s o n 、i b m 、l u c e n t 、m o t o r o l a 、n o k i a 和t o s h i b a 。同时， s i g 成员的增长速度极为惊人，仅从2 0 0 0 年5 月到2 0 0 1 年6 月，就从1 5 0 0 余家增加到 2 5 0 0 家。作为开放性的蓝牙技术标准，只要是s i g 成员都能无偿使用，无需交纳专利费 用，而蓝牙标准制定后，任何厂商都可以无偿地拿来生产产品，一旦通过s i g 测试认证 它完全符合蓝牙规范后，即可投入市场。 ( 2 ) 成本优势 作为一种短距离无线通信技术，成本因素对于该技术的大量商用化起决定性的作 用。蓝牙芯片组的进一步降价是蓝牙技术开发者的最大目标，从开始的2 0 美元左右降 到蓝牙“起飞”的5 美元，市场完全成熟时有可能降到2 美元以下。蓝牙的成本低廉是 因为蓝牙系统以芯片模块为节点，无需建立基站实现各种设备之间的连接。蓝牙低功耗 和小空间的特点使得它完全可以嵌入到各种移动通信设备中大量使用，这是另外三种技 术无法比拟的。蓝牙技术的一个个性化特点是简单，不论是射频电路的实现还是通信协 议的设计都相对简单。事实上，蓝牙中采用的技术并不是最先进的技术，这一定程度上 降低了系统成本。 ( 3 ) 便携式优势 蓝牙实现的体积小，可以直接嵌入到小型乃至微型设备中，目前蓝牙芯片只有 8 - 9 m m ，将来蓝牙芯片有可能缩小到黄豆般大。蓝牙的低功耗特性和各种节能控制功能 使该技术完全可以使用于采用电池供电的移动便携式设备。 ( 4 ) 安全性优势 蓝牙采用了快跳频、自适应功率控制和短数据包等抗干扰技术。蓝牙技术将i s m 频 段分割成7 9 个跳频信道，以每秒1 6 0 0 次的伪随机跳频序列，在7 9 个信道之间改变频 率。i e e e8 0 2 1 i b 和h o m e r f 与蓝牙使用相同的频段，但蓝牙的跳频速率要快的多，而 一，) 一 l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 且采用的数据包更短，这使蓝牙比其它系统更稳定，抗干扰能力更强。蓝牙的全向性传 输特性，使它有可能被任意方向的设备窃听和破坏，所以蓝牙在其基带协议中加入鉴权 和加密措施。 因而蓝牙技术的市场潜力巨大，具有广阔的发展前景，随着蓝牙技术的逐步成熟， 今后通信产品、网络产品、计算机产品中都会运用该技术。所以，我们选择研究蓝牙协 议栈的设计与实现。 由于微软已经在其操作系统w i n d o w sx p 中集成了蓝牙协议栈，鉴于微软w i n d o w s 已经垄断了p c 机环境，为了使我们的开发工作有意义，使开发成果能够得到真正的应 用，我们将更加广阔的嵌入式产品作为应用方向。事实上，现在每个人都生活在一个充 满嵌入式系统的世界里。从手表、电话到手机、p c 都有嵌入式系统的影子。嵌入式计 算机在数量上远远超过了各种通用计算机。美国福特汽车公司曾宣称：“福特出售的计 算能力已超过了i b m “【l 】。 在嵌入式应用开发中，首先要面临的问题就是核心操作系统的选择，而g c o s - i i 作为开放源代码的实时操作系统，具有执行效率高、占用空间小、可移植性好、实时性 能优良和可扩展性强等优点，是蓝牙协议栈开发与运行的良好平台。事实上，由于g c o s - i i 特有的优势，得到了许多大公司强有力的商业支持。 本课题就是在上述背景下提出的。课题的目标是开发出基于i _ t c o s i i 的嵌入式蓝 牙协议栈。 1 2 课题研究内容及技术路线 为了实现蓝牙的互操作性，s i g 发布了蓝牙协议规范。s i g 虽然制定出了详细的蓝 牙技术规范，但是却没有对蓝牙技术在实现上进行说明。因此若想将蓝牙协议真正应用 到实际产品中去，就必须将蓝牙技术规范中描述的功能加以实现。 到目前为止，已有的蓝牙芯片只集成了无线和基带功能，链路管理层的功能既可以 由蓝牙芯片实现也可以由软件来实现，而其他高层协议还不能通过硬件实现，所以实现 蓝牙协议体系中的其他高层协议，研制出符合蓝牙互操作性标准的蓝牙协议栈是蓝牙产 品开发的关键。 本课题的研究内容是：根据蓝牙协议规范，研制出能够在p c o s i i 上运行的符合 互操作性标准的专用协议栈并对其进行相应的测试。 主要包括： h c i ( 主机控制器接口) ，l 2 c a p ( 逻辑链路控制与适配协议) ，s d p ( 服务发现协 议) 及r f c o m m ( 电缆替代协议) 和p p p 协议的功能实现。 通过本课题的研究，开发出对蓝牙规范兼容的基于嵌入式系统的蓝牙协议栈，要求 一气一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 通过该协议栈各模块提供的功能实现蓝牙设备能够通过无线通讯接入局域网的目的。 采用的基本技术路线是：根据蓝牙规范，进行协议栈各部分的开发；编写测试程序， 对开发的协议栈进行测试； 本人所承担的工作为：蓝牙协议的软件开发与测试。本文主要从软件角度对蓝牙协 议栈进行探讨。 1 3 论文组织结构 全文共分为六章。 第一章，绪论：介绍了课题研究的背景与内容。 第二章，蓝牙技术综述：对蓝牙技术进行了简单的介绍。 第三章，p c o s i i 的移植及硬件平台介绍：首先介绍本课题选用的硬件开发平台 $ 3 c 2 4 1 0 ，进而详细介绍了p c o s i i 的移植以及测试过程。 第四章，嵌入式实时操作系统p c o s i i 硬件驱动模块：实现了底层硬件设备的驱 动程序，主要有串口、l c d 和u s b 。 第五章，嵌入式蓝牙协议栈的实现与测试：详细分析和实现了蓝牙协议栈中的h c i 、 l 2 c a p 、s d p 、r f c o m m 和p p p 协议；在设计嵌入式蓝牙协议栈时，在不影响协议功 能的前提下，对其功能也进行了一定的删减，这样既简化了设计，也有利于提高效率， 减少资源消耗；最后对所设计的蓝牙协议栈进行了测试。 第六章，总结与展望：总结本课题所作的工作，并对未来的研究方向作出展望。 一4 一 东北大学硕士学位论文第2 章蓝牙技术综述 第2 章蓝牙技术综述 移动通信技术近几十年获得了蓬勃的发展，从第一代以语音为主的模拟通讯系统发 展到第二代通信品质更佳的g m s 数字通信系统，然后又从可同时传输数据与语音的 g p r s 数据传输系统发展到如今的第三代移动通信系统。但是基本上这些通信系统属于 广域的无线通信技术。广域通信区域同时涵盖都市与郊区。但是无线通信的应用并不只 局限于广域的移动通信系统；在办公室，家庭等短距离内，各种信息设备间也能以无线 方式互相连接，替代现有的有线连接方式，正是此类需求的日益增长催生了蓝牙技术【2 7 】。 2 1 蓝牙技术的特点 蓝牙无线技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的短距离 无线连接为基础，可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务【2 l 】。蓝牙技术的主 要特点有： ( 1 ) 全球范围适用：蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频段，全球大多数国家i s m 频段 的范围是2 4 2 4 8 3 5 g h z 。使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证； ( 2 ) 可同时传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据 。 信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。蓝牙有两种链路类型异 步无连接( a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s s ，a c l ) 链路和同步面向连接( s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n o r i e n t e d ，s c o ) 链路 ( 3 ) 可建立临时性的对等连接( a d h o cc o n n e c t i o n ) ：根据蓝牙设备在网络中的角 色，可分为主设备( m a s t e r ) 与从设备( s l a v e ) 。微微网是蓝牙最基本的种网络形式， 最简单的微微网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。通过时分复用技 术，一个蓝牙设备便可以同时与几个不同的微微网保持同步，具体来说，就是该设备按 照一定的时间顺序参与不同的微微网，即某一时刻参与某一微微网，而下一时刻参与另 一个微微网； ( 4 ) 具有很好的抗干扰能力：工作在i s m 频段的无线电设备有很多种，如家用微 波炉、无线局域网和h o m e r f 等产品。为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用 了跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ) 方式来扩展频谱( s p r e a ds p e c t r u m ) ，将2 4 0 2 2 4 8 g h z 频段分成7 9 个频点，相邻频点间隔1 m h z 。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳 到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1 6 0 0 次，每个 频率持续6 2 5 i _ t s ； ( 5 ) 蓝牙模块体积很小，便于集成：由于个人移动设备的体积较小，嵌人其内部 一5 一 第2 章蓝牙技术综述 小，如爱立信公司的蓝牙模块r o k l 0 1 0 0 8 的外形尺寸仅为 备在通信连接( c o n n e c t i o n ) 状态下，有四种工作模式一激活 ( a c t i v e ) 模式、呼吸( s i l i f f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休眠( p a r k ) 模式。a c t i v e 模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式； ( 7 ) 开放的接口标准：s i g 为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公 开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过s i g 的 蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场； 2 2 蓝牙技术协议体系结构 蓝牙技术由一组称为协议栈的技术协议规定。图2 1 为蓝牙技术的协议结构，蓝牙 协议栈分为四部分2 9 】： ( 1 ) 蓝牙核心协议：基带、l m p 、l 2 c a p 、s d p 矛 ih c i ； ( 2 ) 电缆替代协议：r f c o m m ； ( 3 ) 电话传输控制协议：t c sb i n a r y 、a t 命令集； ( 4 ) 选用协议：p p p 、u d p t c p i p 、o b e x 、w a p 、v c a r d 、v c a l 、i r m c 、w a e 。 v c a r d v c a ，a e o b e x w a p a t 指令 t c s 二进制 s d p u d pt c p i p 语 - e - , - p p p r f c o m m l 2 c a p 陉制器接口 _ - - _一 l m p 基带 蓝牙无线信道 图2 1 蓝牙协议体系结构 f i g2 1b l u e t o o t hp r o t o c o la r c h i t e c t u r e 一6 一 东北大学硕士学位论文 第2 章蓝牙技术综述 2 2 1 蓝牙核心协议 ( 1 ) 基带协议 基带和链路控制层确保同一微微网内各蓝牙设备之间的射频构成物理连接。蓝牙的一t 射频系统是一个跳频系统，其任一分组在指定时刻、指定频率上发送，它使用查询和寻 呼进程来使不同设备间的发送频率和时钟保持同步。基带数据分组提供两种物理连接方 式：面向连接( s c o ) 和无连接( a c l ) ，而且在统一射频上可实现多路数据传送。a c l 适用于数据分组，s c o 适用于语音及数据语音的组合。所有语音与数据分组都附有不 同级别的前向纠错( f e c ) 或循环冗余校验( c r c ) ，而且还可以加密【2 8 】。 ( 2 ) 链路管理协议( l m p ) 链路管理协议负责蓝牙各设备间连接的建立和设置。它通过连接的发起、交换、核 实来进行身份验证和加密，通过协商确定基带数据分组大小；它还控制无线设备的节能 模式和工作周期，以及微微网内设备的连接状态【2 2 】。 ( 3 ) 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 逻辑链路控制和适配协议是基带的上层协议，可以认为它与l m p 并行工作。它们 的区别在于当业务数据不经过l m p 时，l 2 c a p 为上层提供服务。l 2 c a p 向上层提供面 向连接的和无连接的数据服务时，采用了多路复用技术、分段和重组技术及组概念。 l 2 c a p 允许高层协议以6 4 k b 收发数据分组。虽然基带协议提供了s c o 和a c l 两种连 接类型，但l 2 c a p 只支持a c l 连接【3 1 1 。 ( 4 ) 服务发现协议( s d p ) 服务发现协议在蓝牙技术框架中起到至关重要的作用【3 1 1 。它是所有p r o f i l e 的应用 基础。使用s d p ，可以查询到不同的蓝牙设备和其可以提供的服务类型。从而在蓝牙设 备间建立相应的连接【引。 ( 5 ) 主机控制器接口( h c i ) 除了上述协议外，规范还定义了主机控制器接口( h c i ) ，它是位于l 2 c a p 层和l m p 层之间的一层协议，它为基带控制器、链路控制器、硬件状态和控制寄存器提供命令接 口。 2 2 2 电缆替代协议和电话控制协议 电缆替代协议( r f c o m m ) 是蓝牙s i g 基于欧洲电信标准协会的e t s l0 7 1 0 规范 的串口仿真协议。电缆替代协议在蓝牙基带协议上仿真r s 2 3 2 控制和数据信号，为上层 协议提供服务支持【2 4 1 。 电话控制协议( t c s ) 包括二元电话控制协议( t c sb i n a r y ) 和电话控制a t 命令 集两部分。 一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章蓝牙技术综述 ( 1 ) 二元电话控制协议( t c sb i n a r y ) 二元电话控制协议是蓝牙s i g 基于国际电联的i t u tq 9 3 1 标准开发的面向比特的 协议，定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令，以及处理蓝牙t c s 设备群 的移动管理进程【1 5 】。 ( 2 ) a t 命令集电话控制协议 电话控制a t 命令集是蓝牙s i g 根据i t u tv 2 5 0 和e t s l 3 0 0 916 ( g s m0 7 0 7 ) 定 义的控制多用户模式下移动电话和调制解调器的a t 命令集，用于传真业务时根据需要 对a t 命令集作出限定。 2 2 3 选用协议 ( 1 ) 点对点协议( p p p ) 在蓝牙技术中，p p p 位于r f c o m m 层上，完成点对点的连接； ( 2 ) u d p i p t c p u d p i p t c p 协议由i n t e m e t 工程任务组( i e t f ) 制定，在蓝牙协议栈中使用这些协 议是为了与互联网连接的设备进行通信【3 7 】； ( 3 ) 对象交换协议( o b e x ) 对象交换协议是由红外线数据协会( i r d a ) 制定的会话层协议，它采用简单的和自 发的方式交换对象，o b e x 是一种类似于h t t p 的协议，这里假设传输层是可靠的采用 客户机朋艮务器模式，独立于传输机制和传输应用程序接口( a p i ) ； ( 4 ) 电子名片交换格式( v c a r d ) 、电子日历及日程交换格式( v c a l ) ，它们都是 开放性规范，都没有定义具体的传输机制，只是定义数据传输模式，s i g 采用v c a r d v c a l 规范，是为了进一步促进个人信息交换； ( 5 ) 无线应用协议( w a p ) 无线应用协议由无线应用协议论坛制定，它融合了各种广域无线网络技术，其目的 是将互联网内容和电话债券的业务传送到数字蜂窝电话和其它无线终端上。选用w a p 可以充分利用为无线应用环境( w a e ) 开发的高层应用软件。 2 3 蓝牙局域网接入应用模型 蓝牙s i g 针对不同的应用，定义了许多标准的应用模型规范，具体包括文件传输、 因特网网桥、局域网接入、同步、三合一电话和头戴式设备等应用模型】。由于论文中 涉及到的只有局域网接入应用模型，所以我们在这里重点介绍该模型。 局域网接入是蓝牙协议中非常重要的应用模型，也是在嵌入式系统中蓝牙技术应用 非常广泛的模型。基于蓝牙技术的局域网接入问题实质上是一个实现移动或固定计算设 一r 一 东北大学硕士学位论文笫2 章蓝牙技术综述 备通过无线技术( 近距离) 接入局域网或i n t e r n e t 的问题1 4 】。局域网接入规范定义了使 用蓝牙无线技术的设备如何接入个局域网的服务。在这个应用模型中，多数据终端使 用局域网接入点( l a p ) 作为一个局域网无线连接。一旦连接上，数据终端运行如同它 们与l a n 拨号网络连接，并且可以访问l a n 提供的所有服务。 局域网接入的应用模型如图2 2 所示，图中显示了在局域网接入规范中的协议和实 体，可以很清楚地看出，在局域网接入规范协议栈中具有一个管理实体，这个实体与初 始化、配置和连接管理期间的进程是同等的。p p p 连网是向p p p 层发送i p 包( 或从p p p 层获取i p 包) 并将它们放入l a n 的方式。移动数据终端通过l a p 接入局域网；l a p 利用了s d p 定义的服务可发现特性，虽然这是一个通用的服务特性，当有许多数据终 端接入接入点时，服务可发现特性用来指示接入点的利用程度，即繁忙程度。所以当一 个l a n 有多个接入点时，数据终端可以利用s d p 的这一性质检测各接入点的利用程度， 从而选择一个最优接入点；s d p 协议只是定义了服务可发现这一性质，而没有明确的界 定值以指示使用情况，而l a p 定义了值，用以指示接入点的使用情况1 2 5 1 。 应用层 应用 t c p & u d p t c p & u d p i p p p p 连网 i p p p p p p p 管 s d pf c o m mr f c o m m s d p 管 理 理 局 实 l 2 c a p 实 域 局域网 体 l m p l m p 体 网 基带 基带 d a t at e r m i n a l l a na c c e s $ p o i n t 图2 2 蓝牙局域网接入应用模型 f i g2 2b l u e t o o t hl a na c c e s sp r o f i l e 局域网接入模型中定义了两个设备角色：l a i n 接入点和数据。 ( 1 ) l a n 接入点( l a p ) 是提供p p p 服务并连在l a n 上的设备；p p p 连接在 r f c o m m 上传送，r f c o m m 可以用来传输p p p 包并且可以作为p p p 数据流的流控。 ( 2 ) 数据终端( d t ) 是使用l a p 服务的设备，典型的可以作为数据终端的设备有 笔记本电脑和p d a 等。数据终端是p p p 的客户机，完成p p p 中要求客户机实现的功能， 它与l a p 建立p p p 连接，这个功能可以和l a n 建立连接。 通常，数据终端和l a n 接入点的角色和基带定义的主从角色有一定联系。就像无 绳电话规范中的网关设备一定是主设备一样，如果数据接入点要支持多个数据终端轮流 接入，它一般也要作为主设备。当然，若只有一个数据终端，那么主从关系是无所谓的， 但一般还是让接入点做主设备。 一9 一 学硕士学位论文 第2 章蓝牙技术综述 局域网接入模型中，p p p 的使用是关键，它用于在数据终端和接入点之间建立连接。 p p p 建立在r f c o m m 之上，一旦p p p 连接建立后，传统的i p 解决方案就可建立在其 之上，从而完成一些诸如获得i p 地址等网络功能。其他一些标准的i e t f 协议可以建立