（计算机应用技术专业论文）通用蓝牙模块的研究与开发.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 蓝牙的出现是用户需求和通信技术发展的必然结局，已然成为 无线个人区域网络中最令人期待的技术之一。像个人数字助理和移 动电话一样，蓝牙产品也用来满足人们对移动性的需求，与它们相 比，蓝牙产品更具有划时代的意义。 蓝牙的市场潜力是巨大的，能不能快速掌握蓝牙技术并将其产 业化将在很大程度上影响我国信息产业的发展。写本文的目的就是 希望能够帮助即将从事蓝牙产品开发和研究的人员尽快熟悉蓝牙环 境，掌握蓝牙技术。 本文以蓝牙规范1 1 版本为基础，对蓝牙技术的通信原理和网 络结构进行了深入剖析，对如何开发蓝牙产品做了方案研究，从而 开发出应用现有蓝牙芯片基于蓝牙主机控制器接口的通用蓝牙模 块，并为研发人员基于此模块开发蓝牙应用产品提供了软、硬件解 决方案。为了对此方案的可行性进行了论证，我们开发出p c 机蓝牙 无线通信测试系统。在本文中对此蓝牙产品的开发全过程进行详细 的描述，为基于通用蓝牙模块的扩展应用产品的开发起到了指导应 用的积极作用。目前，通用蓝牙模块产品已经在市面上得到了一定 的应用，效果反映良好。 最后，本文对课题以往的工作进行了总结，并提出了下一步的 研究设想。 关键词：个人区域网络；蓝牙：芯片；主机控制器接口 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h ea p p e a r a n c eo fb l u e t o o t hi st h ei n e v i t a b l ef i n a lr e s u l t so ft h e u s e r 。sn e e d sa n dt e c h n i c a l d e v e l o p m e n t o f c o m m u n i c a t i o n i t h a s a l r e a d yb e c o m eo n eo ft h em o s te x p e c t a n tt e c h n o l o g i e s i nw i r e l e s s p e r s o n a l a r e an e t w o r k l i k et h e p e r s o n a l d i g i t a l a s s i s t a n ta n d l o c o m o t i v et e l e p h o n e ，t h eb l u e t o o t hp r o d u c t sa r eu s e df o rs a r i s f y i n g t h ed e m a n d sf o rt h em o v i n gn a t u r eo f p e o p l et o o c o m p a r e dw i t ht h e m ， t h eb l u e t o o t hp r o d u c t sh a v ee p o c h m a k i n gm e a n i n g s t h em a r k e tp o t e n t i a lo fb l u e t o o t hi s e n o r m o u s ，w h e t h e rg r a s p s b l u e t o o t ht e c h n o l o g yf r e q u e n t l ya n dm a k e si ti n d u s t r i a l i z e do rn o tw i l l i n f l u e n c et h ed e v e l o p m e n t so fi n f o r m a t i o ni n d u s t r i e so fo u rc o u n t r yt o ag r e a te x t e n t t h ep u r p o s et ow r i t et h i s p a p e ri sh o p et oh e l pt h e p e r s o nt h a ti s a b o u tt oe n g a g e di na n dr e s e a r c ht h eb l u e t o o t hp r o d u c t s e x p l o i t a t i o nt o b ef a m i l i a rw i t ht h eb l u e t o o t he n v i r o n m e n ta n dg r a s p b l u e t o o t ht e c h n o l o g ya ss o o na sp o s s i b l e t h i sp a p e ri sb a s e do nb l u e t o o t hc r i t e r i o n1 1 e d i t i o n ，h a sb e e n a n a l y z e d t h ec o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l e a n dn e t w o r ks t r u c t u r eo f b l u e t o o t ht e c h n o l o g yd e e p l y ，r e s e a r c h e dt h es c h e m eo fh o wt od e v e l o p b l u e t o o t hp r o d u c t s ，d e v e l o p e dt h eu n i v e r s a lb l u e t o o t hm o d u l eb a s e do n b l u e t o o t hh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c ea n d e x i s t i n g b l u e t o o t h c h i p sb y p r o d u c t s ，o f f e r e d t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es o l u t i o n so f d e v e l o p b l u e t o o t ha p p l i c a t i o np r o d u c t sb a s e do nt h em o d u l ef o rr e s e a r c h e ra n d d e v e l o p e r 。t op r o v e t h e f e a s i b i l i t y o ft h i s s c h e m e ，w ed e v e l o p b l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e s t s y s t e m b a s e do n p e r s o n a l c o m p u t e r w eg i v et h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ew h o l ed e v e l o p m e n t c o u r s eo ft h eb l u e t o o t hp r o d u c ti nt h e p a p e r ，w h i c hp l a y e d aa c t i v e g u i d er o l ef o rt h ed e v e l o p m e n to fe x p a n s i o na p p l i c a t i o np r o d u c t sb a s e d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o nt h eu n i v e r s a lb l u e t o o t hm o d u l e a tp r e s e n t ，t h eu n i v e r s a lb l u e t o o t h m o d u l ep r o d u c t sh a v ea l r e a d yg e t t i n gc e r t a i na p p l i c a t i o no nt h em a r k e t a n db r i n gf a v o r a b l er e f l e c t s a tl a s t ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ew o r ki nt h ep a s to f s u b j e c t ，a n d p r o p o s e st h er e s e a r c hp l a nf o rn e x ts t e p k e yw or d s ：p e r s o n a la r e an e t w o r k ，b l u e t o o t h ，c h i p ，h o s tc o n t r o l l e r i n t e r f a c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 驾 日期：御毕年月渺日 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 人类的需求是无止境的，正是这种需求推动着技术不断地向前发展。 人类已经进入到了2 1 世纪，2 1 世纪的特征是数字化、网络化和信息化， 随着信息技术和数字技术的发展，特别是因特网( i n t e m e t ) 和通信技术的迅猛 发展，人们的生活方式、工作方式以及思维方式都发生了巨大的变化，同时 也刺激人们对计算机以外的各种数据源和网络服务需求的日益增长，便携的 数字处理设备已经成为人们日常生活和办公的必需品。它们具有较强的处理 能力和较大的存储空间，从而形成了一种个人操作空间( p o s ) 。 蓝牙就是为了满足人们在个人操作空间的无线互联而设计的。它使用跳 频技术使处于个人操作空间的设备形成一个无线个人区域网络，真正实现设 备之间移动的、自动的互联。 世界逐渐走向了网络化，网络化的发展趋势是从有线变为无线，从固定 走向移动。目前的网络标准，根据通信距离的不同，分为广域网( w a n ) 、无 线局域网( w l a n ) 、个人区域网( p a n ) 三类，它们的有机结合，构成了完整 的互联网络体系。蓝牙技术可以说是适应p a n 和w l a n 的发展而产生的， 它正发展成为个人区域网络的关键技术，国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 专门成立了i e e e 8 0 2 1 5 小组负责研究基于蓝牙的p a n 技术。】 蓝牙技术采用全球统一的技术标准，很好地解决了产品兼容问题，而且 蓝牙技术的复杂程度相对较低，更重要的是，由于它采取的免费策略，完全 开放的技术标准将能促使蓝牙市场化尽快应用，适合科研院所、大专院校、 厂家研发机构自主开发合适的应用产品。因此，蓝牙技术在将来将具有非常 广阔的应用前景。 1 1 课题的来源及研究背景 针对无线通信蓝牙技术无限广阔的应用前景，哈尔滨工程大学计算机科 哈尔滨工程大学硕士学位论文 学与技术学院结合计算机学科建设的实际情况，致力于无线通信技术的研究 与开发工作。 与此同时，哈尔滨电子与计算机研究所正准备开展无线蓝牙滑冰比赛裁 判打分系统的研发工作，本课题正是在这样的环境下慎重提出的。我们与哈 尔滨电子与计算机研究所联合开发拥有自主知识产权的通用蓝牙模块，并为 快速丌发蓝牙产品提供相应的基于此通用蓝牙模块的软、硬件解决方案。 1 2 蓝牙技术的发展与特点 1 2 1 蓝牙技术的发展 蓝牙技术早期的研究开发可以追溯到1 9 9 4 年，当时爱立信公司就成立了 专项科研小组对这项技术的可行性进行研究，1 9 9 8 年2 月爱立信、诺基亚、 英特尔、东芝和i b m 组成了一个特别兴趣小组( s i g ) 对这项技术进行标准 化研究，并于1 9 9 8 年5 月共同提出了一种近距离无线数字通信的技术标准， 旨在创立一项软、硬件结合的公开规范，为所有不同设备提供具备互操作性、 可交叉开发的工具，这种工具便是蓝牙技术。 蓝牙特别兴趣小组是一个国际性的非营利组织，它的目的是制定蓝牙的 技术规范和推广蓝牙技术的应用。该组织共有九个发起者，包括摩托罗拉、 爱立信、i b m 、英特尔、朗讯、微软、3 c o m 、诺基亚和东芝公司在内，另外 还有众多的世界知名企业也都已签署了相关协议，成为了蓝牙集团的成员公 司。蓝牙技术问世几年来，由于其所具有的广阔前景和蕴含的巨大商机，已 成为通讯行业新一轮的技术生长点，目前，加盟s i g 的公司已达到4 0 0 0 余 个，其中包括许多世界著名的计算机、通信、家电业厂商以及汽车、照相机 商，在国际上，一个巨大的蓝牙产业正在形成之中。 目前，蓝牙技术的发展很快，但同时我们也应看到蓝牙技术本身仍然还 需要不断地完善。一项新技术的出现，人们对它抱的期望值往往很高，短期 内还不能令人满意，这是因为任何新技术的发展都需要有一个过程，蓝牙技 术也不例外。蓝牙技术标准统一，知识产权共享的优势是非常明显的，它未 来的发展是不可限量的从长远来看可能会超出人们的想象。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 2 蓝牙技术的特点 所谓蓝牙技术，是一种低功率短距离的无线通信技术标准的代称，其实 质是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机 进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备可以在没有电线或电缆相互连接 的情况下，能在近距离范围内具有互用、互操作的性能。一般来说，它的连 接范围为l o 厘米到l o 米之间；如果增加传输功率的话，其连接范围可以扩 展到1 0 0 米。 作为一种新兴的技术，与其他的类似技术相比较，蓝牙技术在设计的过 程中，考虑了诸多因素，具有以下的主要特点： ( 1 ) 工作频率及抗干扰性蓝牙技术以无线局域网的i e e e 8 0 2 1 1 标准技 术为基础，工作在全球通用的2 4 g h zi s m ( 即工业、科学、医学) 频段，该 频段用户不必经过允许，在世界范围内都可以自由使用，这就消除了“国界” 的障碍。但因此在数据传输的过程中就可能会遇到不可预测的干扰源，为了 避免干扰，蓝牙技术特别设计了小数据分组和快速确认跳频方案，以确保链 路稳定。 ( 2 ) 使用方便蓝牙技术规范中采用了一种“p l u ga n d p l a y ”的概念，它 有点类似于“即插即用”。用户不必再需要学习如何安装和设置，凡是嵌入蓝 牙技术的设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就可以建立联系，利用相关 的控制软件，即可以进行数据的传输。 ( 3 ) 支持语音篮牙主要用于个人网络、家庭网络或者办公室网络，对 语音的支持成为它必不可少的特性之一。 ( 4 ) 无需基站蓝牙系统网络以蓝牙模块为节点，无需建立基站，就可 以进行无线连接。蓝牙采用了一种极为经济的形式解决了无线通信中“最后 1 0 米”的问题，不需增加任何基础设施建设费用，同时不对现有的固定通信 网产生任何压力。 ( 5 ) 尺寸小、功耗低蓝牙所有的技术和软件都集成于9 m m x9 m m 的微 芯片内，从而可以集成到各种设备中。蓝牙工作或待机时所消耗的电流大约 只相当于手机的3 5 ，工作电压也很低( 3 5 v ) 。另外，蓝牙具有四种功 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 耗模式，能够在通信量减少或者通信结束时转入到低功耗模式。 ( 6 ) 多路多方向链接目前，相距很近的便携式器件之间的链接一般是 用红外线进行的，使用起来仍有许多不便和限制。蓝牙无线收发器的链接距 离一般可达1 0 米，不限制在直线范围内，并且能够穿透一般的障碍物，即便 设备不在同一房间内也能够相互链接。蓝牙设备能自动寻找它周围的蓝牙设 备。一旦找到就会自动建立连接，一个蓝牙系统可同时连接多达7 个设备， 构成一个微微网。相邻的微微网之间可以通过一个同时跨两个微微网的设备 相连，使这种无线连接的范围得以延伸。这就可以把用户身边的设备都连接 起来，形成一个“个人领域网络”。t 2 ( 7 ) 保密性蓝牙传输具有全方位特性，因此它就有可能被任意方向的 设备窃听或破坏，所以蓝牙的防窃听能力就显得格外重要。为此，蓝牙在其 基带协议中加入了鉴权和加密措施。另外，。蓝牙采用的跳频技术本身也具有 一定的保密性。【3 】 蓝牙技术的主要技术指标和系统参数如表1 l 所示：p l 表1 1 蓝牙技术指标和系统参数 ：l ：作频段 i s m 频段，2 4 0 2 2 4 8 0 g h z 双 ：方式全双工，t d d 时分双工 业务类型支持电路交换和分组交换业务 数据速率l m b p s 非同步信道速率非对称连接7 2 1 k b p “5 7 6 k b p s ，对称连接4 3 2 6 k b p s 同步1 i 遇愿翠 6 4 k b p s 功率 美国f c c 要求 0 d b m ( 1 m w ) ，其他国家可扩展为1 0 0 m w 跳频频率数7 9 个频点i m h z 跳频速率1 6 0 0 次，秒 。【作模式 a c t i ve i p a r k ，h o l d s n f f 数据连接方式同步面向连接链路s c o ，异步无连接链路a c l 纠错方式 i ，3 f e c ，2 3 f e c ，a r q 鉴权采用反应逻辑算术 信道加密 采用0 位、4 0 位、6 0 位密钥 语音编码方式连续可变斜率调制c v s d ；脉冲编码调制p c m 发射距离1 0 c m 1 0 m ，增加功率情况下可达1 0 0 m 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 与其它近距离无线技术的比较 无线个人区域网是当前发展最迅速的领域之一，相应的新技术也层出不 穷，目前无线个人区域网所使用的技术中，主要有红外技术、工作在2 4 g h z 频段上的无线以太网协议( i e e e 8 0 2 1 l b ) 、家庭射频( h o m e r f ) 以及蓝牙 技术，其中蓝牙技术是该领域内令人瞩目的、最有竞争力的技术。下面对以 上这几种技术标准进行一下简要的比较分析。 1 ，0 1 蓝牙技术与红外技术的比较 红外( i n f r a r e dr e d ) 通信技术是由红外线数据协会推出的短距离通信标 准。它通过波长为8 5 0 纳米的红外光传输数据，常用的通信距离为l m - 3 m ， 传输速率较高，最高可达1 6 m b p s 。使用红外技术的优点很多，如实现和操 作都相对简单、价格低廉、体积小、辐射小、安全性好、几乎无干扰等；但 同时红外线技术也具有一定的局限性，比如它仅适用于两台设备之间一对一 的连接、发射角度不能达到全方位有效，要求有一定的指向性和不可遮蔽性， 并受传输媒质本身的限制，更重要的一点是红外线技术目前在全球范围内还 没有一个统一的标准。洲s 相比之下，蓝牙技术却能实现一台设备与多台设备的相互连接，在多台 设备之间存在障碍情况下同样可以进行无线通信。蓝牙工作在2 4 g h z 全球 自由频段内、可以保证所有网络设备自由连通，在全球范围内所有蓝牙设备 标准统一。打个比方说，任一部蓝牙手机都可以与世界各国凡是具有蓝牙功 能的设备部件进行无线连接，这是f l 前红外线技术无法实现的。 1 3 2 蓝牙技术与其他2 4 f l h z 标准的比较 目前工作在2 ，4 g h z 频段上，与蓝牙构成主要竞争对手的无线技术有 h o m e r f 和i e e e 8 0 2 1 1 b 两种。 h o m e r f 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1 0 0 m w ，有效范围约为 5 0 m ，传输速率为1 m b p s 或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。h o m e r f 从设计一开始就是为了满足消费者在 哈尔滨工程大学硕士学位论文 家庭网络上的需求，除了提供良好的服务质量外，简单、保密、易用是它很 显著的特点。在家庭网络上，h o m e r f 产品是消费者适合的选择。 i e e e 8 0 2 1 l b 最初是以支持在大工作区内实现无线漫游为目的而开发 的。它支持1 0 个到1 0 0 个接入点，传输距离最高可达3 0 0 m ，具有很好的可 靠性，传输速率最高可达1 1 m b p s 。8 0 2 1 1 b 的传输速率和安全性比蓝牙要高 许多，在局域网的无线接入应用方面具有一定的优势，但它对语音支持十分 有限，只支持数据传输，它的最主要的应用是实现高质量的数据网络，在体 积、功耗和成本上也无法与蓝牙相比。【6 j 与上面两种技术相比，蓝牙技术中的跳频更快，因而更加稳定，同时它 还具有低功耗、低代价和比较灵活等特点。总的来讲，这些技术都是根据不 同的使用场合以及不同的用户需求而制定的，因此造成了它们各有自己的市 场。其中，i e e e 8 0 2 ，1 l b 比较适合于办公室中的企业无线网络，h o m e r f 可 应用于家庭中的移动数据和语音设备与主机之间的通信，红外技术应用于传 输速率高、使用次数少、移动范围不太大的场合，而蓝牙技术则可以应用于 任何可以用无线方式替代线缆的场合。1 4 】r 邢】 目前，这些近距离无线技术还处于并存状态中，用户应视实际需求选择 适合自己的标准，以局部最优来实现全局最优。从长远来看，随着产品与市 场的不断发展，它们将走向融合，我个人认为，其中最有竞争力的应属蓝牙 技术和i e e e 8 0 2 1 1 b ，而蓝牙技术最终将通过低廉的价格战胜i e e e 8 0 2 1 1 b 技术，成为近距离无线技术领域中的“龙头老大”。 1 4 课题的任务及研究意义 1 4 1 课题的工作设想 通用蓝牙模块课题研究的目的是为了方便地将蓝牙技术应用于无线产品 信息通信中去，为用户提供依赖于该通用蓝牙模块进行产品开发的软、硬件 解决方案，进行蓝牙应用产品的开发。为此，课题的主要工作包括以下几个 方面： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 通用蓝牙模块的硬件电路设计与测试实现； 2 用于用户产品二次开发的硬件电路扩展接口的设计； 3 实现通用蓝牙模块系统微控制器部分的固件编程； 4 进行基于m i c r o s o f t w i n d o w s 环境下的通用蓝牙模块应用产品开发的 软件测试； 5 提供基于以个人计算机及微控制器为应用主体的蓝牙无线通信产品 的软、硬件开发解决方案。 1 4 2 课题的研究意义 通过从事通用蓝牙模块的研究开发工作，跟踪了蓝牙无线技术所涉及的 一系列关键软、硬件技术、方法和理论，加深了我对蓝牙这门新兴的无线通 信技术的认识，具有开拓性理论研究的意义和实际应用价值。 从实际应用上来看，通用蓝牙外接式模块具有与通用芯片类似的时序接 口，并对已有的蓝牙芯片的指令进行了重新解释和结构封装。普通用户和工 程师可以把该通用外接模块作为一块通用模块来方便地使用，实现产品的蓝 牙无线通讯化，对于普及蓝牙技术进行产品应用开发具有重要的指导作用和 现实意义。 1 5 论文的内容安排 本文主要论述了基于蓝牙技术进行通用蓝牙模块研究开发的软、硬件设 计与实现方案，论文各章节安排如下： 第二章对蓝牙技术的通信原理、关键技术和网络体系结构进行了详细研 究和分析，为课题的后续工作打下了理论基础； 第三章对蓝牙主机控制器接口( h c i ) 层协议进行了详细分析，重点讲 述了如何利用h c i 传输层进行h c l 分组信息的交换，并进行了信息解析； 第四章对本课题的可行性进行了理论研究，通用分析比较，提出了通用 蓝牙模块的设计方案； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第五章按照前面提供的设计方案对通用蓝牙模块的设计实现进行了详细 的说明描述，最后作者开发了一款通用蓝牙模块测试软件，其目的是为了验 证通用蓝牙模块软、硬件设计方案的有效性： 第六章主要应用通用蓝牙模块测试软件平台，对通用蓝牙模块进行了硬 件电路测试以及上层产品软件实现方案的测试，以实验的形式论证了通用蓝 牙模块的应用可行性。 最后作者对目前所做的工作进行了总结，提出了下一步研究的设想。 本文的主要意义如下： 本文详细讨论了基于蓝牙技术的通用蓝牙模块的软、硬件设计与实 现方法，实现了通用蓝牙模块产品的开发，促进了蓝牙技术的推广； 本文介绍了如何运用通用蓝牙模块提供的解决方案，借助蓝牙h c i 指令开发蓝牙产品的方法，对用户在通用蓝牙模块的基础上应用蓝 牙技术进行产品开发，具有指导应用的实际意义。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章蓝牙技术原理与网络结构 2 1 蓝牙技术的协议和体系结构 蓝牙技术规范是由蓝牙特别兴趣小组f s i g ) * 0 订的，可分为c o r e 和 p r o f i l e s 两部分。由于英文翻译的多样性，蓝牙领域的名词使用比较混乱，在 本文中，我们将c o r e 和p r o f i l e s 相应地理解为协议栈和应用规范，其中蓝牙 协议栈是蓝牙技术规范中的核心部分。 蓝牙技术规范的协议栈采用分层结构，分别定义了跳频、数据帧传输、 连接建立和释放、链路控制、数据拆装、服务质量、协议复用和分用等功能； 同时，蓝牙协议栈部分还对射频、基带、连接管理、服务发现、传输层以及 与不同通信协议间的协调工作等部分进行了规定。与扔议栈分工不同，蓝牙 的应用规范部分规定了不同类型的蓝牙应用所必需的协议和进程。 虚拟名片( v c a r d ) 虚拟日历( v c a l ) 对象交换协议 ( 0 b e x ) 传输控 制协议 ( u o p ) 环境( w a e ) 无线应用协议( w a p ) 频电话命令 ( a t ) 命令集 用户数 据报协 议( t c p ) 点协议( p p p 服务发现协议( s d p ) 二进制电话 控制协议 ( t c s ) 可面藤甄丽丽沅丽矿ill 语 逻 h c i 软件驱 h c i 理协议( l m p 基带( b b ) 图2 1 蓝牙协议体系结构图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 蓝牙协议栈的设计原则是使现存的协议最大限度地重复使用，保证现有 协议与蓝牙技术的兼容性以及各种应用之间的互通性，充分地利用兼容蓝牙 技术规范的软硬件系统。蓝牙技术的主要目的就是使符合该规范的各种设备 能够互通，这要求蓝牙本地设备和远端设备必须使用相同的协议。完整的蓝 牙协议体系结构如图2 1 所示，它显示了数据经过无线传输时，所有协议之 间的相互关系。i 一1 蓝牙协议体系根据其用途的不同可分为四层，分别是核心协议层，替代 电缆协议层，电话控制协议层和可选协议层，每一层包含以下的一些其体的 协议： 核心协议：射频( b l u e t o o t hr a d i o ) 、基带( b a s e b a n d ) 、链路管理协议 ( l m p ) 、逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 、服务发现协议( s d p ) ； 电缆替代协议：串行电路仿真协议( r f c o m m ) ； 电话控制协议：二元电话控制规范( t c sb i n a r y ) 、a t 命令集； 可选协议：点对点协议( p p p ) 、传输控制协议用户数据报协议互联 网协议( t c p u d p i p ) 、目标交换协议( o b e x ) 、无线应用协议( w a p ) 等等。 除了上述协议层外，蓝牙规范还定义了主机控制器接口( h c i ) 和音频接口 ( a u d i o ) 。利用音频接口，可以在一个或多个蓝牙设备之间传递音频数据，该 接口与蓝牙基带层直接相连。h c i 为基带控制器、链路控制器以及访问硬件 状态和控制寄存器等提供命令接口，当蓝牙设备之间进行通信时，h c i 以上 的协议软件实体在主机上运行，而h c i 以下的功能由蓝牙设备来完成，二者 之间通过一个对两端透明的传输层进行交互。如果以h c i 层为分界线的话， 作者个人认为，可把蓝牙协议栈划分为位于h c i 层之下的底层协议层、位于 h c i 层之上的高端应用层和h c i 层所处的接口传输层三大部分，其中h c i 层可位于l 2 c a p 之下，也可以位于l 2 c a p 之上，本文将在第三章对h c i 的功能规范进行详细的分析。 在这里有一点需要强调的是，在蓝牙协议栈中，并不是所有的应用都必 须使用协议栈中全部协议，而是可以只采用蓝牙协议栈的部分协议，例如在 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进行语音通信时就只需经过基带协议层，而不用通过l 2 c a p 。但是无论蓝 牙技术的哪一种应用，它们都一定要用到蓝牙协议栈中公共的基带层和无线 射频层部分。1 9 下面我们对蓝牙协议栈中各个协议的具体功能进行一下简要的介绍。 2 + 1 1 核心协议 ( 1 ) 基带协议( b b ) 蓝牙基带协议部分确保了各个蓝牙设备之间的物理射频连接，以形成蓝 牙微微网络。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( i n q u i r y ) s 0 寻呼( p a g e ) 进程同步不同设备间的发送 频率和时钟，可为基带数据分组提供两种物理连接方式：同步面向连接( s c o ) 和异步无连接( a c l ) 。其中，s c o 即能传输语音分组，也能传输数据分组， 属于电路交换连接：而a c l 只能传输数据分组。语音和数据分组附有不同级 别的前向纠错( f e c ) 或循环冗余校验( c r c ) 编码，并可进行加密，以保证传输 的可靠性。此外，对于不同的数据类型都会分配一个特殊的信道，可以传递 连接管理信息和控制信息等。 ( 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。首先，它通过连接的发起、 交换、核实，以进行身份认证和加密等安全措施；其次它通过设备间协商以 确定基带数据分组的大小；另外，它还可以控制无线部分的电源模式和工作 周期，以及微微网内各设备的连接状态。 ( 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，可以认为它是与l m p 并 行工作的，它们的区别在于当数据不经过l m p 时，则l 2 c a p 将采用多路技 术、分割和重组技术、群提取技术等为上层提供数据服务。虽然基带协议提 供了s c o 和a c l 两种链接类型，但是l 2 c a p 只支持a c l 链接，允许高层 协议以6 4 k 字节的速度收发数据分组。 ( 4 ) 服务发现协议( s d p ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 服务发现协议是蓝牙协议栈中非常重要的一个部分，它是所有用户模式 的基础。使用s d p ，可以查询到设备信息、业务和业务类型，并在查询之后 建立两个或多个蓝牙设备之间的连接。s d p 支持3 种查询方式，分别是按业 务类别搜寻、按业务属性搜寻和业务浏览。 2 ，1 2 电缆替代协议( r f c o m m ) 。 r f c o m m 像s d p 一样位于l 2 c a p 之上，作为一个电缆替代协议，它 通过在蓝牙基带协议上仿真r s 一2 3 2 控制和数据信号，为那些将串行线用作 传输机制的高级业务( 如对象交换协议o b e x ) 提供传输能力。 2 1 3 电话控制协议 电话控制协议( t c p ) 包括电话控制二进制协议( t c sb i n a r y ) 和一套电话控 制命令( a t - c o m m a n d s ) 两部分。其中，电话控制二进制协议是蓝牙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协议，它定义了蓝牙组件间建 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； 电话控制a t 命令是蓝牙s i g 根据i t u t v 2 5 0 和欧洲电信标准组织e t s i3 0 0 9 1 6 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 命令集做出限定。 2 ，1 4 选用协议 选用协议是根据具体应用选择采纳的现有高层协议。蓝牙协议保证蓝牙 技术能够与现有协议的融合以及各种应用之间的互通性，充分利用了嵌入蓝 牙技术的软硬件系统资源。蓝牙选用协议包括点对点协议( p p p ) 、传输控制协 议用户数据报协议互联网协议( t c p u d p i p ) 、对象交换协议( o b e x ) 矛i i 无线 应用协议( w a p ) 等。 4 1 i 0 【1 1 1 2 2 蓝牙技术的应用规范 正如前面所述，蓝牙技术的协议部分定义了蓝牙设备之间通信的规范， 我们也可以理解为通信语言，但如何避免协议规定的堆砌从而实现设备之间 的互操作性，是应用蓝牙技术的一个关键环节。其中，最简便有效的解决办 哈尔滨工程大学硕士学位论文 法就是规定每一种应用模型的通信语言，即每一种应用模型应采用的协议、 程序以及组合顺序，这就是蓝牙s i g 定义蓝牙应用规范的目的。 蓝牙s i g 标识了不同的应用模型，同时为不同的蓝牙应用模型定义了很 多具体的应用规范，这些应用规范定义了如何采用蓝牙协议提供应用模型中 所描述的功能之间的互操作性，它代表了具体应用模型的默认解决方案，是 蓝牙协议栈的垂直切片组合，是保证互操作性和标识语要求的基础，是保证 互操作性的主要手段。这里指的互操作性涉及了怎样使蓝牙设备工作、如何 与蓝牙设备交互、如何发现其他蓝牙设备、如何初始化蓝牙设备进行通信、 如何使蓝牙设备相互通信等问题。 蓝牙应用规范通过以下三种措施来保证互操作性： 减少协议选择和缩小协议中的参数范围； 规定程序组合的顺序； 定义统一的用户应用交互过程。 当种应用模式直接或间接采用了另一种应用模式的部分或全部功能 时，则称该应用模式依赖于另一应用模式。蓝牙s i g 定义了文件传输、因特 网网桥、局域网接入、同步、三合一电话、终级耳机等几种基本的应用模型， 同时定义了1 3 种蓝牙应用规范，其相互关系如图2 2 所示。1 4 1 0 2 1 通用访问应用i 璧墨垄里鏖旦j 串口应用 匝墅圃 受圃 亘圃 图2 2 蓝牙应用规范及其相互关系 蓝牙应用规范按照应用情况一般又可分为通用访问应用规范、电话控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 应用规范、串行和对象交换应用规范和网络应用规范四大类，各类的具体应 用规范包括： ( 1 ) 通用访问应用规范包括通用访问应用和服务发现应用； ( 2 ) 电话应用规范包括无绳电话应用、对讲机应用和耳机应用： ( 3 ) 串行和对象交换应用规范包括串口应用、通用对象交换应用、文件传 输应用和数据同步应用。 ( 4 ) n 络应用规范包括拨号网络应用、局域网接入应用和传真应用。 其中，通用访问应用、服务发现应用、串口应用和通用对象交换应用构 成了其它应用模式的基础。而通用访问应用模式则是一切应用模式的基础。 2 3 蓝牙的跳频和物理信道 蓝牙设备工作在全球开放的2 4 g h zi s m ( 目p 工业、科学、医学) 频段。蓝 牙的数据速率为1 m b p s ，其中有效数据速率为7 2 3 2 k b p s 。 i s m 频段是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段 可能会遇到不可预测的干扰，所以蓝牙收发信机一般都采用跳频扩谱( f h s s ) 技术，这种技术把频带分成若干个跳频信道( h o pc h a n n e l ) ，在2 4 g h z1 s m 频带上以1 6 0 0 跳秒的速率进行跳频，信道的时隙长度为6 2 5 微秒。在一次 连接中，蓝牙收发信机按一定的码序列( 即伪随机码) 不断地从一个信道“跳” 到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰设备 是不可能按同样的规律进行干扰的。蓝牙跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过 频谱扩展技术可以使这个窄带成百倍地扩展成宽频带，因此使干扰可能产生 的影响变得很小。 蓝牙的工作频带全球通用，但实际上在各国有所差异，在美国和欧洲大 部分地区，该频带的使用宽度为8 3 5 m h z ，定义了7 9 个信道，每信道的带 宽为1 m h z ，而在日本等地区，总带宽较小，定义了2 3 个信道，其信道带宽 同样也是1 m h z 。蓝牙的物理信道是由伪随机序列控制的7 9 或2 3 个跳频频 点构成的不同的跳频序列来表示，跳频序列对微微网是惟一的，而且由蓝牙 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 微微网中的主单元设备编址确定，跳频序列的相位由主单元的蓝牙时钟来确 定。 蓝牙系统采用t d d 传输方案实现全双工分时传输，在信道中，信息以 分组方式进行交换，各信息分组可采用不同跳频实现传输，主单元和从单元 需要在不同的时隙传输分组，主单元在偶数时隙传输分组，在奇数时隙接收 分组：从单元在奇数时隙传输分组，在偶数时隙接收分组。每个分组可以覆 盖不止一个时隙，最多可以覆盖5 个时隙。在发送一个数据分组期间，射频 的频率保持恒定。蓝牙的调制方式采用的是两级g f s k ( 高斯频移键控) 方式， 最大发射功率为为三个等级，分别是1 0 0 m w ( 2 0 d b m l 、2 5 m w ( 4 d b m ) 和 l m w ( o d b m l 。川 2 4 蓝牙技术的网络拓扑结构 蓝牙支持点对点和点对多点的连接，采用星型拓扑结构。在点对多点的 连接中，几个蓝牙单元共享信道，两个或多个共享同一信道的单元之间形成 一个微微i 网( p i c o n e t ) 。当微微网建立时，有且只有一个节点的时钟和跳频序 列用来使其他节点同步，该节点称为主节点，其他的节点称为从节点，蓝牙 网络中的从节点具有以下四种工作模式，分别为激活( w a k e ) 模式、保持( h o l d ) 模式、休眠( p a r k ) 模式和呼吸( s n i f f ) 模式，各种工作模式之间可以相互进行转 化，其中后三种模式为蓝牙规范定义的低功耗模式。 在一个微微网中，最多可以有7 个从节点同时处于激活状态下，还可以 有更多的从节点处于休眠状态而锁定在这个节点上。这些处于休眠状态的从 节点不能在该信道上活动，但仍与主节点保持时间和频率上的同步，不论活 动的从节点还是处于休眠状态的从节点，信道访问都是由主节点来控制的。 具有重叠覆盖区域的多个微微网构成一个散射网络( s c a t t e r n e t ) 结构。每 个微微网只有一个主节点，但是从节点可以以时分复用的方式参与不同的微 微网，另处，一个微微网的主节点也可作为另一个微微网的从节点，这些微 微网之间不必以时间或频率同步，各微微网各有自己的跳频信息。蓝牙技术 的网络拓扑结构如图2 3 所示。 4 1 | 1 4 1 1 1 5 1 1 1 6 哈尔滨j 程太学硕士学位论文 裂喜韶耘磊( b ) 多个从设备的微微网 ( c ) 散射网结构 图2 3 蓝牙系统的网络结构图 2 5 盔牙设备编址 2 5 1 蓝牙的设备地址 蓝牙设备地址( b d a d d r ) 唯一地标识了每个蓝牙设备，总长度为4 8 位， 该地址取自i e e e 8 0 2 标准。按从最小有效位( l s b ) 至i j 最大有效位( m s b ) j e 要分 为三个部分，分别为2 4 位的低地址部分( l a p ) 、8 位的高地址部分( u a p ) 和 1 6 位的非有效地址部分m a p ) ，如图2 4 所示。 l s b 2 4 8 1 6m s b 图2 4 蓝牙设备地址格式 其中，l a p 和u a p 构成b da d d r 的有效部分，可以标识的有效蓝牙 设备数目为2 ”个。n a p 和u a p 共同构成了设备的厂商唯一标识符( o u i ) ， 由s i g 的蓝牙地址管理机构分配给各个蓝牙设备制造商，各制造商对自己生 产的产品进行编号，编入l a p 中。 2 5 2 活动成员地址和休眠成员地址 在一个微微两串，每个活动的成员都分配一令3 位的活动成员地址 ma d d r ) ，其中全0 地址作为广播地址。对于主节点来说，它没有活动 成员地址，通过定时关系和从节点进行区别。 从单元只能接收和它的活动单元地址相匹配的数据分组。从单元进入休 眠状态后，就丢失了自己的活动成员地址，而取需代之的使用8 位的休眠成 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 员地址( p m a d d r ) ，只有从节点处于休眠状态时，该地址才有效，一旦它被 激活并分配一个a m a d d r 后，就放弃p m _ a d d r 。休眠状态可以节省能量 或者给其它成员让出活动从单元的位置。旧i ”1 2 8 蓝牙技术的链路类型和数据分组 2 6 1 蓝牙链路类型 链路类型定义了能在特定连接中使用的数据分组类型。蓝牙支持两种类 型的物理链路： 同步面向连接( s c o ) 链路类型( 主要用于传送语音) ； 异步无连接( a c l ) 链路类型( 主要用于传送数据包) ； ( 1 ) s c o 链路 s c o 链路微微网中的主节点与特定的从节点之间构成对称的、点对点的 链路。s c o 链路通过保留的周期性时隙对来传送电话级的语音，可以视为 个主节点和从节点之间的电路交换连接。s c o 链路主要支持语音等限时信 息，主机至多可同时为一个或一个以上的从机提供三条s c o 链路，每个从机 至多可同时接受同一主机提供的三条s c o 链路，或不同主机提供的两条s c o 链路。 ( 2 ) a c l 链路 在非s c o 链路保留时隙中，主节点能够以每个时隙为基础与任意从节点 交换分组。a c l 链路为主节点和参与微微网的活动的从节点之间提供分组交 换连接，在一个主节点和个从节点之间只能存在一条a c l 链路，为了保证 数据的完整性与可靠性，大多数a c l 链路均支持数据包的重传。由于a c l