（计算机系统结构专业论文）基于单片机的蓝牙接口设计及数据传输的实现.pdf

摘要 摘要 蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，可提供低功耗、 短距离的无线空中接口，在各种固定与移动设备之间实现无线通信。在移动通信、 无线数据采集、无线遥控与遥测、计算机网络及自动控制等多种领域，蓝牙技术 都有着广泛的应用。 蓝牙协议规范具有多个层次，完整的蓝牙协议栈的开发是一项很复杂的工程， 而在大多数嵌入式应用中，只是需要实现基本的无线数据传输功能，并不需要实 现全部的蓝牙协议栈。针对此类应用，若是能提供一套实用的蓝牙无线接口、实 现一个通用的无线数据传输模块，就可以比较有效地缩短开发周期，降低开发成 本。 本文正是基于此目标，首先介绍了蓝牙技术的背景和现状，分析了蓝牙系统 组成，比较了蓝牙与其他无线技术，并在此基础上，分析了蓝牙协议体系结构， 并针对其在嵌入式系统中的实用性，着重剖析了蓝牙主机控制器接口h c i ( h o s t c o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 层协议。然后，参照h c i 协议规范，设计了基于单片机控制蓝 牙模块的硬件接口方案，并详细剖析了一个蓝牙h c i 层通信实例的实验数据，随 后给出了一套基于单片机实现蓝牙无线数据传输的软件接口方案。 应用上述设计的蓝牙软硬件接口，本文开发了一个在单片机与p c 之间实现无 线数据传输的蓝牙数据传输系统。在单片机端利用k e i l 下的c 编程开发了蓝牙数 据传输模块，并作为一个子模块集成到了计算机高级接口实验平台上，在p c 端通 过u s b 控制蓝牙适配器，编写了一个基本的蓝牙控制程序，从而实现了实验台与 p c 之间的蓝牙无线数据传输。然后，在实现基本数据传输的基础上，进一步开发 了通过蓝牙进行文件传输的功能模块，在单片机端实现了一个简单的嵌入式f a t l 6 文件系统，通过蓝牙从p c 接收文件并以f a t l 6 格式存储到外接的m m c 卡上。 本文提供的蓝牙软硬件接口方案及数据传输模块，不仅可以用来进一步开发 蓝牙高层协议，而且还可作为通用的接口函数和模块应用到多种无线场合。 关键词：蓝牙；单片机；h c i ；接口：数据传输；文件传输 分类号：t p 3 6 8 2 a b s t r a c t a sag l o b a l l yo p e nw i r e l e s sd a t aa n ds p e e c hc o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o n ，b l u e t o o t h t e c h n o l o g yc a np r o v i d el o w - p o w e r 、s h o r t d i s t a n c e w i r e l e s sa i ri n t e r f a c ea n d i m p l e m e n t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nv a r i o u sf i x e da n dm o b i l e e q u i p m e n t s b l u e t o o t ht e c h n o l o g y h a saw i d e r a n g e o f a p p l i c a t i o n s i nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，w i r e l e s sd a t ac o l l e c t i o n s ， w i r e l e s sr e m o t ec o n t r o la n ds e n s i n g ， c o m p u t e rn e t w o r ka n da u t o m a t i cc o n t r o la n do t h e ra r e a s b l u e t o o t hp r o t o c o ln o r m sh a v em u l t i p l el e v e l s t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p l e t e b l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c ki sav e r yc o m p l i c a t e dp r o j e c t i nm o s to ft h ee m b e d d e d a p p l i c a t i o n s ，i ti so n l yn e e dt or e a l i z et h eb a s i cw i r e l e s sd a t at r a n s i m i s s i o n ，s oi t sn o t n e c e s s o r yt oi m p l e m e n ta l lo ft h eb l u e t o o t hp r o t o c o l s i fw ec a np r o v i d eap r a c t i c a l b l u e t o o t hw i r e l e s si n t e r f a c ea n dt h e nau n i v e r s a lw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e ，t h e d e v e l o p m e n tc y c l eo ft h eb l u e t o o t he m b e d d e da p p l i c a t i o n sc a nb ee f f e c t i v e l ys h o r t e n e d a n dt h ed e v e l o p m e n tc o s t sw i l la l s ob er e d u c e d b a s e do nt h i so b j e c t i v e ，t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dp r e s e n t s i t u a t i o no fb l u e t o o t h t e c h n o l o g y ，a n a l y z e s t h e c o m p o n e n t s o ft h eb l u e t o o t h s y s t e m ，c o m p a r e s b l u e t o o t ht e c h n o l o g yw i t ho t h e rw i r e l e s st e c h n o l o g i e s o nt h i s b a s i s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h eb 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 ，a n dt h e n ，a g a i n s t t h e p r a c t i c a l i t yo fi t sa p p l i c a t i o ni ne m b e d d e ds y s t e m ，e m p h a s i z e s t h eb l u e t o o t hh o s t c o n t r o l l e ri n t e r f a c ep r o t o c 0 1 a f t e rt h a t ，b a s e do nt h eb l u e t o o t hh c ip r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r ei n t e r f a c eu s e db ym c ut oc o n t r o lt h e b l u e t o o t hm o d u l e ，a n dt h e nt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a so fa n e x a m p l eo fb l u e t o o t hh c ic o m m u n i c a t i o n ，s u p p l y st h es o f t w a r ei n t e r f a c eo fb l u e t o o t h w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s o nb a s e do nm c u u s i n gt h eb l u e t o o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n t e r f a c ed e s i g n e da b o v e ，t h ep a p e r d e v e l o p sab l u e t o o t hd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c hc a nb eu s e dt ow i r e l e s s l yt r a n s m i t d a t ab e t w e e nm c ua n dp c o nt h em c u ，t h eb l u e t o o t hd a t ar e v e i v i n ga n ds e n d i n g m o d u l ei si m p l e t m e n t e dt h r o u g he m b e d d e dcp r o g r a m m i n gi nk e i li d e ，a n dt h e nt h e m o d u l ei se m b e d e di n t ot h ea d v a n c e dc o m p u t e ri n t e r f a c ee x p e r i m e n tp l a t f o r ma sa s u b m o d u l e o np c ，ab l u e t o o t hu s bd o n g l ei sc o n n e c t e dt op ct h r o u g ht h eu s b i n t e r f a c e a n dab a s i cb l u e t o o t hc o n t r o l p r o g r a m i s i m p l e m e n t e dt h r o u g hc + + p r o g r a m m i n g i nv i s u a lc + + 6 0i d e a n dt h e n ，d a t ac a nb et r a n s m i t t e db e t w e e nt h et w o v 北京交通大学硕士学位论文 p a r t s a f t e rt h a t ，af u r t h e rd e v e l o p m e n tw h i c hi sf i l et r a n s m i s s i o ni si m p l e m e n t e d f i r s t l y ， a l le m b e d e df a t l 6f i l es y s t e mi sr e a l i z e di nm c us ot h a tt h ef i l er e c e i v e df r o mp cc a n b es t o r a g e dc o r r e c t l yi n t om m cc a r dw h i c hi sc o n n e c t e dt ot h em c ui ns p im o d e a n d t h e n ，t h ef i l et r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e db e t e e nm c ua n dp c t h eb l u e t o o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n t e r f a c ea n dd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l et h i s p a p e rp r o v i d sn o to n l yc a nb eu s e dt of u r t h e rd e v e l o p m e n t so fb l u e t o o t hh i l e , h - l e v e l p r o t o c o l s ，b u tc a nb ea p p l i e di n t oav a r i e t yo fw i r l e s so c c a s i o n su s e da sas e r i e so f c o m m o ni n t e r f a c ea n dm o d u l e k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ：m c u ；h c i ；i n t e r f a c e ：d a t at r a n s m i s s i o nf i l et r a n s m i s s i o n c l a s s n o ：t p 3 6 8 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 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： 赵霄 导师签名： 铄钞1 签字日期：年6 月61 9签字日期： dg 年多月多日 北京交通大学硕士学位论文 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，也不包含为获得北京交通大学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：赵囔 签字日期：。国年月6e t 致谢 本论文的完成首先要感谢我的导师周洪利副教授。 在论文的选题、资料的收集、方案的选择以及论文的写作等方面，周老师都 给予了我细致耐心的指导。周老师渊博的知识、严谨的治学态度、科学的工作方 法和丰富的实践经验给了我极大的帮助和影响，使我在业务上、理论上、思想上 都有了长足进步。 在两年的研究生学习期间，周老师在学习和生活上都给了我悉心的指导、关 怀和帮助，我很高兴能在周老师的指导下完成硕士学业，在此，再次向我尊敬的 导师致以深深的谢意! 陈连坤副教授在我攻读硕士学位期间对我的科研工作和论文都给予了很大的 帮助和指导，提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 实验室的张禹师兄、涂晓强师兄在我论文工作中给予了我无私的帮助；在日 常生活和科研学习过程中，宋健同学、李云岗同学、崔晓琳同学、侯石岩同学和 我互相学习，解决科研过程中的难点，共同进步。在此一并向他们表达我的感激 之情。 最后，我还要感谢我的家人，他们始终默默无闻地为我的成长付出无私的爱， 正是他们的理解和支持才使得我能够在学校专心完成我的学业。 综述 1 1蓝牙技术背景与现状 1 综述 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是- - 种低功率、短距离的无线通信技术标准的代称，“蓝牙 一词取自于一位在公元1 0 世纪统一了丹麦的国王哈拉德二世( h a r a l d ) 的绰号。 蓝牙技术的最初倡导者是五家世界著名的计算机和通信公司：爱立信 e r i c s s o n 、国际商用机器i b m 、英特尔i n t e l 、诺基亚n o m a 和东芝t o s h i b a 。1 9 9 8 年5 月，以爱立信为首，此五家i t 巨人共同提出了一种近距离无线数字通信的技 术标准，目标是实现最高传输速率可达1 m b s ( 有效传输速率为7 2 0 k b s ) ，最大传 输距离为1 0 m 的无线通信技术，即蓝牙技术，并成立了国际化组织蓝牙s i g ( s p e c i a l i n t e r e s tg r o u p ) ，致力于蓝牙规范的制定和蓝牙技术在全球范围内的推广。 蓝牙技术提供低成本、近距离的无线通信，构成固定与移动设备通信环境中 的个人网络，使得近距离内的各种设备能够实现无缝资源共享。它的初衷是希望 以相同成本和安全性实现一般电缆的功能，以无线连接取代有线连接，从而使移 动用户摆脱电缆的束缚，实现设备之间低成本的无线互连通信l l j 。 蓝牙技术具有如下的特点：通信规范完全公开和共享，具备极大的开放性； 同时支持电路交换和分组交换，即能同时传输数据和语音信息；使用全球通用的 2 4 g h z 频段，即i s m ( 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 ) 频段，使得蓝牙设备可工 作于世界上任何地方；采用了跳频技术，提高了抗干扰性；蓝牙模块具有低成本、 低功耗和低辐射的优点；具备认证和加密机制，实现了较高的安全性；应用范围 广泛，可应用于无线设备、图像处理设备、安全产品、消费娱乐、汽车产品、家 用电器、医疗健身、建筑、玩具等多种领域；支持点对点和点对多点传输，多个 蓝牙设备可组成微微网，具备明显的网络特性。 自从1 9 9 8 年提出蓝牙技术以来，蓝牙技术的发展异常迅速。蓝牙作为一种新的 短距离无线通信技术标准，受到全世界越来越多工业界生产厂家和研究机构的广 泛关注，全球支持蓝牙技术的2 0 0 0 多家设备制造商都已经成为蓝牙s i g 的会员。 在通信规范方面，蓝牙s i g 于1 9 9 9 年7 月正式公布了蓝牙1 0 版本规范，并于之 后发布了1 0 b 版本，主要是针对点对点的无线连接，比如手机与计算机、计算机与 外设间的无线通信，此规范定义了蓝牙的基本功能。采用蓝牙1 0 技术的设备将能 够支持非对称的7 2 3 2 k b s ( 在另外的方向上为5 7 6 k b s ) 或对称的4 3 3 9 k b s 的数据 交换速率，发射范围一般可达1 0 m ，还采用了跳频技术来消除干扰和降低衰落。2 0 0 1 北京交通人学硕士学位论文 年3 月，蓝牙s i g 公布了蓝牙1 1 版本规范，将点对点扩展为点对多点，并解决了蓝 牙1 0 版本中不同厂商间设备互操作性和部分频段不兼容的问题。2 0 0 3 年1 1 月，蓝 牙1 2 版本发布，它在实现设备识别高速化，减少与无线局域网电波干扰功能的同 时，还能与现有的蓝牙1 1 版本完全兼容【2 1 。2 0 0 4 年1 1 月，蓝牙2 o 标准( 2 0 + e d r ) 正式推出。新版本的蓝牙标准将数据传输速率提高了3 倍，增大了带宽，改善了装 置配对流程，提供了更佳的省电效果，而且还向后兼容蓝牙旧标准。 从专业角度看，蓝牙是一种无线接入技术；从技术角度看，蓝牙是一项创新 技术；从产业角度看，蓝牙是一个技术驱动的新产业。蓝牙技术从1 9 9 8 年发展至 今，虽然在全球范围的商品化程度尚未达到早先预计的乐观效果，但经历过艰难 酝酿阶段的蓝牙技术，已然处于全面起飞的阶段。蓝牙越来越多地嵌入到中高档 产品中，诸如p d a 、移动电话、台式电脑、笔记本电脑、导航设备等等，并从单 纯的信息设备中扩展到汽车、工业控制、数据采集、医疗设备等新的领域。 当然，由于完整的蓝牙协议相当复杂，且传输速率有限制、传输距离近，不 可避免地造成了蓝牙技术在应用上的一定局限性，但它作为一种短距离无线通信 技术，与其他相应的无线通信技术比较起来，优势又是非常明显的。全球统一的 开放的技术标准、技术先进与成本低廉的折衷统一考虑、便携性、安全性以及蓝 牙s i g 失i 识产权共享的巨大诱惑力，都造就了蓝牙技术的广泛的应用领域和巨大的 发展潜力。 1 2 蓝牙系统组成 典型的蓝牙系统可分为5 个单元，即无线射频单元、链路控制单元、链路管 理单元、蓝牙协议软件单元和主机应用软件单元。 ( 1 ) 无线射频单元 蓝牙是以无线l a n 的i e e e 8 0 2 1 1 标准技术为基础的，使用2 4 g h zi s m 全球 通自由波段。蓝牙天线属于微带天线，空中接口建立在天线电平为0 d b m 基础上， 遵从f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，美国联邦通信委员会) 有关o d b m 电平的i s m 频段的标准。由于采用扩频技术，发射功率可以达到1 0 0 m w 。系统最 大跳频速率为1 6 0 0 跳秒，在2 4 0 2 g h z 和2 4 8 0 g h z 之间，采用7 9 个间隔为1 m h z 的频点来实现【3 1 。系统设计通信距离为1 0 c m 1 0 m ，如增大发射功率，其距离可长 达1 0 0 m 。 ( 2 ) 链路控制单元 蓝牙的链路控制单元，又称基带单元，包括3 个集成芯片：连接控制器、基 带处理器以及射频传输接收器，此外还使用了3 5 个单独调谐元件。 2 综述 链路控制单元描述了基带链路控制器的数字信号处理规范。基带链路控制器 负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。 链路控制单元的主要功能包括：建立物理链路及网络连接，包括面向连接的 同步链路s c o ( 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 ) 链路、异步链路 a c l ( 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 ) 链路及匹克网；差错控制；在物理层提供验证和 加密，其中验证基于“请求响应”运算法则实现，为用户建立一个个人的信任域， 而加密则用来保护连接中的个人信息。 ( 3 ) 链路管理单元 链路管理器l m ( l i n km a n a g e r ) 软件模块设计了链路的数据设置、鉴权、链路 硬件配置和其它一些协议。链路管理器能够发现其它蓝牙设备的链路管理器，并 通过链路管理协议l m p ( l i n km a l l a g e rp r o t o c 0 1 ) 建立通信联系。 链路管理器提供诸如发送和接收数据、设备号请求、链路地址查询、建立连 接、鉴权、链路模式协商和建立、设备模式的切换等功能。 ( 4 ) 蓝牙协议软件单元 不同级别不同应用的设备对蓝牙技术在软件方面有不同的要求，因此蓝牙软 件协议体系呈现明显的层次性。对某些高级应用和标准应用，蓝牙要提供涉及无 线模块、空中协议及应用层协议和对象交换格式等多个高层协议软件的支持，而 对于另外一些设备，比如耳机，则要求就相对简单。 蓝牙软件协议符合已经制定好的蓝牙规范，蓝牙规范包括两部分：第一部分 为核心部分，用以规定诸如射频、基带、连接管理、业务发现、传输层以及与不 同通信协议间的互用、互操作性等组件；第二部分为应用规范( p r o f i l e ) 部分，用以 规定不同蓝牙应用所需的协议和过程。 ( 5 ) 主机应用软件单元 针对不同的应用需要，可采用不同的蓝牙剖面，开发不同主机应用软件。这 些应用软件的开发以蓝牙协议的实现为基础。 1 3 蓝牙与其他无线技术的比较 目前较成熟的无线通信技术中，和蓝牙技术共存的还有红外、i e e e 8 0 2 1 1 无 线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域网技术1 4 j 。 红夕b ( i n f r a r e dr e d ) 通信技术是通过波长为8 5 0 n m 的红外光传输数据。红外光线 直线传输、易受遮拦，只支持点对点视距连接，收发装置的光路夹角一般在3 0 度 以内，常用通信距离为1 鸪m 。红外技术的优点是操作简单、成本低廉、安全性和 抗干扰性好，缺点是只支持点对点连接、不能有阻挡、位置固定不能移动、传输 3 北京交通大学硕士学位论文 距离偏短而且技术标准在全球范围内并不统一。 i e e e 8 0 2 1 1 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网和无线接入。8 0 2 1 1 只支持数据传输，传输速率最高可 达1 1 m b p s 。8 0 2 1 1 传输速率和安全性优于蓝牙，因而更多的被应用于局域网的无线 接入，但在其他对于低功耗、低成本等要求高或者需要语言通信的领域和设备上， 显然蓝牙技术具有更大的优势。 h o m e r f 技术建立在共享无线访问协议之上，主要针对家庭无线局域网应用， 同时支持数据和语音通信。该技术从8 0 2 1 1 技术和无线电话技术发展而来，通过适 当的简化和改造降低了语音通话和数据通信的成本。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的应用，主要针对低成本的家庭语音与数据的无线连接。 当h o m e r f 技术采用p c m c i a 卡的形式实现时，其成本虽然l t 8 0 2 1 l b 相对要低，但 还是无法和蓝牙相比。 1 4本文要解决的问题和所做的工作 蓝牙作为一种短距离无线通信技术，在很多场合都有着广泛的应用价值，而 目前市面上已开发出来的完整的蓝牙的协议栈只有e r i c s s o nr e f e r e n c e 、a x i s o p e n b t 、i b mb l u e d r e k a r 、b l u e z 协议栈等少数几种，其中绝大多数都是收费的， 不但价格不菲，而且主要是针对w i n d o w s 和l i n u x 等操作系统平台开发的。如果 自行开发蓝牙协议栈，则无疑是一项很耗时耗力的工程，何况很多应用中，特别 是在工业控制、数据采集等大多数单片机应用系统中，大多数情况下只是需要蓝 牙作为一个相对独立的无线通信模块集成到系统里，实现基本的无线通信即可， 显然在此类应用中，自行开发蓝牙协议栈是不切实际的。 在很多单片机应用系统中，常常有无线通信的需求，而蓝牙s i g 虽然定义了 蓝牙的协议栈，但这是一个不可见的软件，用户是看不到的，而且蓝牙的协议栈 中也没有专门给出针对单片机开发的a p i ，开发人员很难开发具备蓝牙功能的单片 机应用系统，所以若是能开发一个可以为开发人员使用的可见的蓝牙接口，开发 人员使用这个接口可以对蓝牙设备进行控制，实现通信功能，就可以方便地开发 蓝牙的单片机应用方案，而不必对蓝牙的具体技术进行深入的研究。 基于上述需要，本文首先在第2 章和第3 章分别详细分析了蓝牙协议栈和蓝 牙主机控制器接口h c i ，其中在第3 章中重点剖析了蓝牙h c i 层的协议规范。 然后，针对蓝牙协议的复杂性和大多数单片机系统应用中的实用性，在第4 章中，本文设计了基于单片机c 8 0 5 1 f 1 2 0 的蓝牙无线通信软硬件接口，硬件方面， 通过蓝牙u a r t 控制爱立信蓝牙模块r o k1 0 10 0 8 ，软件方面，提供了一系列控 4 综述 制蓝牙模块工作的通用函数，虽然从蓝牙协议栈层次上来看，只是实现了h c i 层 协议，但利用这些接口，已经可以比较方便地实现无线通信，基本上满足了大多 数单片机系统中的无线通信的需要。 利用上述设计的接口，在第5 章中，本文实现了一个点对点的蓝牙无线数据 传输系统，此系统分为单片机端和p c 端。在两端分别进行了详细的软硬件设计， 首先实现了两端之间基本的数据传输功能，然后在单片机端设计了一个简单的 f a t l 6 文件系统，在此基础上实现了文件传输，单片机端将从p c 无线接收到的文 件以f a t l 6 的格式存储在m m c 卡上。经测试，此系统具有一定的通用性，经过 简单的修改，便可作为一个相对独立的无线传输模块集成到其他单片机应用系统 上。 最后，在第6 章对全文进行了总结，并对后续工作进行了展望。 5 北京交通大学硕士学位论文 2 蓝牙协议栈 在蓝牙系统中，为了支持不同应用，需要使用多个协议，这些协议按层次组 合在一起，构成了蓝牙协议栈。蓝牙协议栈是蓝牙技术的核心组成部分，它能使 设备之间互相定位并建立连接，通过这个连接，设备间能通过各种各样的应用程 序进行交互和数据交换。 2 1蓝牙协议栈体系结构 蓝牙协议栈体系结构为分层结构，具体如图1 1 所示。 标准应用普通应用 0 b e x，a p a t 命令集音频 u d p 厂i p i p l 点对点协议p p p l r f c o m m t c s 二进制 s d p第二力扩展 ii j l l 2 c a p i 主机控制器接h ( h c 0 i 1 l m p i 蓝牙基带 蓝牙射频 图1 1 蓝牙协议栈体系结构 蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作1 5 j 。互操 作的远端设备需要使用相同的协议栈，不同的应用需要不同的协议栈。并不是任 何应用都必须使用全部协议，而是可以只使用其中的一层或多层。但是，所有的 应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。 设计蓝牙协议栈的主要原则是尽可能地利用现有的各种高层协议，保证现有 6 蓝牙协议栈 协议与蓝牙技术的融合以及各种应用之间的互通性以及充分利用兼容蓝牙技术规 范的软硬件系统【5 1 。蓝牙技术规范的的开放性保证了设备制造商可自由地选用其专 利协议或常用的公共协议，在蓝牙技术规范基础上开发新的应用。蓝牙技术规范 包括c o r e 和p r o f i l e s 两大部分。c o r e 是蓝牙的核心，主要定义蓝牙的技术细节； p r o f i l e s 部分定义了在蓝牙的各种应用中的协议栈组成，并定义了相应的实现协议 栈。 按照各层协议在整个蓝牙协议体系中所处的位置，蓝牙协议可分为底层协议、 中间层协议和高层协议三大类。 2 2蓝牙底层协议 蓝牙底层协议实现蓝牙信息数据流的传输链路，是蓝牙协议体系的基础，它 包括射频协议、基带协议和链路管理协议。 ( 1 ) 射频协议( r a d i of r e q u e n c yp r o t o c 0 1 ) 蓝牙射频协议处于蓝牙协议栈的最底层，主要包括频段与信道安排、发射机 特性和接收机特性等，用于规范物理层无线传输技术，实现空中数据的收发。蓝 牙工作在2 4 g h zi s m 频段，此频段在大多数国家无须申请运营许可，使得蓝牙设 备可工作于任何不同的地区。 在信道安排上，系统采用跳频扩频技术，抗干扰能力强、保密性好。蓝牙s i g 制定了两套跳频方案，其一是分配7 9 个跳频信道，每个频道的带宽为1 m h z ，其 二是2 3 信道的分配方案，1 2 版本以后的蓝牙规范目前已经不再推荐使用第二套 方案。 ( 2 ) 基带协 , s ( ( b a s eb a n dp r o t o c 0 1 ) 基带层在蓝牙协议栈中位于蓝牙射频层之上，同射频层一起构成了蓝牙的物 理层。 基带层的主要功能包括：链路控制，比如承载链路连接和功率控制这类链路 级路由；管理物理链路，即s c o 链路和a c l 链路；定义基带分组格式和分组类 型，其中s c o 分组有h v l 、h v 2 、h v 3 和d v 等类型，而a c l 分组有d m l 、d h l 、 d m 3 、d h 3 、d m 5 、d h 5 、a u x l 等类型；流量控制，通过s t o p 和g o 指令来实 现；采用1 3 比例前向纠错码、2 3 比例前向纠错码以及数据的自动重复请求 a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 方案实现纠错功能；另外还有处理数据包、寻呼、 查询接入和查询蓝牙设备等功能。 ( 3 ) 链路管理协议( l i n km a n a g e rp r o t o c o l ，l m p ) 链路管理协议( l m p ) 是在蓝牙协议栈中的一个数据链路层协议。l m p 执行链 7 北京交通人学硕士学位论文 路设置、认证、链路配置和其它协议：链路管理器发现其它远程链路管理器( l m ) 并与它们通过链路管理协议( l m p ) 进行通信。 2 3蓝牙中间层协议 蓝牙中间层协议完成数据帧的分解与重组、服务质量控制、组提取等功能， 为上层应用提供服务，并提供与底层协议的接口，此部分包括主机控制器接口协 议、逻辑链路控制与适配协议、串口仿真协议、电话控制协议和服务发现协议。 ( 1 ) 主机控制器接口协议( h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c ep r o t o c o l ，h c i ) 蓝牙h c i 是位于蓝牙系统的逻辑链路控制与适配协议层和链路管理协议层之 间的一层协议。h c i 为上层协议提供了进入链路管理器的统一接口和进入基带的 统一方式。在h c i 的主机和h c i 主机控制器之间会存在若干传输层，这些传输层 是透明的，只需完成传输数据的任务，不必清楚数据的具体格式。蓝牙的s i g 规 定了四种与硬件连接的物理总线方式，即四种h c i 传输层：u s b 、r s 2 3 2 、u a r t 和p c 卡。本文正是基于蓝牙h c i 开发针对单片机应用的无线通信接口，具体的 h c i 协议将在后面进行详细剖析。 ( 2 ) 逻辑链路控制与适配协议( l o g i c a l l i n kc o n t r o la n d a d a p t a t i o n p r o t o c o l ，l 2 c a p ) 逻辑链路控制与适配层协议( l 2 c a p ) 是蓝牙系统中的核心协议，它是基带的高 层协议，可以认为它与链路管理协议( l m p ) 并行工作。l 2 c a p 为高层提供数据服务， 允许高层和应用层协议收发大小为6 4k b 的l 2 c a p 数据包。l 2 c a p 只支持基带面向 无连接的异步传输( a c e ) ，不支持面向连接的同步传输( s c o ) 。 l 2 c a p 采用了多路技术、分割和重组技术、组提取技术，主要提供协议复用、 分段和重组、认证服务质量、组管理等功能。 ( 3 ) 串口仿真协议( r f c o m m ) 串口仿真协议在蓝牙协议栈中位于l 2 c a p 协议层和应用层协议层之间，基于 e t s i 标准t s0 7 1 0 ，在l 2 c a p 协议层之上实现了仿真9 针r s 2 3 2 串口的功能，可实 现设备间的串行通信，从而对现有使用串行线接口的应用提供了支持。 ( 4 ) 电话控制协议( t e l e p h o n yc o n t r o lp r o t o c o ls p e c t o c o l ，t c s ) 电话控制协议位于蓝牙协议栈的l 2 c a p 层之上，包括电话控制规范二进制 仃c sb i n ) 协议和一套电话控制命令( a tc o m m a n d s ) 。其中，t c sb i n 定义了在蓝 牙设备间建立话音和数据呼叫所需的呼叫控制信令；a tc o m m a n d s 则是一套可在 多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令，它s i g 在i t u t q 9 3 1 的基 础上开发而成。 8 蓝牙协议栈 t c s 层不仅支持电话功能( 包括呼叫控制和分组管理) ，同样可以用来建立数据 呼叫，呼叫的内容在l 2 c a p 上以标准数据包形式运载。 ( 5 ) 服务发现协议( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l ，s d p ) 服务发现协议( s d p ) 是蓝牙技术框架中至关重要的一层，它是所有应用模型的 基础。任何一个蓝牙应用模型的实现都是利用某些服务的结果。在蓝牙无线通信 系统中，建立在蓝牙链路上的任何两个或多个设备随时都有可能开始通信，仅仅 是静态设置是不够的。蓝牙服务发现协议就确定了这些业务位置的动态方式，可 以动态地查询到设备信息和服务类型，从而建立起一条对应所需要服务的通信信 道。 2 4蓝牙高层协议 蓝牙高层协议包括对象交换协议、无线应用协议和音频协议。 ( 1 ) 对象交换协议( o b j e c te x c h a n g ep r o t o c o l ，o b e x ) o b e x 是由红外数据协会( i r d a ) 制定用于红外数据链路上数据对象交换的会 话层协议。蓝牙s i g 采纳了该协议，使得原来基于红外链路的o b e x 应用有可能 方便地移植到蓝牙上或在两者之间进行切换。 o b e x 是一种高效的二进制协议，采用简单和自发的方式来交换对象。它提 供的功能类似于帅协议，在假定传输层可靠的基础上，采用客户机服务器模 式。它只定义传输对象，而不指定特定的传输数据类型，可以是从文件到商业电 子贺卡、从命令到数据库等任何类型，从而具有很好的平台独立性。 ( 2 ) 无线应用协议( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l ，w a p ) 无线应用协议( w a p ) 由无线应用协议论坛制定，是由移动电话类的设备使用的 无线网络定义的协议。w a p 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他无线终端上。选用w a p 可以充分 利用为无线应用环境开发的高层应用软件。 ( 3 ) 音频协议( a u d i o ) 蓝牙音频( a u d i o ) 是通过在基带上直接传输s c o 分组实现的，目前蓝牙s i g 并 没有以规范的形式给出此部分。虽然严格意义上来讲它并不是蓝牙协议规范的一 部分，但也可以视为蓝牙协议体系中的一个直接面向应用的层次。 9 北京交通大学硕士学位论文 3 1h c i 概述 3 蓝牙主机控制器接d ( h c i ) y 析 主机控制器接口( h c i ) 处于蓝牙协议栈的中间层，它提供了蓝牙主机访问蓝牙 主机控制器的基带与链路控制器、链路管理器、状态寄存器等硬件的统一接口。 蓝牙主机控制器( b l u c t o o t hh o s tc o n t r o l l e r ) 是蓝牙芯片的主要组成部分，其内 部硬件结构如图3 1 所示。链路控制器提供了蓝牙基带功能以及物理层协议的硬件 和软件实现；c p u 核提供了链路管理器和链路控制器的固件部分的运行环境，使 得主机控制器可独立于主机进行查询和过滤呼叫请求。 图3 1 蓝牙主机控制器内部硬件结构图 主机控制器接d ( h c i ) 在蓝牙系统硬件体系和软件体系中的位置如图3 2 所示。 硬件软件 主机高层协议及应用 物理接口 接口驱动 彳 l 弓主机控制器接口( h c i ) 毒 物理接口 链路管理器 h c i 回件 主机控制器 固件 基带控制器固件 图3 2 蓝牙主机控制器( h c d 在蓝牙系统中的位置 硬件方面，主机控制器集成了无线电收发器、基带控制器、f l a s h 存储器等部 分，其中基带控制器大多是以a r m 为基础的芯片，通过接口控制无线电收发器， 提供物理接h ( u s b u a r t p c m 等) 。蓝牙模块通过这些接口与主机上对应的接口 1 0 蓝牙主机控制器接k l ( h c i ) 分析 相连接，构成蓝牙系统的硬件连接。h c i 就是基于这些物理接口定义相应的传输层 实现主机与主机控制器间的数据交换。 软件方面，蓝牙协议体系中h c i 层以下的协议以固件的形式固化在主机控制器 中基带模块的f l a s h 存储器里，而h c i 层以上的高层协议和应用软件则运行在主机 中。主机与主机控制器具有相同的接口标准，它们通过h c i 的传输层进行通信。主 机控制器中的h c i 解释来自主机的下行信息，并将信息发给相应的硬件模块单元， 同时还将模块中的数据硬件固件信息根据需要上行给主机。 两个蓝牙设备通过h c i 层进行数据传输的过程如图3 3 所示。 主机a 用户数据 主机b 物理总线硬件物理总线硬什 图3 3 蓝牙设备通过h c i 层数据传输过程 3 2h c i 传输层 h c i 传输层是指在蓝牙主机与主机控制器间相连的物理接口，它介于主机控 制器驱动程序和主机控制器之间，主要目的是实现传输的透明性，即从蓝牙模块 外看h c i 看到的是h c i 传输层，物理总线是屏蔽的，从而使得h c i 固件能在不影 响传输层的情况下升级。 h c i 的物理接口包括u s b 、r s 2 3 2 、u a r t 、p c 卡4 类，使用较多的是u s b 、r s 2 3 2 和u a r t 接口。 u a r t 和r s 2 3 2 传输层都采用u a r t 异步串行通信方式在蓝牙模块和蓝牙主机 间进行数据传输。两者间的区别在于它们所适用的环境。u a r t 协议是r s 2 3 2 协议 的子集，当蓝牙模块与主机接口在同一p c b 上或距离较小时使用。因此u a r t 传输 北京交通人学硕+ 学位论文 层没有规定信号的电气特性，大多可以直接采用t t l 电平，也没有定义波特率协商 机制。r s 2 3 2 传输层则适用于蓝牙模块和主机接口位于不同实体进行通信的情况， 因此r s 2 3 2 传输层规定了信号电气特性，并采用了更为完善的链路协议。 h c i 协议规范中分别对不同的h c i 传输层进行了描述，主要定义了每一类数 据如何封装和通过接口硬件进行复用的规则。结合本课题的实际情况，下面重点 介绍h c iu a r t 传输层。 h c iu a r t 传输层的目标在于可以在同一个p c b 上两u a r t 之间的串行