（计算机应用技术专业论文）基于windows+ce系统蓝牙音频模型的解决方案.pdf

韭基窑煎太堂甄圭兰盆盈塞室奎麓詈 中文摘要 摘要：箍着无线移动通信技术飞速发展，人们越来越迫切的感觉到实现移动设备 ( 如移动电话、掌上电脑、p d a 等) 的短程互联的必要性，蓝牙技术应运而生。 蓝牙技术是一种新的短距离无线通信技术，是无线数据与语音通信的开放性全球 规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一 个特别连接，组建临时局域网。蓝牙技术把各种便携式电脑与蜂窝电话用无线电 连接起来，使计算机与通信更加密切结合，使人们能随时随地进行数据信息的交 换与传输。蓝牙应用产品有着广阔的应用前景。 蓝牙通信协议规范是由蓝牙特别利益组织所制定的、全球开放的技术标准。 它是设计蓝牙产品时所必须遵循的技术规范。本文在蓝牙技术规范的框架下，介 绍了蓝牙体系结构和各种应用模型。并结合嵌入式操作系统和蓝牙软件模型重点 分析了嵌入式环境下蓝牙软件模型和嵌入式蓝牙软件开发以及系统相关性与移 植， 在蓝牙系统中，音频视频的无线传输和蓝牙耳机应用具有广阔的应用前景。 s i g ( 蓝牙特别兴趣小组) 为音频视频传输专门制定了a v d t p 、g a v d p 、a 2 d p 、 v d p 等协议和应用规范。这些协议和应用规范为音频视频的实时传输和互通性提 供了保证。本文介绍了蓝牙音频模型，它包括蓝牙耳机应用模型和蓝牙高质量音 频传输应用模型。并结合蓝牙高质量音频传输应用模型的系统结构和实际开发经 验，分析了蓝牙高质量音频传输系统实现应注意的问题。 结合蓝牙耳机应用模型和蓝牙高质量音频传输应用模型的体系结构和应用规 范，本文详细论述蓝牙耳机应用模型的设计和高质量音频传输应用规范的实现模 块，并提出基于w m d o w sc e 系统的蓝牙耳机应用模型软方式实现的解决方案和蓝 牙高质量音频传输应用模型发送端的解决方案。 关键词：蓝牙；协议栈：音频模型；蓝牙耳机；a 2 d p ；w m d o w sc e 分类号：t n 9 2 9 9 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s s n m a t m i e a t i o nt e c h n o l o g ya n d m o b i l ec o m m u n i c a t i o nt c e l m o l o g y , p e o p l ef i n di tm o r ea n dm o l t n e c e s s a r yt om a l 【c m o b i l cc l a t i c c 8 ，s u e l aa sm o b i l op h o n e , h a n dp ca n di d a , i n t e r c o n n e c t e dw i r e l e s s l y , w l a i e hb r i n g sf o r t hb l u e t o o t l at e c h n o l o g y b l u e t o o t hi bak i n do fs 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 n , aw o r l dw i d e l yo p e l t l s t a n d a r df o rw i r e l e s sd a t aa r i dv o i c e e o m m t m i e a t i o n , w h i e l ac 趾s dl l pl l na d h o eu 埘b e t w 0 3 nf i x e dd e v i c e sa n dm o b i l e d e v i c e sw i t hl o wc o s t , s h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o n n e c t i o n b l u e t o o t ht e c h n o l o g ym a k e s p o r t a b l ed e v i c 燧c o n n e c t e da n de n a b l e sp e o p l et oe x c h a n g ei n f o r m a t i o na n y t i m ea n d a n y w h e r e a n db l u e t o o t hw i l lb r i n gap r o m i s i n gm a r k e t ，1 1 p r o t o c o ls p e c i f i c a t i o no fb l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o nd e s i g n e db ys p e c i a li n t e r e s tg r o u pi sak i n do fg l o b a lw a i f o r m c dt e e l a n i e a ls t a n d a r d i tm u s tb ec o n f o r m e d w h e nb l u e t o o t h - r e l a t e dp r o d u c t s 锄d e s i g n e d u n d e rt l a cb l u e t o o t l as p e c i f i c a t i o n f r a m e w o r k , t h ep a p e ri n t r o d u c e s t h ea r e h i t c e t t 髓a n dp r o f i l e so fb l u e t o o t h b y c o n f o r m i n g e m b e d d e ds y s t e m , b l u e t o o t hs o t t w a r em o d u l e , t h ep a p e ra n a l y z e s b l u e t o o t hs o i l ：w a r em o d u l eu n d e re m b e d d e ds y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to fb l u e t o o t h i ne m b e d d e ds y s t e m a u d i oa n dv i d e od i s t r i b u t i o nh a saw i d ca p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d a v d t p , a 2 d p , g a v d p , v d pp r o t o c o la n dp r o f i l e sa r dd r a t t e do u tb ys i g ( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s t g r o u p ) t h e s ep r o t o c o la n dp r o f i l e sp r o v i d et h ei n t e r o p e r a b l eb e t w e e nd i f f e r e n td e v i c e s t kp a p e ri n t r o d u c e sb l u e t o o t hl u l d i om o d u l e , w h i c hi n c l u d e sb l u e t o o t hh e a d s e t p r o f i l ea n db l u e t o o t l aa d v a n c e da u d i od i s t r i b u t i o np r o f i l e , a n dt h es i i u c t u i eo f h e a d s e t p r o f i l ea n d a 2 d p t h ep a p e re x p l a i n st h ed e s i g no fh e a d s e tp r o f i l ea n da 2 d p , t h e np u tf o r w a r d st h e s o l u t i o n s o f h e a d s e t p r o f i l ea n d a 2 d p b a s e d o n w i n d o w s c e k e y w o r d $ ：b l u e t o o t h ；b l u c t o o t hs t a c k ；b l u e t o o t l aa u d i om o d u l e ；1 3 1 u e t o o t l a h e a d s e t ；a 2 d p ；w m d o w sc e c l a s $ 1 、1 0 ：t n 9 2 9 9 1 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) 学位论文作一：朝 导：， 签字日期：) 叼年廖月纠日签字日期：9 年f 乙月己1 日 独创性声明 本人声嗫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：丐孙吻签字日期：弘d 7年，月纠日 6 0 致谢 三年的学习与生活中，我得到了周围许多老师、同事与朋友的帮助，他们的热 情指导与关- f i , 我将终生难忘。值此论文完成之际，我衷心的感谢所有曾经帮助过 我的人们。 我的论文得以顺利的完成，要深深地感谢我的导师须德教授，须德教授渊博 的学识、严谨的治学态度、孜孜不倦的教导和灵活的思路都使我受益匪浅。也要 感谢宋泽海老师，他在论文上也给我提了较多的建议。 同时，我还要特别感谢艾威梯软件技术( 北京) 有限公司的高强研究员为我 提供良好的研发环境和悉心的指导。感谢刘建峰博士、叶东翔、孙东礼、田丹， 他们的无私帮助促成了本文的完成。 感谢所有一起开发项目的其他工作人员和研究生的帮助：朱勇、王明星、杨 海峰、彭军等，与他们一起学习和生活让人非常愉快。另外还要感谢我们实验室 的冉熠、官腾飞、李艳茹以及其他同学，我们经常在一起探讨问题，使我长进不 少 最后，我要深深的感谢多年来我的家人对我在学业和生活上默默无闻的理解 和支持。 1 绪论 随着计算机网络和移动电话技术的迅猛发展，人们越来越感到发展微小范围 内的无线数据与语音通信的迫切需要。于是，在1 9 9 8 年，爱立信、m m 、i n t e l 、 诺基亚和东芝等公司联合推出了一项最新的无线网络技术，即蓝牙( b l u e t o o t h ) 技 术。随后这五家公司组建了一个蓝牙特别兴趣小组( s i g ) 来负责此项技术规范的制 定。1 9 9 9 年7 月，蓝牙协议的1 0 版面世，从而将其推向应用阶段；然后，在2 0 0 1 年3 月，蓝牙协议推出1 1 版，迸一步对蓝牙的协议和应用加以完善。到目前为止， 最新的蓝牙规范是1 2 舨。如今，s i g 已经拥有9 个成员，近1 0 0 个高级成员和2 1 0 0 多个普通成员。 蓝牙技术解决了小型移动设备间的无线互连问题。它的硬件市场非常广阔， 涵盖了局域网络中的各类数据及语音设备，如计算机、移动电话、小型个人数字 助理( p d a ) 等。该技术并不想成为另一种无线局域网( w l a n ) 技术，显然后 者在市场上已经出现了很多成品虽然w l a n 通过一个公用的主干可以有效地连 接庞大的人群，但蓝牙技术面向的却是移动设备问的小范围连接，因而本质上说 它是一种代替电缆的技术。 为了真正使用户实现个人信息服务，经常需要把诸如移动电话和其它外围设 备或计算机连接起来，传输数据、语音和静止或动态的图像。这些设备通常都是 可随身携带的，可能以各种形式存在。为了把它们连接在一起，同时避免电缆线 缠绕之苦，可以采用“无线电缆”( w i r e l e s sc a b l e ) 的方案，不需要很长的距离， 只需要组成小范围的无线多媒体网络即可。 无线电缆将为大量设备提供有效、廉价的无线连接方案，人们可以方便地将 计算机、外围设备、用户电子设备、医疗设备和自动控制应用等各种产品连接起 来，形成个人网络，并可通过无线局域网( g r t r e l e s sl a n ) 与i n t e m e t 连接，实现 多媒体信息的无线传输。 蓝牙技术属于一种低成本、短距离的无线电连接技术，它的无线收发器可以 傲在很小的一块芯片上，有的样品大约只有9 m m 7 9 m m ，因此可方便地嵌入到各类 便携式设备中。蓝牙技术基于无线电缆的概念，实现了设备间的无线连接和接入 数据网的功能，具有外围设备接口，可以组成一个特定的个人网络 蓝牙系统采用g f s k 调制，抗信号衰落的性能较好：采用快跳频和短包技术 以减少同频干扰，保证传输的可靠性；使用2 4 g h z 的i s m 频段，无需申请许可 证。蓝牙的调制信号速率为i m b s ，以时分方式进行全双工通信，其基带协议是电 路交换和分组交换的组合 蓝牙耳机应用模型( h e a d s e tp r o f i l e ) 在车载导航系统中有着广泛的应用，本 文将对w m d o w sc e 系统下蓝牙耳机应用模型的“软方式”实现方法进行详细介绍。 我们知道，如果传输m p 3 的音频数据，1 2 8 k b s 的速率就可以获得比较理想的 效果。而蓝牙的非对称的数据传输速率为7 2 1 k b s ，这为蓝牙进行实时的高音质的 音频传输提供了保证。本文对w i n d o w sc e 系统下蓝牙高质量音频传输应用模型的 解决方案进行了详细的介绍。 1 1 蓝牙技术简介 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距 离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电 技术【l 】。其实质内容是要建立通用的无线电空中接口( r a d i oa i r i n t e r f a c e ) 及其控制 软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不司厂家生产的便携式设备在 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相互操作的性能 ( i n t e r o p e r a b f l i t y ) 。 “蓝牙”技术的作用是简化小型网络设备( 如移动p c 、掌上电脑、手机) 之 间以及这些设备与i n t e r n e t 之间的通信，免除在无绳电话或移动电话、调制解调器、 头套式送，受话器、p d a s 、计算机、打印机、幻灯机、局域网等之间加装电线、电 缆和连接器【2 】。而且，这种技术可以延伸到那些完全不同的新设备和新应用中去。 例如，如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑中，就可以去掉移动电话与 膝上型电脑之间的令人讨厌的连接电缆而通过无线使其建立通信。打印机、p d a 、 桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝 牙系统的一部分。除此之外，蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供通 用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群。 。蓝牙”技术的无线电收发器的连接距离可达3 0 英尺，不限制在直线范围内， 甚至设备不在同一间房内也能相互链接；并且可以链接多个设备，最多可达7 个， 这就可以把用户身边的设备都链接起来，形成一个“个人区域的网络弋p e r s o n a la r e a n e t w o r k ) 目前存在的无线局域网的技术主要有i e e e 8 0 2 1 1 、h o m e r i c 和蓝牙三种，它 们都可以工作在2 4 g h z 频段上i e e e 8 0 2 1 1 只规定了开放式系统互联参考模型 ( 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访问冲突避免 ( c s m 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理介质：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l l l m b s 较高的数据速率，但是它的成本比较高而且功耗比较大 2 另一种无线局域网技术h o m e r f 是专门为家庭用户设计的h o m e r f 利用跳 频扩谱方式，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信，既可 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。 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，即跳至另一频点， 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，蓝牙所 采用的前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，并内置于笔记本电脑及其他需要连线的 智能化设备中，当然也可以把无线模块直接合成到蜂窝手机或其他设备之中，其 控制则利用设备本身的芯片，应用方式相当便捷。再者，由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。 总的来讲，8 0 2 1 1 比较适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，而蓝牙技术则可以应用于任何可以 用无线方式取代电缆的场合。 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。而蓝牙作为一项极具竞争力的技术，将 会有着无限广阔的应用前景。 1 2 蓝牙协议栈的体系结构 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术规范由蓝牙特别兴趣小组( 8 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，开发交互式服务和应用，多用于便携式通 信设备 3 1 。 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1 1 所 示，不是任何应用都必须使用全部协议。图1 - 1 显示了数据经过无线传输时，所有 协议之间的相互关系，但在某些应用中这种关系是有变化的，也就是说，具体应 用只会使用其中的一列或者多列 完整的协议包括蓝牙专利协议( n 伸和l 2 c ”) 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 l ”) 。设计协议和协议栈的主要原则是尽可能利 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用之间的互 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。 1 3 蓝牙协议 图1 - 1b l i l 幻a i h 协议层模型 f i g u 1 - 2s t a c km o d l i l eo f b l u o t o o t h 蓝牙协议体系中的协议可分为四层：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 4 。 除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口( h c i ) ，它为基带控制器、 连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。在图1 1 中，h c i 位于l 2 c a p 的下层。 蓝牙核心协议由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 心协议( 加上无线部分) ，而其它协议根据应用的需要而定。总之，电缆替代协议、 电话控制协议和被采用的协议在核心协议基础上构成了面向应用的协议【5 1 。 1 3 1 蓝牙核心协议 ( 一) 基带协议( b b ) 基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备单元之间由射频构成的物理连 接。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， 它使用查询和寻呼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 4 供两种物理连接方式：面向连接( s c o ) 和无连接( a c l ) ，而且在同一射频上可 实现多路数据传送。a c l 适用于数据分组，s c o 适用于话音及话音与数据的组合， 所有话音与数据分组都附有不同级别的正向纠错( f e c ) 或循环冗余校验( c r c ) ， 而且可进行加密。此外，不同数据类型( 包括连接管理信息和控制信息) 都分配 一个特殊通道。 可使用各种应用在蓝牙设备间传送话音，面向连接的话音分组只需经过基带 传输，而不到达l 2 c a p 。话音应用在蓝牙系统内相对简单，只需开通话音连接， 就可传送话音。 ( 二) 连接管理协议( n 佃) 连接管理协议( l 佃) 负责蓝牙各设备间连接的建立。它通过连接的发起、 交换、核实，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 无线设备的电源模式和工作周期，以及微微网内设备单元的连接状态 ( 三) 主机控制接口( h c i ) 在b b 和l m 上与l 2 c a p 之间还有一个主机控制接口层h o s tc o n t r o l l e r i n t e r f a c e ( h c i ) h c i 是蓝牙协议中软硬件之间的接口，它提供了一个调用下层 b b 、l m 、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。蓝牙设备之间通信时的系统 结构如下图l - 2 所示。h c i 协议以上的协议软件实体运行在主机上，而h c i 以下 的功能一般由蓝牙设备来完成，二者之间通过一个对两端透明的传输层进行交互。 图1 - 3h c i 模块在协议栈中的位置 i r t g u z e1 - 4 p o s i t i o no f h c im o 曲l ei ns t a c k 如图l - 2 所示，h c i 模块包括主机端驱动h c i d r i v e r 和蓝牙设备上的固件h c i f i r m w a r e ( 即h o s tc o m m l l e r ) ，二者之问由一个h c i 传输层提供数据的透明传输 5 通过此传输层，主机端驱动将从高层得到的待传输数据和命令送到蓝牙硬件设备 中，同时接收从设备提交的数据和事件 通过h c i 传出的信息可包括命令、事件、数据三类命令由主机端发给硬件 设备，事件由设备提交给主机，数据则是双向的下面简要介绍这三类信息。 由主机发给设备的命令按执行方式可分为同步命令和异步命令同步命令主 要用于本地查询和设置参数，完成后立即返回类似于c o m m a n d _ c o m p l e t ee v e n t 的命令完成事件；异步命令一般涉及到双方的通信，比如建立连接等，h c i 固件 接收到命令后，先返回一个命令状态事件c o m m a n ds t a t u se v e n t ，表示命令参数 的正确与否，完成后再返回一个命令完成事件。 两个蓝牙设备之间只能建立一条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 ) 信道， 但可以建立多条s c o ( s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n - o r i e n t e d ) 信道。a c l 主要用来收 发数据，s c o 主要用于话音通信。连接建立起来后，主机控制器( h c ) 将从主机 端收到的数据通过l m 、b b 和r f 发送出去，当收到数据时则过程相反。 ( 四) 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 逻辑链路控制适配层协议( l o g i c a ll i n kc o n a - o la n da d a p t a t i o nl a y e rp r o t o c o l 简称l 2 e a p ) ，是一个为高层传输层和应用层协议屏蔽基带协议的适配协议。 l 2 c a p 位于基带协议层之上，属于数据链路层，它在整个协议层体系中的地位如 图1 1 。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 4 k b 字 节的l 2 c a p 数据包。虽然基带协议提供了s c o 和a c l 两种连接类型，但是l 2 c a p 只支持面向无连接的异步传输( a c l ) ，不支持面向连接的同步传输( s c o ) ，s c o 链路主要用预留的带宽进行实时语音传输。 ( 五) 电缆替代协议( r f c o m m ) r f c o m m 是基于e t s l0 7 1 0 规范的串行线仿真协议。“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，为使用串行线传送机制的上层协议( 如 o b e x ) 提供服务。b l u e t o o t h 特别兴趣小组提出r f c o m m 的目的在于以下几点： 提供对现有使用串行线接口的应用软件的支持；利用已有的g s m0 7 1 0 标准；支 持b l u e t o o t h 设备之间点对点的通信。 r f c o m m 完成了对r s 2 3 2 串口的仿真，这样就可以尽可能利用现有的各种高 层应用程序，保证b l u e t o o t h 技术与现有技术的融合以及各种应用之间的互通性， 充分利用兼容b l u e t o o t h 技术规范的软硬件体系其中最常用的是如图2 1 所示的 基于串行线传送机制的高层协议，如：o b e x 、p p p 和a t 命令集。其中p p p 完成 点对点的连接；o b e x ( 对象交换协议) 是由红外数据协会( 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目标数据，它是一种类似于h t i t ( h y p e r t e x t t r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 的协议，假设传输层是可靠的，采用客户机一服务器模式，独 6 立于传输机制和传输应用程序接口；a t 命令集是专门为调制解调器设计的接口， 用来提供拨号上网和收发传真的功能。 根据实现方式不同，存在两种不同的b t 设备。类型l 的b t 设备本身具有完 整的b l u e t o o t h ( b t ) 硬件和软件，能独立完成b l u c t o o t h 的功能，实现通信设备之 间的短距离无线连接。类型2 的b t 设备仅仅起到类似于m o d e m 的功能，负责将 普通设备所要传输的信息与b l u e t o o t h 格式的码流的相互转换。当采用类型2 的b t 设备时，数据传输的瓶颈在于实际的串口之间的有线连接，即受到标准串口最高 速率9 2 1 6 0 0 b i t s 的限制；而采用类型i 的b t 设备时，数据传输的速率则不受到 串口速率的限制。 ( 六) 服务发现协议( s d p ) 发现服务在蓝牙技术框架中起到至关重要的作用，它是所有用户应用的基础 使用s d p ，可以查询到设备信息和服务类型，从而在蓝牙设备问建立相应的连接。 1 3 2 电话控制协议 ( 一) 二元电话控制协议 二元电话控制协议( t c sb i n a r y 或t c sb i n ) 是面向比特的协议，它定义了 蓝牙设备问建立语音和数据呼叫的控制信令，定义了处理蓝牙t c s 设备群的移动 管理进程。基于删坷q 9 3 1 建议的t c sb i n a r y 被指定为蓝牙的二元电话控制协 议规范。 ( 二) a t 命令集电话控制协议 s i g 根据r r u tv 2 5 0 建议和g s m0 7 0 7 定义了控制多用户模式下移动电话 和调制解调器和可用于传真业务的a t 命令集。 1 3 3 选用协议 ( 一) 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 上层，完成点对点的连接。 ( - - ) t c p ，l 刀) p ，m t c p u d p i p 协议是由i e t f 制定的，广泛应用于互联网通信的协议，在蓝牙 设备中使用这些协议是为了与互联网相连接的设备进行通信。 ( 三) 对象交换协议( o b e x ) i t o b e x ( 简写为o b e x ) 是由红外数据协会( 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目标。o b e x 是一种类似于h 兀p 的协议，这假设 7 传输层是可靠的，采用客户机，服务器模式，独立于传输机制和传输应用程序接口 ( a p i ) 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 ) 都是开放性规 范，它们都没有定义传输机制，而只是定义了数据传输模式。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。 ( 四) 无线应用协议( w ) 无线应用协议是由无线应用协议论坛制定的，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。 1 4 蓝牙应用 1 4 1 局域网访问应用 在此应用下，数据终端( d t ) 经局域网访问点( l a p ) 无线接入局域网，接 入后d t 的操作与通过拨号方式接入局域网设备的操作一样，其协议栈如图l 一3 所 示。 i a 2 拨号网络应用 图l - 5 局域网访问应用 f i g u r e1 - 6l a i qa o t 3 e 8 $ p r o f i l e 在这种应用下，由手机或无线调制解调器向p c 提供无线拨号上网和收发传真 的功能，而不必与p c 建立物理连接。拨号上网需要两个协议栈( 不包括s d p ) ， 如图l _ 4 所示。a t 命令集用来控制移动电话或调制解调器以及传送其它业务数据 的协议栈。传真采用类似协议栈，但不使用p p p 及基于p p p 的其它网络协议，而 由应用软件利用r f c o m m 直接发送 8 1 4 3 蓝牙耳机应用 使用该应用，用户打电话时可自由移动。通过无线连接，蓝牙耳机司通常作为 蜂窝电话、无线电话或个人微机的音频输入输出设备。蓝牙耳机的协议栈如图1 5 所示，语音数据流不经过l 2 c a p 层而直接接入基带协议层。蓝牙耳机必须能收发 并处理a t 命令 1 4 4 文件传输应用 图l - 7 拨号网络应用 f i g u r e1 - 8d i a l - u pn e t w o r kp r o f i l e 图i - 9 蓝牙耳机应用 f i g u r e1 - 1 0h e a d s e tp r o f i l e 文件传输应用提供两个终端之问的数据通信功能，可传输x l s 、p p t 、w a y 、j p g 和d o e 文件( 及其它文件) ，以及完整的文件夹或目录或多媒体数据流等并提供远 端文件夹测览功能。文件传输协议栈如图l - 6 所示。 9 1 4 5 同步应用 图1 1 1 文件传输应用 f i g u r e1 - 1 2f d e h m s f e rp r o f i l e 同步应用提供设备到设备的个人资料管理( p i m ：p e r s o n a li n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t ) 的同步更新功能，其典型应用如电话簿、日历、通知和记录等，它 要求微机、蜂窝电话和个人数字助理( p d a ) 在传输和处理名片、日历及任务通 知时，使用通用的协议和格式。协议栈如图l - 7 所示，其中同步应用代表红外移动 通信( i r m c ) 客户机或服务器。 1 4 6 蓝牙电话应用 图1 1 3 蓝牙同步应用 f i g u r e1 - 1 4s y n c h r o n i z a t i o np r o f i l e 蓝牙电话机有三种使用方法：接入公用电话网，作为普通电话使用；作为不 计费的内部电话使用；作为蜂窝移动电话使用。无线电话和内部电话使用相同的 协议栈；语音数据直接与基带协议连接。不经过l 2 c a p 层，如图1 8 所示 1 0 1 5 小结 图1 - 9 音频视频传输应用 啪1 - 9 a 2 d p v d p p r o f i l e 本章对蓝牙技术做了简单的介绍，主要包括蓝牙技术的基本概念、体系结构、 蓝牙协议和基于蓝牙协议而构造出来的各个蓝牙应用模型。 2 嵌入式环境下的蓝牙软件模型 2 1 嵌入式操作系统 2 1 1 嵌入式操作系统简介 商用嵌入式操作系统占用系统资源少，系统内核小于2 0 k b y t e s ，内存开销只要 几k b y t e s 。同时，嵌入式系统一般只面对单一服务程序。商用嵌入式操作系统也是 实时操作系统，他们都有支持实时、抢占、多进程等要求。嵌入式系统一般主要 部分由a n s ic 写成。从而保证了可移植性。嵌入式系统使用也很方便。用户可以 把嵌入式操作系统编译成一个c 的库文件，与用户的代码连接在一起，下载到目 标机的r a m 或r o m 中1 7 j 。 实时操作系统( o s ) 的研究是从六十年代开始的。从系统结构上看。r 1 d s 到现在已经历了如下三个阶段：早期的实时操作系统、专用实时操作系统和通用 实时操作系统。 这类通用实时操作系统，一般都提供了实时性较好的内核、多种进程通信机 制、基于t c p i p 的网络组件、文件管理及i o 服务，提供了集编辑、编译、调试、 仿真为一体的集成开发环境，支持用户使用c 、c 什进行应用程序的开发。 实时操作系统经过多年的发展，先后从实模式进化到保护模式，从微内核技 术进化到到超微内核技术，在系统规模上也从单处理器的r t o s 发展到支持多处 理器的r t o s 和网络r t o s ，在操作系统研究领域中形成了一个重要分支。 今后，r t o s 研究方向主要集中在如下几个方面：r t o s 的标准化研究、多处 理器结构r t o s 、分布式实时操作系统和实时网络的研究和集成的开放式实时系统 开发环境的研究。 2 1 2 实时操作系统原理 满足多进程要求的r t o s 调度机制要很好的解决多进程的处理器共享问题， 也就是进程切换问题。一般裸机上，没有操作系统时的解决办法是在每一个进程 的执行代码中。嵌入调度代码，然后，执行一个控制循环，不断地查找该执行的 进程。这样的方法的优点是在简单程序中，实现比较简单，但缺点很多： ( 一) 反映时问慢：最坏的情况下需要控制循环的一个循环周期 ( 二) 修改困难：由于每个进程的执行代码中有负责切换进程的代码，所以 对一个进程的修改，要考虑对全局都有影响 ( 三) 不利于合作开发：没有一个合理的模块分割，多人分工困难。同时也 增加了移植到不同硬件上的困难。 在r t o s 中，一般都采用分优先级的调度机制。当器要执行一个更高级的进 程时，调度内核马上暂停当前运行的低优先级进程。当高优先级的进程运行完毕， 处于暂停队列中的最高优先级进程开始运行。所以，最坏的情况下，只需暂停低 优先级的进程和开始高优先级的进程所费的的时间和。除了调度机制，r t o s 还提 供进程间的通信机制、同步机制、时钟以及内存管理。另外，r t o s 还提供一种独 立于处理器的运行环境。这种独立的好处使得软件开发人员可以把精力聚焦到软 件开发上，而不用过多考虑处理器细节。同时，移植到新的处理器也很容易，软 件投资就可以得到保护。 2 1 3 实时操作系统技术指标 r t o s 是操作系统研究的一个重要分支，它与一般商用多进程o s 如u n i x 、 w m d o w s 、m u l t i f i n d e r 等有共同的一面，也有不同的一面。对于商用多进程o s ， 其目的是方便用户管理计算机资源，追求系统资源最大利用率；而r t o s 追求的 是实时性、可确定性、可靠性。评价一个实时操作系统一般可以从进程调度、内 存管理、进程通信，内存开销、进程切换时间、最大中断禁止时日j 等几个方面来 衡量。 ( 一) 进程调度机制 r t o s 的实时性和多进程能力在很大程度上取决于它的进程调度机制。 ( - - ) 内存管理 分实模式与保护模式。 ( 三) 最小内存开销 r t o s 的设计过程中，最小内存开销是一个较重要的指标，这是因为在工业控 制领域中的某些工控机，由于基于降低成本的考虑，其内存配置一般都不大，而 在这有限空问内不仅要装载实时操作系统，还要装载用户程序。因此，在r t o s 的设计中，其占用内存大小是一个很重要的指标，这是r t o s 设计与其它操作系 统设计的明显区别之一。 ( 四) 最大中断禁止时间 当r t o s 运行在核态或执行某些系统调用的时候，是不会因为外部中断的到 来而中断执行的只有当r i d s 重新回到用户态时才响应外部中断请求，这一过 程所需的最大时间就是最大中断禁止时问。 1 3 ( 五) 进程切换时间 当由于某种原因使一个进程退出运行时，r t o s 保存它的运行现场信息、插入 相应队列、并依据一定的调度算法重新选择一个进程使之投入运行，这一过程所 需时问称为进程切换时问。 2 1 4 嵌入式操作系统上的软件调试 图2 - 1 嵌入式操作系统上的软件调试 f i g u r e2 - 1s o f t w a r ed e b u g i ne m b e d d e ds y s t e m 嵌入式系统工作在实时状态，所以，其开发环境也有其独到之处。一般来说， 嵌入式系统的开发工具包括两部分，分别工作在两台机器主机和目标机上。最终 产品的原型就是目标机，它的特点是资源有限，不能支持代码的开发和调试。主 机则拥有资源优势，如内存、网络、块存储设备等等。所以，一般的开发模型都 建立在主机目标机系统上，主机上运行d e b u g 工具，并通过某种通道与目标机通 迅。 上述开发模式有时也可以简化掉目标机，在主机上跑一个目标机嵌入式操作 系统的模拟器，从而，开发人员可以在不使用目标机的情况下，调试最终跑在目 标机上的程序。这种模拟器经常应用于开发工作的前期，当硬件还处于调试阶段 时，大部分软件工作就可以在模拟器上同步进行。但模拟器并不能完全提供一致 的目标环境，如缺少实时性的保证，又如不能提供硬件中断等 有的芯片厂商直接在芯片里加入仿真器功能，一般又被称作后台d e b u g 模式 ( b d m - b a c k g r o u n dd e b u gm o d e ) 这样，用户可以直接通过处理器预留的b d m 管脚完成d e b u g 功能，如读寄存器等。这种方式的好处很多。首先是很便宜，其 次由于管脚是由生产厂商设定的，这些b d m 管脚能反映出c p u 的工作状态。 j r a g 是另一种内置仿真器接口，基本概念和b d m 都一样：在处理器的外封 装上留出管脚，用来写入读出寄存器和内存状态r l a 3 源于i e e e l 4 9 1 ，本来是 用作硬件调试的，现在则越来越多地用作软件调试。 以上两种调试方式，都有速度快、功能强的特点，但将芯片中仿真器的接口 信息进行解析需要额外的硬件和软件，一般来说，都价格不菲。如我们在开发中 用到的t r a c e 3 2 要$ 6 0 0 0 。另一种便宜的方法是在目标机上，驻留有接受并完成主 机上d e b u g3 - 具所发出的命令的程序，这段程序一般被称为监控器( m o n i t o r ) 与b d m 等方式不同的是，监控器不直接控制c p u ，而是以异常处理的方式控制 被d e b u g 的程序。当程序在运行中发生异常时，比如非法操作或遇到断点指令， 控制权就会被交给监控器。监控器随后存下所有寄存器，并通知主机端的开发工 具。 这种监控器程序一般都很小( 旬2 k ) ，在买开发板时，由厂商提供。监控器程 序初始化硬件，并提供1 1 y 类型的用户接口。开发板和主机通过r s 2 3 2 通信。用 户可以看到内存映像、反汇编代码，并进行下载程序等操作。这种监控器程序只 响应主机d e b u g 工具的二进制指令，这些指令数量很少，有下断点、读内存、写 寄存器等等。主机上的d e b u g 工具通过组合这些原始指令完成如显示高级语言变 量等调试功能。监控器程序一般会带一些函数库来支持特定的处理器和开发板。 有些操作系统厂家提供的调试工具除了传统的断点、读内存、写寄存器、单 步等功能外，还支持多进程调试一般系统当运行到一个断点时，整个目标系统 都停住。不只运行到断点的进程被停住，所有其他进程及中断服务程序也都不再 执行。这对于调试驱动、调试进程问通信，是很有好处的。用户可以在系统停下