（计算机软件与理论专业论文）嵌入式蓝牙开发平台的研究与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 蓝牙技术是由蓝牙特别兴趣小组( s i g ) 制定的短距离无线通信技 术，其最初的主要目的是取代电缆，用电磁波来实现移动电话、p c 、 手持终端、笔记本电脑、头戴设备和个人数字助理等各种设备间的 连接。蓝牙工作在全球通用的2 4 g h zi s m ( 工业、科学、医药) 频 段。蓝牙采用全球统一的完全开放的技术标准，很好的解决了产品 兼容问题。 在后p c 时代，嵌入式设备的应用将会大大超过以往p c 的市场 容量，与此同时蓝牙技术将会成为嵌入式系统的标准配置，从而得 到广泛的应用。因此嵌入式系统与蓝牙技术的结合有着巨大的发展 前景。 在开发蓝牙应用系统中，关键的工具就是蓝牙开发平台。我们 所研究并开发的蓝牙开发平台可以为研发人员在此基础上进一步开 发蓝牙应用产品提供方便，帮助研发人员尽快熟悉蓝牙环境，掌握 蓝牙技术。 本文首先介绍了蓝牙国内外发展动态，紧接着详细地研究和分 析论述了蓝牙开发平台的技术原理，包括蓝牙技术的特点、蓝牙技 术硬件原理、协议组成和应用模型以及嵌入式开发理论；然后对实 现蓝牙开发板的软硬件平台进行阐述，重点讲述了蓝牙开发板的设 计与实现，蓝牙系统在该平台嵌入式l i n u x 上的实现，以及个人区 域网访问模型在嵌入式l i n u x 上的实现；最后，指出了蓝牙技术当 前存在的问题以及展望今后的发展前景。 关键词：蓝牙技术；蓝牙开发平台；蓝牙协议栈；嵌入式系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s tr a c t b l u e t o o t hi sat e c h n o l o g yd e v e l o p e df o rs h o r t r a n g ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nb yb 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 l g ) t h ep u r p o s e o fb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi st or e p l a c ec a b l e sa n dc o n n e c tv a r i o u s d e v i c e ss u c ha sc e l l p h o n e ，p c ，h a n d h e l d s ，n o t e b o o kc o m p u t e r s ， h e a d s e t sa n dp d at o g e t h e rt h r o u g he l e c t r o m a g n e t i cw a v e b l u e t o o t h u s e sag l o b a l l ya v a i l a b l ef r e q u e n c yb a n d ( 2 4 g h zi s m ) ，a n da d o p t sa g l o b a l l yu n i f o r mo p e nc r i t e r i o nf o rw o r l d w i d ec o m p a t i b i l i t y i na ne r ao fl a t t e r p c ，t h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e dd e v i c e sm i g h t e x c e e dp ci nm a r k e t a b l ec a p a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，b l u e t o o t hw i l l b e c o m et h es t a n d a r ds c h e m eo ft h ee m b e d d e dd e v i c e sa n di tw i l lg e t w i d e l ya p p l i c a t i o n i ne x p l o i t a t i o no fb l u e t o o t ha p p l i c a t i o ns y s t e m ，t h ek e yt o o li s b l u e t o o t hd e v e l o p m e n tk i t t h eb l u e t o o t hd e v e l o p m e n tk i tw h i c hi s i m p l e m e n t e db yu sw i l lp r o v i d ec o n v e n i e n c ef o rb l u e t o o t ha p p l i c a t i o n d e v e l o p e r i tw i l lh e l pt h ed e v e l o p e rt og r a s pb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n d b l u e t o o t he n v i r o n m e n t t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e sb l u e t o o t hd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l r e s e a r c hs t a t u s t h e n ，i te x p o u n d st h et e c h n o l o g yt h e o r i e sw h i c ha r e i n v o l v e di nt h eb l u e t o o t hd e v e l o p m e n tk i t i n c l u d i n gc h a r a c t e r i s t i c so f b l u e t o o t h t e c h n o l o g y ，h a r d w a r et e c h n o l o g y ，p r o t o c o lc o m p o s i n g ， p r o f i l e sa n dt h et h e o r yo fe m b e d d e dd e v e l o p m e n t a n dt h e na n a l y z e s h a r d w a r e p l a t f c i r m s a n ds o f t w a r e p l a t f o r m s a n d e x p a t i a t e s i m p l e m e n t a t i o no f t h ed e v e l o p m e n tk i t ，r e a l i z a t i o no fb l u e t o o t hs y s t e m a n dr e a l i z a t i o no fl a na c c e s sp r o f i l eo ne m b e d d e dl i n u x i na d d i t i o n ， t h i st h e s i sa l s op o i n to u tc u r r e n ts h o r t c o m i n go fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y a sw e l la sf u r t h e ra p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ：b l u e o o t hd e v e l o p m e n t k i t b l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c k ；e m b e d d e ds y s t e m 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 本卢明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 宝墨刍 日期：锄汐6 年月分同 哈尔滨：啊￥夫学硕+ 学位论文 第1 章绪论 人类已经进入到了2 l 世纪，2 l 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 孺发展，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 州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闩益增长，便携 的数字处理设备已经成为人们同常生活和办公的必需品。它们具有较强的处 j j f 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问的无线互联而设计的。蓝牙技术 越利t 无线数据与语音通信的_ 刀：放性全球规范。它具有成本低、功耗小、尺 、r 小、占用免赀频段、通信距离短等特点f l i ，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f 实现设备之间移动的、自动 的联，使人们能随时随地进行数据信息的交换与传输。 监习：技术越来越多地被要求应用于小型的消费类终端产品上，嵌入式的 蓝牙解决方案有着重要的应用前景。蓝牙产品的丌发工具及其关键技术成为 r 啦待解决的问题，本文就是围绕这些技术问题展丌研究。 1 课题来源及研究背景 本课题来源于2 0 0 3 年黑龙江省科技攻关项目“蓝牙技术软硬件丌发平台 的研究与j ：发”。 目前，蓝牙技术及其应用发展迅速，逐渐渗入到各种场合，与此同时国 内外监爿：丌发【具较少，而且价格很高，广大研发人员迫切需要稳定可靠、 价格适中的蕊习：丌发平台。为了推动蓝牙技术在国内的发展，经黑龙江省科 支j ：立项丌发拥有自主知识产权的蓝牙丌发平台，可以作为蓝牙研发、学习 j ，台。为研发人员迅速丌发蓝牙产品提供硬件、软件平台的技术支持a 通过 使用蓝牙丌发平台，研发人员可以比较容易地快速掌握蓝牙的原理和关键技 哈尔滨：拌人学硕十学位论文 术，并在浚平台上进行基于蓝牙技术的各类产品的丌发。 1 2 国内外研究动态 12 1 蓝牙技术国内外研究动态 1 2 1 1 国外研究动态 自1 9 9 4 年爱立信提出蓝刁：技术以束，这项低功耗、低成本的无线连接技 术l 经获得了巨大的发展。从整体发展束看，蓝牙技术从提出到现在大约经 历了提出、发展、逐渐成熟三个阶段。1 9 9 4 年，爱立信的工程师们提出了使 用无线通信技术来代替线缆连接的思想，并将这种技术命名为“b l u e t o o t h ”。 l9 9 8 年5 月，爱立信( e r i c s s o n ) 联合诺基亚( n o m a ) 、东芝( t o s h i b a ) ，i b m 和英特尔( i n t e l ) 这4 家公司一起成立了蓝牙特殊利益集团( s p e c i a li n t e r e s t g r o u p ，s i g ) ，加大了对蓝牙的投资力度，他们主要致力于蓝牙协议的研究 制订、产品测试，并协调各囤蓝牙的具体使用。3 c o m 、朗讯( l u c e n t ) ，微 软( m i c r o s o f t ) 和摩托罗拉( m o t o r o l a ) 很快加盟s i g ，与s i g 的五个创始 公司一同成为s i g 的九个倡导发起者。s i g 着眼于全球的发展与应用，将蓝 刊+ 技术标准完全公丌，1 9 9 9 年7 月s i g 公布了蓝牙规范1 0 版，1 9 9 9 年1 2 j 公缸了蓝习：规范1 o b 版；2 0 0 1 年4 月公稚了1 1 版本蓝牙规范。这标志 着蕊牙技术已经初具雏形。 从2 0 0 0 年初蓝牙芯片丌始发售以来，包括爱立信、c s r 、摩托罗拉、德 州仪器、飞利浦等在内的多家公司都己经开始研制和发售蓝牙芯片和模块， 产品的体积越来越小，价格越来越低。由于蓝牙芯片制造技术的不断进步， 已经有5 0 0 多种蓝牙产品得到s i g 的认证并被推向市场。这些产品涉及移动 电话、个人数字助理、耳机、打印机、数码相机无线网络接入点和键盘鼠标 等各个领域，销售量超过4 0 0 力- 件。 蓝牙实现的具体方案有：双芯片方案、单芯片方案和模块方案。单芯片方 案是指憾牙：基带( b b ) 和射频( r f ) 功能做在同一芯片中；双芯片方案是 哈尔滨i ：料人学硕十学位论文 指两种功能分别做在不同的芯片中：而模块方案是指将蓝牙芯片、晶振、电 容、大线等外围元器件集成于一块p c b 板上，成为独立工作的蓝牙模块。 2 j 目前，蓝牙协议还处在不断完善时期。2 0 0 5 年3 月lr ，s i g 宣布采用 薷习：核心规范( b l u e t o o t hc o r es p e c i f i c a t i o n ) 2 0 版本及更高数据传输速率 ( e n h a n c e dd a t ar a t e ，e d r ) 。新规范提高了数据传输速率( 可达当前速率 的3 倍) 并降低了功耗，这将大大改善蓝牙用户使用多个蓝牙设备协同工作 以及传输大型数掘文件时的体验，同时还将延长移动设备的电池使用时阃。 由于带宽增加，新舰范提高了设备同时进行多项任务处理、或同时连接 多个蓝牙设备的能力，并可传输大型数据文件。低功耗特点亦将使新一代蓝 牙设备的使用时i i 白j 达到目前的两倍。2 0 版本+ e d r 可与以往所有规范进行 箍容。 1 2 1 2 国内研究动态 就中国当自“信息技术产品的普及情况来看，蓝牙技术是比较合适的。因 为存美国等些发达国家，家庭计算机的普及率很高，因而其家庭联网的主 要对象将是以计算机和外设为主。而我国则拥有世界之最的巨大的家用电器 市场，移动电话手机用户的增长也是非常迅速。便携式信息终端是真f 面向 个人的捌络终端，拥有的市场前景非常广阔。除了信息家电，开发适合我国 国情的蓝牙技术产品也是十分有意义的。 以北京邮电大学电信工程学院与有关单位申请的国家8 6 3 计划3 0 6 智能 算机主题的研究项目“基于蓝牙技术的移动计算设备”己获得国家科 技部的批准，北京邮电大学目前主要负责蓝牙无线通讯关键技术的研究与丌 发。 目日i 国内研究蓝牙技术的机构并不多。且主要是进行蓝牙技术上层应用 f i 丌发。丰要做的工作包括：丌发p c 机与笔记本电脑的蓝牙接口扳，以及 汁算机局域网的蓝牙接入点设备等。 具体的技术路线： 1 研究蓝牙：技术 3 哈尔滨i ：群人学硕十学位论文 重点分析蓝牙有关技术标准和通信协议，蓝牙模块的组成和接口技术， jr 发我们自己的应用编程接口，并不断跟踪国外有关蓝牙的技术、产品发展 情息。 2 利用蓝牙丌发应用产品 开发基于蓝牙技术的p c 扩展卡，让p c 变成蓝牙主站和应用开发环境， 在此基础上继续丌发采用蓝牙技术与p c 实现近距离无线连接各种外设和网 络。 ”发基于蓝才：技术的掌上电脑，建立移动计算平台，实现具有蓝牙功能 掌上i 乜脑之i 刨的无线互连，以及与p c 、网络的连接。在此基础上继续丌发与 移动电话和屏幕电话等其他嵌入系统的近距离无线通讯产品。同时丌发各种 高层应用软件，如数据同步软件，股票分析交易软件及证券、保险应用系统 软件等。 丌发丛丁蓝牙的各类专用嵌入式系统，蓝牙技术的一个很重要的应用是 各类号削系统，在丌发特定系统的基础上继续丌发通用模块。 3 ，以蓝牙设计中心为基础与翻外蓝牙芯片模块厂商建立国内代理业务 外发蓝牙芯片 在发展蓝牙应用的基础上，考虑开发设计自主版权的蓝牙芯片和模块， u 逐步取代国外的蓝牙模块。 1 2 2 蓝牙开发平台国内外研究动态 蓝牙技术包括蓝牙协议、蓝牙芯片、蓝牙模块、各种蓝牙应用系统等， 前我们还不能丌发蓝牙芯片，我们主要是丌发蓝牙模块和各种蓝牙应用系 统。i n j 存丌发蓝牙模块和蓝牙应用系统中，关键的工具或者晚技术就是蓝牙 ”发， 台。掌握蓝牙核心技术、拓展蓝牙应用、建立蓝牙产业，蓝牙开发平 f t 足必备的工具之。 日f i t ，国外只有少数几个厂家能够自行研制蓝牙开发平台，例如爱立信 ( e r i c s s o n ) 和剑桥硅无线电( c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ，c s r ) 。国内只有南 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 京东南大学、重庆金瓯公司、重庆蓝牙技术研究所少数几家在开发蓝牙开发 平台，而且技术水平与国外相比还有很大的差距。其主要原因是国内蓝牙技 术起步较晚、对蓝牙h c i 指令和蓝牙规范的研究较少、芯片还主要依赖进口。 现在随着蓝牙技术在全球的兴起，我国从事该研究的人员也逐渐增多。 正如单片机开发系统广泛应用于单片机应用系统的开发中一样，随着蓝 牙芯片价格的不断下降，国内各蓝牙开发厂家、大专院校、科研院所对蓝牙 开发平台的需求会日益增长，蓝牙开发平台具有巨大的市场空间。 1 3 本文的研究内容和主要工作 1 3 1 课题内容 本课题是“蓝牙技术开发平台的研究与实现”的一部分，主要任务是研 究与实现蓝牙开发平台。为用户提供依赖于该平台进行产品开发的嵌入式解 决方案，进行蓝牙应用产品的开发。为此，课题的主要内容包括以下几个方 面： 1 ) 蓝牙技术及蓝牙芯片的研究； 2 ) 蓝牙开发平台的硬件电路设计与实现； 3 、嵌入式l i n u x 的研究； 4 ) 蓝牙系统在嵌入式平台上的实现。 1 3 2 主要工作 本文主要论述了蓝牙开发平台软硬件的研究、设计与实现方案。主要工 作如下： 1 ) 对蓝牙开发平台所涉及的技术原理进行了详细研究和分析，主要有蓝 牙技术的特点、硬件工作原理和协议栈体系结构，以及嵌入式开发理论： 2 ) 介绍了蓝牙开发平台的功能及其特点，论述了蓝牙开发平台的系统设 哈尔滨i ：群人学硕十学位论文 3 ) 重点论述了蓝牙丌发平台的软硬件设计与实现。包括对所用硬件平台 以及嵌入式操作系统进行介绍与分析，对蓝牙丌发平台主板与子板的进行设 汁_ i ：详细说明，对蓝牙系统在该平台嵌入式操作系统上的实现作了研究与分 析： 4 ) 详细描述了蓝牙个人局域网( p a n ) 应用模型的具体实现以及简要分 析了蓝牙技术的缺陷和展望了蓝牙技术的发展。 哈尔滨l ：群人学硕十学位论文 第2 章蓝牙开发平台的技术原理 本课题拟丌发的蓝牙丌发平台所涉及到的技术原理主要包括蓝牙技术原 州和嵌入式丌发理论。本章就具体对蓝牙技术和嵌入式丌发进行详细的研究 和分析。 2 1 蓝牙技术概述 蓝牙技术是一种通用型无线信号传输接口及其操控软件的公丌标准。它 的目的就是建立一个全球统一的无线连接标准，使不同厂家生产的便携式硬 什能够在无线连接的情况下，在近距离范围具有交互信息和交叉操作的可能 。陀。实现不同电子设备之恻短距离无线连接和通信的技术。 2 1 1 蓝牙技术的特点 蓝匀：技术主要面向广义上网络中各类数据及语言设备，通过无线方式将 已们连接。概括起来说，它具有以下特点： 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 ) 同时可传输语音和数据：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。 3 ) 可以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 j c 司络中的角色，可分为主设备( m a s t e r ) 与从设备( s l a v e ) 。 4 ) 具有很好的抗干扰能力：蓝牙采用了跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ) 方式 来扩展频港( 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， | 问j 频点削隔1 m h z 。 哈尔滨i ：群人学硕+ 学位论文 5 ) 蓝匀：模块体积很小、便于集成：出于个人移动设备的体积较小，嵌入 其内部的蓝牙模块体积就应该更小。 6 ) 低功耗：蓝牙设备在通信连接( c o n n e c t i o n ) 状态下，有四种工作模 式激活( a c t i v e ) 模式、呼吸( s n 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f 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 ) t 丌放的接口标准：s 1 g 为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准 令部公) 1 ：，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的丌发，只 要= i ) 2 终通过s t g 的蓝牙：产品兼容性测试，就可以推向市场。 8 ) 成本低：随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片 和模块，蓝牙产品价格飞速下降。h 2 ，1 2 蓝牙与其它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 s 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。红外、 1 e e e 8 0 2 11 和h o m e r f 技术的诞生都早于蓝牙，并且经过多年的发展，已 经卜1 渐成熟，各项技术指标也不断得到提升。蓝牙、i e e e 8 0 2 1 1 和h o m e r f l 。作在同频段，它们之1 1 h 存在一定的竞争和相互影嘲。 红外( i n f r a r e d r e d ) 通信技术是由受i ；j t - 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 f 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问一对一 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 没宵个统一的标准。 目前存在的光线局域网的技术主要有i e e e 8 0 2 1 1 、h o m e r f 和蓝牙三 哈尔滨i ：样人学硕十学位论文 种。它1 f 都可以工作在2 4 g h z 频段上。i e e e 8 0 2 1 1 只规定了丌放式系统互 瞅参考模型( o s i r m ) 的物理层和m a c 层，其m a c 层利用载波监听多重 圻问冲突避免( c s m c a ) 协议，而在物理层，i e e e 8 0 2 1 1 定义了三种不 同的物f 里介质：红外线、跳频扩谱方式( f h s s ) 以及直扩方式( d s s s ) 。 i e e e 8 0 2 1 1 支持1 1 l m b p s 较高的数据速率，但是它只支持数据通信，为进 行无线数据通信，数据设备先要安装无线网卡。 月利t 无线局域网技术h o m e r f 是专门为家庭用户设计的。h o m e r f 利 川跳频扩游方式，通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通 俯，既u j 以通过时分复用支持语音通信，又能通过载波监听多重访问，冲突 避免协议提供数据通信服务。同时，h o m e r f 提供了与t c p i p 良好的集成， 支持广播、多播和1 4 8 位i p 地址。 与上面两种技术不同，蓝牙技术具有一整套全新的协议，可以应用于更 多的场合。蓝牙技术中的跳频更快，在接收或发送一个分组数据后，即跳至 ，；一频点，因而更加稳定，同时它还具有低功耗、低成本和灵活安全等特点。 另外，监牙所采用的f i 向纠错技术更是限制了较长距离链路的无序噪声影响， 而经优化的编码方式可使蓝牙技术应用于各种恶劣的无线环境。蓝牙协议是 一个完整的综合协议，其应用模式主要是将协议固化在芯片中，并内置于笔 己本及其他需要连线的智能化设备中，当然也可以把无限模块直接合并到蜂 窝于机或其他设备中，其他控制则利用设备本身的芯片，应用方式相当便捷。 1 崞者，山于蓝牙技术独立于操作系统。所以，在各种操作系统中均有良好的 兼容性。蓝牙技术对各个商业操作系统中的内嵌式支持正在发展之中f 6 - 9 ，。 目前这些技术还处于并存状，但是有可能引起干扰等问题。从长远看， 随着产品市场的不断发展，它们将走向融合，其中最具竞争力的主导技术就 是监爿。 蓝牙是一种以安全的方式把众多的移动设备连接起来的网络技术，它有 着无限的应用| 景。在它所涉及的广阔天地中，建构在底层规范之上的是一 个个诱人的p r o f i l e 。出于有了这些精彩的p r o f i l e 以及蓝牙先进的工作机制彳 使得蓝爿：技术共有蓬勃的生命力。 9 哈尔滨：群人学硕十学位论文 2 2 硬件工作原理 2 2 1 射频特性 蓝牙规定的天线功率以0 d b m ( 1 m w ) 为基准，最大可达到2 0 d b m ( 1 0 0 r o w )，其工作频率符合大多数国家( 如美国、欧洲、同本等) 的i s m 频段标准，之所以选取此频段是为了能达到在全球均能运作的目标，即系统 所需之频带必须是全球各地均能很容易取得，且此频带必须是未受法规限定 及公外给无线电使用的，唯一符合此项要求的便是2 4 g h z 一称为工业、 科学、医疗( i s m ) 的频带。i s m 频带是对所有无线电系统都丌放的频带， 凶此使用其中的任一频段都会遇到不可预测的干扰。例如某些家电、无绳电 西、汽车房丌门器、微波炉等，都可能是干扰源。为此，蓝牙特别设计了快 逃确认和跳频方案以确保链路稳定。蓝牙通过跳频方式将能量扩散到起始于 2 4 0 2 g h z ，终止于2 4 0 8 g h z 的i s m 频段中，并将其划分为7 9 个跳频信道， 每个信道1 m h z 。当前，蓝牙s i g f 试图在全世界的范围内协调这7 9 个信道， 蚌乙促使 二| 本、西班牙等国政府调整了相应的限制政策。蓝牙的通信半径通 j 带为1 0 c m 1 0 m ，但是如果增加发射功率，可以将半径扩展到1 0 0 m 外i i o - 12 1 。 2 2 2 基带特性 如前所述，蓝牙在2 4 g h z 的i s m 频段的7 9 个信道罩以跳频方式工作。 。7 l 两个黼牙设备成功建链后，一个p i c o n e t 便形成了。两者之间的通信通过无 线： 1 波在这7 9 个信道中随机跳转而完成。蓝牙给每个p i c o n e t 提供特定的跳 转模式，因此它允许大量的p i c o n e t 同时存在。蓝牙既支持电路交换也支持分 组交换。蓝牙基带帧保留一部分时隙用于同步分组( 对应于电路交换) ，每个 分组在不同的跳频中发射，一个分组通常占用一个时隙，最多能扩展到5 个 i i 、j 隙。滥珂：支持最大可达3 个同步语音信道，同时也支持非同步数据信道， 或苔一个信道同时支持同步语音和非同步数据。蓝牙采用时分双工( t d d ) 方案来实现全双工传输，因此蓝牙的一个基带帧包括两个包，首先是发送包， 然后是接收包。每个包可出1 个、3 个或5 个时隙组成，每个时隙6 2 5p s 。 0 哈尔滨i ：科人学硕十学位论文 一个典型的单时隙帧每秒跳1 6 0 0 次。多时隙帧由于节省了头信息丌销而具有 更高的数据速率。比如，单时隙帧的单向速率最大为1 7 2k b p s ，而一个5 1 ( 5 衷石：l 帧内的发送包的时隙数，1 表示接收包的时隙数) 的多时隙帧则支持 发送率为7 2 1k b p s 和接收率为5 7 6 k b p s ( 对m a s t e r 即主控设备而言) 。i m ”1 3 1 2 2 3 链路管理与控制 黼习：设备互连形成p i c o n e t ，每个p i c o n e t 包括一个且只有一个主控设备 扪i 最多7 个从属设备。任何一个蓝牙设备既可以成为主控设备又可成为从属 i 殳备。角色的分配是在p i c o n e t 形成时临时确定的。一般而苦，发出连接指令 的设备将成为主控设备，但蓝牙系统的“主从转换”功能可使角色改变，。 为了形成p i c o n e t ，蓝牙设备需要知道两个参数，即它希望连接到的设备的 跳转模式及其相应相位。每个蓝牙设备都有一个唯一的用于标识自身跳转模 式的全球标识符( g l o b a li d ) 。在形成p i c o n e t 时，主控设备先和其他发备分 阜自己的i d 号，再向那些设备提供自己的时钟偏移信息，这些信息由所谓 的跳频包( f h s ) 发送。 通常未连接进p i c o n e t 的设备处于旁观( s t a n d b y ) 模式。此时这些设备 鼢听其他设备的搜询( i n q u i r y ) 消息或者构建p i c o n e t 的请求( p a g e ) 。当某 个殴备发出查询命令时，接收设备将用它们的f h s 包发送自己的i d 号和时 钟偏移给询问者，以便使其形成一个完整的覆盖范围内的设备情况表。为了 形成p i c o n e t ，控蓝牙设备会用所需设备的i d 号寻呼这个设备( 此i d 号是在 先村的i n q u i r y 中得到的) 。被呼没备将用自己的i d 号回应，然后主控设备会 再发一个f h s 包( 包括主控设备的旧号和时钟偏移) 给被呼设备。随后被呼 i 殳街便加入了主控设备的p i c o n e t 中。 一旦某个设备加入p i c o n e t 中，它就被分配给一个3 比特的主动成员地址 ( a m a ) ，其他成员可以用其访问该设备。一旦p i c o n e t 内有8 个活动从属 改备，主控设备必须把一个从属设备强制成停等( p a r k ) 模式。在p a r k 模式 巾，此设备仍然存在于p i c o n e t 中，但是它释放了a m a 地址而得到一个8 比 特的被动成员地址( p m a ) 。a m a 和p m a 的结合允许超过2 5 6 个设备同时 哈尔滨1 程人学硕十学位论文 存在j 二一个p i c o n e t 中，但是只有8 个具有a m a 地址的设备( 包括主控设备) 卅能进行通信。 停等的没备以一定间隔聆听外界发给它们的指令。这就要求主控设备有 能力给所有的从属设备( 不论是停等的还是活动的) 广播信息。处于s t a n d b y 状态的设备也监听其它设备发出的i n q u i r y 或p a g e 指令，每隔1 2 5 s 它们就 做一次这样的扫描。 存查向过程中，主控设备使用的是特别预留的全球统一的i n q u i r y 事件 i d ，j iu 号，并采用全球唯一的包含3 2 个信道的信道序列发送此指令( 3 2 个 f 叫复信道出是预留的) 。进行i n q u i r y 扫描的设备每隔壁1 2 5 s 就在这3 2 个信 通、1 - 的某个信道上停留1 0 m s ，然后就跳转到序列中的下一个信道继续监听， 随到该没备的i n q u i r y 扫描功能被禁止( 可能不止一个设备发出i n q u i r y 指令， 冈此要连续监听) 。在主询端，3 2 个i n q u i r y 信道被分成2 个频组，每组1 6 个信道。主询设备先在第l 频组2 5 s 在反向回复信道上监听回音。如果被询 设备扫描的信道正好和主询设备发布指令的信道重合，被询设备的监测相关 器就会起较明显的反应，而后被询设备就会用p h s 包发送自己的i d 号和时 钟偏移。在f 一个1 2 5 s 内主询设备用第2 组频率重新发布i n q u i r y 指令，如 此反复，直到主询设备的覆盖范围内的所有设备都发回f h s 包。 寻呼过程也采用相似的信道序列。每个设备依据其i d 号都有唯一的包 含3 2 个寻呼频率的信道序列和包含3 2 个回复频率的信道序列。处于s t a n d b y 状念的、歧备每隔1 2 5 s 在其特有的寻呼信道序列中的某个信道停留1 0 m s 以 监听来自i - h 乎方的寻呼救信息，若此i d 号不是自己的，该设备就跳转到序 列中的下个寻呼信道继续监听。在主呼端，欲呼叫设备的3 2 个寻呼信道也 被分成2 个频组，每组1 6 个信道，主呼设备先根据它最近知道的被呼设备的 时钟偏移做出被呼设备位置的估计，然后调整两个频组的频率，随即主呼设 符先用第1 组估计的频率持续地呼叫1 2 5 s 。如果位置估计是错误的( 即主 呼没备未收到回音) ，主呼设备将在下一个1 2 5 s 内使用第2 频组。小的时钟 偏移会使呼叫过程很快完成，而大的时钟偏移却会使该过程延长到晟大2 5 s ( 两个频组总共呼叫的时| 日j ) 。一般而言，此过程的平均时延是0 6 4 s 。一旦 一个设备通过i n q u i r y 被发现并且通过p a g e 加入到p i c o n e t 中，p i c o n e t 就形 哈尔滨i ：牲人学硕十学位论文 在活动状态中，每个蓝牙设备都被分配一个a m a 地址，它指引数据传 剑小同的没备中( 主控设备的地址总是默认为0 ) 。为了在很低的功率状态下 世能使蓝牙设备处于连接状态，蓝牙规定了三种节能状念，即停等( p a r k ) 状态、保持( h o l d ) 状态和呼吸( s n i f f ) 状态。在s n i f f 状态中，从属设备 降低了从p i c o n e t “收听”消息的速率，一会儿醒一会睡，宛如呼吸一样；而在 m o l d 状态中，设备停止传送数据，但一旦激活，数据传递就立即重新丌始。 p a r k 状态中，设备被赋予p m a 地址，并以一定问隔监听主控设备的消息， k 控设备的消息包括：( 1 ) 询问该设备是否想成为活动设备；( 2 ) 询问任何 停等的改各是否想成为活动设备；( 3 ) 广播消息。如果我们把这几种工作模 式按照节能效率以升序排一下队，那么依次是：呼吸模式、保持模式和停等 模式。 在活动状态下，蓝牙设备能够支持两种链路类型，即面向连接的同步链 路( s c o ) 和面向无连接的异步链路( a c l ) 。每种链路支持，6 种不同的分 纠类型，其中4 种是控制分组。 s c o 数据包既可以传送话音，也可以传送数据，但在传送数据时，只用 r 重发被损坏的那部分数据。s c o 帧内的收发包结构必须是对称的，即必须 川时包含1 个、2 个或3 个时隙。s c o 数据包在保留的时隙内发送，一旦s c o 链蹿建盘，主从设备就直接发送s c o 分组，无需轮询( p o l l ) 。为了建立s c o 连接，必须先建立a c l 链路以传送控制信息。 a c l 支持对称和非对称两种帧格式。a c l 的包( 不论是收还是发) 必须 包含奇数个时隙，以使整个帧的时隙数为偶数( 如1 1 、1 3 或者1 5 等) 。主 柠i 攻备负责控制a c l 链路的带宽，并决定p i c o n e t 中的每个从属没备可以占 用多少带宽及连接的对称性。从属设备只有被选中时才能传送数据，即从属 设备在发射数据前必须接受轮询。a c l 链路也支持接收主控设备发给p i c o n e t l 所有从属设备的广播消息m 。 哈尔滨| ：科人学硕十学位论文 2 2 4 纠错技术 蓝牙采用三种纠错方案：1 3 前向纠错( f e c ) 、2 3 前向纠错和自动重发 ( a r q ) 。阿向纠错的目的是减少重发的可能性，但同时也增加了额外丌销。 然而在一个合理的无错误率环境中，多余的头标会减少输出，故分组定义的 本身也保持灵活的方式，因此，在软件中可定义是否采用f e c 。一般而占， 存信道的噪声干扰比较大时蓝牙系统会使用前向纠错方案以保证通信质量： 埘j ：s c o 链路，使用1 3 前向纠错；对于a c l 链路，使用2 3 前向纠错。在 无编号的自动请求重发方案中，一个时隙传送的数据必须在下一个时隙得到 收到的确认。只有数据在收端通过了报头错误检测和循环冗余校验( c r c ) 历认为无错时j 向发端发回确认消息，否则返回一个错误消息。 月f i i 蓝牙传送语音数据采用连续可变斜率增量调制( c v s d ) 编码。这 种编码可以保证很高的信噪比，它擅长处理丢失的和被损坏的语音采样，即 使比特错误率达到4 ，c v s d 编码的语音还是可听的”】。 2 2 ，5 安全技术 蓝习系统的移动性和丌放性使得安全问题极其重要。虽然蓝牙系统所采 用的跳频技术就已经提供了一定的安全保障，但是蓝牙系统仍然需要链路层 和应用层的安全管理。在链路层中，蓝牙系统提供了认证、加密和密钥管理 等功能。每个用户都有一个个人标识码( p i n ) ，它会被译成1 2 8 b i t 的链路密 铡( l i n kk e y ) 来进行单双向认证。一旦认证完毕，链路就会以不同长度的 密码( e n c r y p t i o n k e y ) 柬加密( 此密码以8 b i t 为单位增减，最大1 2 8 b i t ) 链 路层安全机制提供了大量的认证方案和一个灵活的加密方案( 即允许协商密 码k 度) 。当来自不同国家的设备互相通信时，这种机制是极其重要的，因为 某些削家会指定最大密码长度。蓝牙系统会选取p i c o n e t 网中各个设备的最小 的最人允许密码长度。例如，美国允许1 2 8 b i t 的密码长度，而西班牙仅允许 4 8 b i t ，这样当两国的设备互通时，将选择4 8 b i t 来加密。蓝牙系统也支持高 联曲、议栈的不同应用体内的特殊的安全机制。比如两台计算机在进行商业卡 信息交流时，一台计算机就只能访问另一台计算机的该项业务，而无权访问 4 哈尔滨i ：科人学硕十学位论文 其它业务。蓝牙安全机制依赖p i n 码在设备问建立信任关系，一旦这种关系 建立起来，这些p i n 码就可以存储在设备中以便将来更便捷的连接2 - 3 1 。 2 3 蓝牙协议栈 2 3 1 蓝牙协议体系结构 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术规范出蓝牙特别兴趣小组( s i g ) 制订，在使用 通用无线传输模块和数据通信协议的基础上，丌发交互式服务和应用，多用 r 便携式通信设备。 监牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够互通，本地设 备与远端设备需要使用相同的协议，不同的应用需要不同的协议，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。完整的蓝牙协议 层如图2 1 所示，不是任何应用都必须使用全部协议。 服务 电话 t 指 对象交t o i i d p 首撤视首擞视 发现 控制 令集 换协议 阿际协议( 口) 频控制频分发 音频 协议 ( 0 b 骶) i 传输协传输协 ( a u d i o ) ( 勋p ) ( t c s )议议 i ( 忙t p )( ：i d t p ) l 点对点协议i i ( p p p ) i j | 串口仿真担f c o 脚 阿络封装协议锄旧) i 逻轻链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 主机控制嚣接口e i ) i键路管理器协议( l 肝) 基带与链路控制$ e b a n dll i t & c o n t r o l l e r ) 蓝牙无线射频( 即) 剀2 1 监牙协议堆栈 哈尔滨i ：群人学硕十学能论文 图2 1 显示了数据经过无线传输时，所有协议之间的相互关系，但在某 止；应辟j 中这种关系是有变化的，如需控制连接管理器时，可使用逻辑链路控 制应刖协c 义( l 2 c a p ) 、二元电话控制规范( t c sb i n a r y ) 或连接管理协议 ( l m p ) i i i 。 完整的协议包括蓝牙专利协 义( l m p 和l 2 c a p ) 和非专利协议( 如对 象交换协议o b e x 和用户数据报协议u d p ) 。设计协议和协议栈的主要原则 足尽田：能利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各 种应片j 之问的互通性，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙技术 姚范的丌放性保证了设备制造商可自出地选用其专利协议或常用的公共协 议，在蓝甜：技术规范基础上丌发新的应用。 2 3 2 蓝牙协议体系中的协议 蓝牙协议体系中的协议按s i g 的需要分为四层，分别是核心协议： b a s e b a n d 、l m p 、l 2 c a p 、s d p ；电缆替代协议：r f c o m m ；电话传送控制 协议：t c sb i n a r y 、a t 命令集；可选协议：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 。 除 ：述协议外，规范还定义了主机控制器接口( h c l ) ，它为基带控制器、 连接管理器、硬件状态和控制寄存器捉供命令接口。在图2 1 中，h c i 位于 l 2 c a p 的下层。 黼l + 核心协议由s i g 制定的蓝牙专利协议组成，绝大部分蓝牙设备都需 要核心伽议( 加上无线部分) ，而其它协议根据应用的需要而定。总之，电缆 杵代协议、电话控制决议和被采用的协议在核心协议基础上构成面向应用的 1 , j j 、议。 卜面就蓝牙协议栈中各个协议的具体功能进行一下简要的介绍。 l ，核心协议 核心i 办议都是s i g 为蓝牙专门丌发的。它们应用于蓝牙应用的每个舰范。 1 醢习：核一t l , 协议的主要功能是完成对物理传输媒介的监测