（通信与信息系统专业论文）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 本课题来源于哈尔滨亿时代数码科技开发有限公司研制蓝牙开发平台 的开发项目。 随着人们对移动通信需求的日益增长，通信开始从有线变为无线，从 固定走向移动。蓝牙技术实质上是一种近距离无线通信的开放性标准，以 低成本的近距离无线连接为基础，使得各种设备能够在1 0 1 0 0 米范围内 实现语音和数据信息的交换。蓝牙技术解决了无线网络的“最后1 0 米”的 问题，实现了所谓的个人网络。因此，研究如何应用蓝牙来为人们服务是 很有意义的。 本文首先介绍了蓝牙的体系结构，然后说明蓝牙扩频通信的基本原理， 着重阐述了蓝牙的语音和数据传输理论，并且在此基础上，按照蓝牙系统 的底层模型，评估了蓝牙的调制技术和跳频扩频技术。根据蓝牙规范1 i 版 本，设计实现了蓝牙开发平台( e s d b k ，e s db u e t o o t hk i t ) ，对蓝牙开发 平台进行了各项功能的测试，测试结果表明，符合文中提出的各项指标。 在基于蓝牙开发平台的基础上，简单介绍了点对点无线互联系统，通过硬 件和软件模块，讨论了实现蓝牙应用系统的方法和步骤。 最后，在上述基础上，说明了如何建立蓝牙数据连接，并且讨论了在 工业场合如何应用该技术。做为一个典型应用，利用蓝牙开发平台实现了 蓝牙汽车四轮定位应用，文章论述了该系统的组成和工作原理，对用户进 一步开发蓝牙产品有定的指导意义。 关键词：蓝牙技术：主控制器接口：蓝牙开发平台：无线通信；语音通讯 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti sb a s e do nt h ed e v e l o p e dp r o j e c tf o rt h eb l u e t o o t hd e v e l o p i n g k i tr e s e a r c h e db yh a r b i ny it i m e d i g i t a ls c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lc o ，l t d w i mt h ei n c r e a s i n gd e m a n do fp e o p l ef o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，t h e c o m m u n i c a t i o nb e g i n san e we r af r o mw i r i n gt ow i r e l e s s ，f r o ms t a t i o n a r yt o m o b i l e a sa no p e ns t a n d a r df o rc l o s ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni nn a t u r ea n do n t h eb a s i so fc l o s ew i r e l e s sc o n n e c t i o na tl o wc o s t ，t h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g y e n a b l e sa l lk i n d so f e q u i p m e n t t or e a l i z et h ei n t e r c h a n g eb e t w e e nv o i c ea n dd a t a i n f o r m a t i o ni nt h er a n g eo f1 0 1 0 0 m t h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g ys o l v e st h e “t h e l a s t 1 0 m p r o b l e m o nw i r e l e s sn e t w o r ka n df u l f i l l st h es o e a t l e d p e r s o n a l n e t w o r k t h e r e f o r e ，r e s e a r c h i n gh o w t ou s et h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yt os e r v e p e o p l ei sq u i t em e a n i n g f u l i nt h i sp a p e r , t h es y s t e m a t i cs t r u c t u r eo ft h eb l u e t o o t hi si n t r o d u c e da tf i r s t ， t h e nt h ef u n d a m e n t a l p r i n c i p l e o ft h eb l u e t o o t h f r e q u e n c y e x t e n s i o n c o m m u n i c a t i o ni sp r e s e n t e dw i t ht h ee m p h a s i so nt h ev o i c ea n dd a t at r a n s f e r r i n g t h e o r y , a n db a s e du p o n w h i c ht h em o d u l a t i o nt e c h n i q u ea n df r e q u e n c yl e a p i n g a n de x t e n d i n gt e c h n i q u ea r ee v a l u a t e da c c o r d i n gt ot h eb a s em o d u l eo ft h e b l u e t o o t hs y s t e m w i t hr e f e r e n c et ov e r s i o n1 1o fb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n ，t h e e s db l u e t o o t hk i t ( e s d b k ) h a sb e e nd e s i g n e da n da c c o m p l i s h e d ，a n dt h et e s t s f o rt h ef u n c t i o n so ft h ee s d b kh a sa l s ob e e nc a r r i e do u t ，t h er e s u l t sm e ta l l i n d ；c e sp r o p o s e di nt h i sp a p e r o n t h eb a s i so ft h ee s d b k ，t h ep e e rt op e e r w i r e l e s si n t e r c o n n e c t e ds y s t e mi ss i m p l yi n t r o d u c e d , a n dt h em e t h o d sa n ds t e p s t or e a l i z et h eb l u e t o o t ha p p l i c a t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e db ym e a n so fh a r d w a r e a n ds o f t w a r em o d u l e s f i n a l l y ，h o w t oe s t a b l i s ht h eb l u e t o o t hd a t ac o n n e c t i o ni s e x p l a i n e d ， m e a n w h i l eh o wt om a k eu s eo fs u c ht e c h n o l o g yi ni n d u s t r yf i e l di sd i s c u s s e d a sat y o i c a la 1 ) p l i c a t i o n , t h ee s d b ki s u t i l i t e d t nf i l l f i l lt h en n t o m o h i l e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i f o u r - w h e e lp o s i t i o n i n g t h ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i n g p r i n c i p l e o fs u c ha s y s t e ma d d r e s s e di nt h i sp a p e rp r e s e n t ss o m ei n s t r u c t i o n sf o ru s e r st 0f u r t h e r d e v e l o p t h eb l u e t o o t h p r o d u c t s k e y w o r d s ：b l u e t o o t ht e c h n o l o g y , h c i ，b l u e t o o t hd e v e l o p m e n tk i t ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，v o i c ec o m m u n i c a t i o n 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) ：盟 日期：御年年1 月凸日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着信息技术和数字技术的发展，特别是对i n t e m e l 和多媒体通信需求 的增长，通信技术的发展主要集中在宽带通信网络和无线通信领域。而蓝牙 技术不仅可以实现多种智能设备无线互连，还可以实现文件传输，支持语音 通信，已成为世界上人们普遍关注的热门通信技术。目前电子、计算机、通 信设备的接口及通信标准很不统一，甚至在应用上也有差异，导致互相通信 有相当的困难。蓝牙就是对这些不统一做出一致的规范，它的最大优势在于 能够为与人类打交道的各种电器设备提供附加的通信能力，使之具有接入因 特网和其它网络的能力。 世界逐渐走向网络化，而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，有人把它们分为广域网 ( w a n ) 、无线局域网( w l a n ) 、个人区域n ( p a n ) 三类，它们的有机结合， 构成了完整的互联网络体系“1 。蓝牙技术可以说是适应p a n 、w l a n 的发展 而产生的。 个人区域网和一般意义上的无线局域网之间有非常大的区别。首先通信 距离上存在差别；然后，个人区域网是移动中的网络，应该采取无线接入， 并且要求自动接入，面其它的局域网可以接受有线互连方式。普遍认为蓝牙 是构造p a n 的首选技术，i e e e 8 0 2 1 l b 是w l a n 的标准技术，不过就目前 来看，两者之间并没有非常明确的界限。 1 1 课题来源及研究背景 本课题来源于哈尔滨亿时代数码科技开发有限公司蓝牙开发平台的研发 项目。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 内外蓝牙开发工具较少，而且价格很高，广大研发人员迫切需要稳定可靠、 价格适中的蓝牙开发平台。为了推动蓝牙技术在国内的发展，与哈尔滨亿时 哈尔滨工程大学硕士学位论文 代数码科技开发有限公司联合开发拥有自主知识产权的蓝牙开发平台 ( e s d b k ，e s db l u e t o o t h k i t ) ，可以作为蓝牙研发、学习平台，为研发人员 迅速开发蓝牙产品提供硬件、软件平台的技术支持。通过使用e s d b k ，研发 人员可以比较容易地快速掌握蓝牙的原理和关键技术，并在该平台上进行基 于蓝牙技术的各类产品的开发。 1 2 蓝牙技术的发展及优势 1 2 1 蓝牙技术的发展 蓝牙技术是由爱立信、i b m 、诺基亚、英特尔和东芝于1 9 9 8 年5 月共同 推出的，是种无线数据与语音通信开放性全球规范，以低成本的近距离无 线连接为基础，建立一个全球性的小范围无线通信连接新技术，取代便携式 设备的有线连接。它的实质内容是建立通用的无线电空中接口，使不同厂家 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 互通信o 。 蓝牙技术诞生伊始，人们给予了极大的希望，美国网络计算杂志将 该技术评为“十年来十大热门新技术产品”。但是从2 0 0 1 年开始，蓝牙开始 受到连续挫折，各种批评占上风。曾经有一位专家，作出比较公平的总结： “也许我们在短期内过高估计了蓝牙的发展成熟速度，但我认为，我们仍然 过低地估计了蓝牙长期的发展潜力。”蓝牙是一个令世界2 0 0 0 多家公司共同 支持的全球标准，由于组织的庞大，确实在某些方面的发展比预计的缓慢， 但是它的支持者如此广泛，说明了蓝牙的发展潜力仍将十分巨大。更重要的 是，蓝牙给出了完整的技术和应用规范，在p a n 技术领域还没有第二者，决 定了它至少在p a n 领域的长期发展潜力。 1 2 2 蓝牙技术的优势 蓝牙技术使用近距离无线电信号，可以应用于家用电器、汽车、家用电 子设备与办公设备等。另外，还可以应用于移动电话、便携式计算机以及其 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它手持设备。基于以上应用要求，蓝牙技术与其它类似技术相比较，更具有 低成本、低功耗、体积小、点对多点连接、语音与数据混合传输以及高抗干 扰能力等优点。具体说，设计主要考虑了如下因素： ( 1 ) 工作频率。蓝牙工作在全球通用的2 4 g h z i s m ( 即工业、科学、医 学) 频段，这是对所有无线电系统都开放的频带，因此可能会遇到不可预测 的干扰源，为此蓝牙规范采用快跳频和小数据分组，以确保链路稳定。蓝牙 把该频段分成7 9 段，每段1 m h z ，并且较为充分的利用了频率资源，理论传 输速率最大达到l m b p s 。 ( 2 ) 体积与有效距离。蓝牙技术的无线电收发器设计成1 平方厘米以下， 链接距离一般在l o 米以内，不限制在直线范围内，并且能够穿透一般障碍物， 设备不在同一房间内也能相互链接。 ( 3 ) 支持语音。蓝牙主要用于个人网络、家庭网络或者办公室网络，所 以对语音的支持是必不可少的，比如无线耳机、无线麦克、手机、移动市话、 无绳电话等应用场合，都要求蓝牙具有语音功能。 ( 4 ) 无需基站。系统以蓝牙模块为节点，无需建立基站，就可以无线地 连接。蓝牙采用了一种极为经济的形式解决了无线通信“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 ) 协议相对简单、技术不求先进、价格低廉。跳频、时分复用和时分 多址等技术的使用使得蓝牙的射频电路较为简单，协议的绝大部分内容可以 用专用集成电路和软件来实现，因此从技术上保证了蓝牙设备的高性能和低 成本。低复杂度使得系统的集成度大大提高，有利于缩小实现体积，降低产 品成本。蓝牙的目标是全球通用、价格低廉、结构紧凑，因此它不强调技术 的先进性。比如纠错机制，蓝牙所采用的是1 3 比例的f e c 、2 3 比例的f e c 和自动请求重传，而没有采用编码速率相同的卷积码、t u r b o 码。采用最先 进的技术会使成本大幅增加。 ( 6 ) 功耗低。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，蓝牙具有四种功耗模式，能够在通信 量减少或者通信结束时即刻自动转入低功耗模式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 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。详细见第二章信息安全部分。另外，蓝 牙采用的跳频技术本身也具有保密性。 ( 8 ) 点到多点灵活组网。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，且一个蓝牙系统可同时连接多达7 个设备，构成一 个微微网。相邻的微微网之间还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。移动的蓝牙设备可以方便的从一个微微网 切换到另一个微微网，有点类似于手机的跨区切换。1 。 技术特点大致如下； 表1 1 蓝牙技术指标和系统参数 工作频段i s m 频段，2 4 0 2 2 4 8 0 g h z 双工方式全双工。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1 m b p s 非同步信道速率非对称连接7 2 1 k b p s 5 76 k b p s ，对称连接4 3 2 6 k b p s 同步1 - 琨理翠 6 4 k b p s 功率 美国f c c 要求 h c i 指令r e s e t 0 10 30 c0 0 】 t x = 4 】 指令代码0 x 0 c 0 3 参数长度0 x 0 0 后的内容为发送的指令内容及对该指令的解释； 后内容为事件的 内容及其解释。 指令分组代码：0 x 0 1 表示通过h c i 的r s 2 3 2 传输层的数据分组为h c i 指令分组；0 x 0 c 0 3 为r e s e t 指令操作码；0 x 0 0 为指令所带参数的长度，如果 指令不带有任何参数，则参数长度为0 ； 返回的事件分组代码：0 x 0 4 表示通过h c i 的r s 2 3 2 传输层的数据分组 为h c i 事件分组；0 x 0 e 表示该返回事件为指令完成事件；o x 0 4 表示返回事 件分组的参数长度；0 x 0 8 表示当前可以从主机发往主机控制器的指令分组数 目为8 个；o x o c 0 3 表示触发这一指令完成事件的指令为0 x 0 c 0 3 ( r e s e t ) ； 0 x 0 0 表示指令执行正确。 通信流程的步骤具体实现指令如下各表所示： 1 蓝牙模块初始化 表5 1 蓝牙模块初始化指令说明 指令意义指令名称 复位蓝牙r e s e t 0 10 30 c 0 0 】 指定不同的事件过滤器s e t _ e v e n tf i l t e r 0 10 50 c0 10 0 】 写入扫描允许结构参数值 w r i t es c a ne n a b l e 0 11 a0 c0 10 3 】 完成写入鉴权允许参数值w r i t e _ a u t h e n t i c a t i o n _ e n a b l e 0 12 00 c0 10 0 写入话音设置参数值 w r i t e _ v o i c e _ s e t i n g 0 12 60 c0 28 10 1 指定事件过滤器1 s e t _ e v e n tf i l t e r 0 10 50 c0 30 20 00 2 】 设置超时参数w r i t e c o n n e c t i o n a c c e p t t i m e o u t 0 11 60 c0 20 02 0 】 写寻呼超时值w r i t e _ p a g e _ t i m e o u t 0 11 80 c0 20 03 0 】 设置p c m 参数e r i c s s o n _ w r i t e _ p c m _ s e t t i n g s 0 10 7f c0 10 3 】 2 查询 表5 2 查询指令说明 指令意义指令名称 查询蓝牙从设备i n q u i r y 0 10 10 4 0 53 38 b9 e 0 6 0 0 】 如果从设备存在，则在返回查询结果事件中包含蓝牙从设备的地址。 ；堕i ：鎏苫垄銮耋譬主主譬鲨耋 3 建立连接 表5 3 建立连接指令说明 指令意义指令名称 建立a c l 链接 c r e a t e _ c o n n e c t i o n 0 10 50 40 d b da d d r0 80 00 00 00 00 0 0 0 其中，b d _ a d d r 是要建立a c l 链接的从设备的地址。如果成功建立连 接，则返回连接完成事件。 5 2 3 软件流程图 蓝牙模块通过主机控制器接口h c i 和p c 机通信。由主设备发起建立 a c l 和( 或) s c o 连接。当主、从设备建立a c l 连接后，就可以进行数据 传输了。如果需要进行语音通信，则还需在a c l 连接基础上建立s c o 连接。 建立语音连接的主、从设备软件流程见图5 1 7 ，蓝牙开发平台软件开发环境 的主程序流程见图5 1 8 ，文件传输、数据传输的流程见图5 1 9 和5 2 0 。 ( 主设备) 跛鼋语音 0 l 耳缶h d 口o 担，a l ho i h e r i e s s a - tp o 嗡置 d 1 茸o 蕊露耳母珥硼 壹瑚 0 1 l 【_ 0 l h 呲0 5 吒9 3 ke 噩 慨i r a k 0 暇 香壹询1 0 蕾牙谊矗 # 氟两丽丽 ，愤轩 _ 黾 盎盘s 硅接 0 1 耳d m0 饥a 衄掰l 描m j 皿0 0 1 1 毗骂n 鼠o 钒再蕊强珏 船珏【i 珏h 班西戤h 口氍舯 毪0 根0 眦0 0 k o d k 口咂 ( 妙媛替) l 瞪碍守 io t k 为茸州墨口墨l8 1 k ：0 1 h l i e r i c s o n p 蝴 1n 啦。阻，田口m 蛾 图5 1 7 建立s c o 连接时程序流程图 雠糖纯摊翻 避讯被爨 ( 审i 选样，棱特攀没翁篙) 型篙掣刿丽 丽基磊丁谭搬静苴它敷棼拯嚣fh 1 产一 i ! 琏摊轧一站立涟接 _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 ，。- 1 一 露强姒镌磕 = 二 建点# 链接碍恁， 落避按 避舞拽l ，备壤辩麓 荫舔釉待囊 豳5 1 8 象税痔流程嗣 5 3 本章小结 娃瓤帆魅接 ( 熏。秘荦嚣鬻囊憋接) 上 琏棒黢臻辩空粹 l 镌：接收浆凳稚衽器静 譬韩蛹舞程理童斡篙 i 井鹣置件羁瓣擞忙 上 缝寐蕾件掩输辅承 阁5 1 9 文件转辅蔼程嘲 照盘砌期 攘 ( 屯、藏攀嚣建瀣鞋黔 上 篱八舞鬟强麴熏撮弹 执 擎黢i 麓撩粹 上 纛接赣雅嚣料肴辩攘 牧捌韵藏糕 王 躺鬻懿辩糖精曩攀 1 1 1 5 ，2 0 鼗辫镁熊滚瓣豳 本章按照蓝牙开发平台的总体设计要求，详细说明了蓝牙开发平台的软、 硬件实现，硬件平台采用模块化结构，详细介绍了各个模块的功能及实现， 对蓝牙通信流程做了分析，给出了各个功能的软件流程图。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第6 章蓝牙开发平台的测试与分析 系统测试环境采用实际的室内环境，通过测试蓝牙无线通信系统的基本 性能，为在各种其它场合下使用蓝牙模块做好了铺垫。 6 1 硬件电路的测试 将5 v 的变压器与开发板的电源接口相接，扳电源开关到o n 位置，绿色的 电源灯亮表示电源工作正常。将串口线接到计算机的串口上。 进行语音测试时，语音效果良好。当距离增大，超过7 米时出现杂音， 使用更大发射功率的蓝牙模块应该可以改善这种情况。另外有微弱的背景音， 可能是语音输出电路的走线没有调整到最佳，有待改进。 6 2 蓝牙开发平台的总体测试与分析 实际测试时，可以利用两台微机分别通过r s 2 3 2 口外接蓝牙硬件开发平 台，在p c 机上运行软件平台，注意距离应在1 0 米之内。连接如图6 1 。 凰智嘶扩罂运蚕何嘶厕羞 絮赞蓉 f f s l 粼鹤p 糕扶漤罄 图6 1 测试方案示意图 程序启动时，首先启动通讯口设置，如图6 2 所示，使用者可以选择串口 1 、2 。r o k l 0 1 系列蓝牙模块的串口缺省设置为：波特率设置5 7 6 0 0 、数据位8 位、停止位1 位。注意：主设备和从设备的参数设置必须一致，否则，主、从 设备不能正确建立连接。 堕玺鋈三耋銮耋氅圭耋笙笙兰 图6 2 通讯口设置 选择好通讯口后按确认键可进入开发平台程序主界面，按照菜单项提供 的功能做每一项的测试，由于篇幅有限，现只详述了几项重要功能的测试。 1 建立a c l 链路连接测试 当执行建立a c l 连接功能时，发起连接的一方即成为主单元，该主单元 查询有效范围内的所有蓝牙单元，并将查询结果得到的蓝牙地址保存在建 立连接窗口的查询结果下拉对话框中，选择所要建立连接的蓝牙地址，点 击该项，然后点击建立连接按钮，两单元便建立了a c l 连接。s c o 连接是在 a c l 连接的基础上建立的，建立完a c l 连接后，主从单元中的任何一方都可 发起建立s c o 连接请求。如图6 3 所示。 图6 3 建立a c l 连接 堕玺鎏三堡奎兰鎏圭主笙鲨銮 2 数据传输测试 点击该项便弹出如图6 4 所示的对话框，进行数据传输两单元必须一个 设为主单元，一个设为从单元，然后点击设置蓝牙按钮，两单元便建立a c l 连接，建立a c l 连接后，两者便可进行数据传输。在发送数据窗口用键盘输 入数据，点击发送按钮，另一蓝牙单元便可接收到该数据，并在接收数据窗 口显示该数据。 3 文件传输测试 图6 4 数据传输 图6 5 文件传输 哈尔滨工程大学硕士学位论文 点击该项便弹出如图6 5 所示的对话框，进行数据传输两单元必须一个 设为主单元，一个设为从单元，然后点击设置蓝牙按钮，两单元便建立a c l 连接，建立a c l 连接后，两者便可进行文件传输。点击发送文件按钮便弹出 打开文件对话框，选择所要发送的文件。另一单元弹出保存文件对话框，输 入要保存的文件名后，点击保存，两单元便进行整个文件的传输。 4 指令测试 指令测试提供了对蓝牙所有h c i 指令和爱立信特有指令的测试。该测试 分为指令测试和代码测试两种。 ( 1 ) 指令测试 在测试方式中选择指令测试，其对话框如图6 6 所示。指令类型有链路 控制指令、链路策略指令、主控制器和基带指令、信息参数、状态参数、测 试指令、爱立信指令。选择指令类型，h c i 指令下拉对话框中便有该类型下 所有的h c i 指令，选择指令，并在指令参数编辑框中输入与该指令相应的参 数的总长度、参数的内容，下面的参数对话框中有相应的提示。按发送指令 按钮，该指令的内容便送到蓝牙的主控制器中。 图6 6 指令测试 ( 2 ) 代码测试 在测试方式中选择代码测试。其对话框如图6 7 所示。选择代码测试后 指令类型和h c i 指令选择框功能失效。在指令代码编辑框中输入1 6 进制的 6 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h c i 指令，例如通用查询指令其指令内容就是0 10 10 40 53 38 b9 e0 60 0 ( 注 意：字节间用一空格隔开) 。按发送指令按钮，该指令的内容便送到蓝牙的主 控制器中。 6 3 本章小结 图6 7 代码测试 本章对硬件电路进行了测试，重点对软件功能做了详细的测试。进行语 音测试时，语音效果良好。当距离增大，超过7 米时出现杂音，另外有微弱 的背景音，可能是语音输出电路的走线没有调整到最佳，有待改进。进行数 据传输测试时，没有出现丢失数据的情况。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第7 章蓝牙技术应用实例 本章利用蓝牙开发平台实现了一个无线数据传输应用，对用户进一步开 发蓝牙产品有一定的指导意义。 7 1 利用蓝牙技术改造现有汽车四轮定位系统 工业场合经常需要无线传输数据，蓝牙体积小，不受障碍物和角度限制， 价格也相对低廉，比较适合。除了某些专用的蓝牙模块以外，大多蓝牙模块 硬件上都提供了数据接口，可以用来传输数据。前文所述，蓝牙模块通过 r s 2 3 2 串口可以传输速率要求不高的实时数据。而传输控制数据在很多场合， 恰好希望采用无线方式( 比如拉晶体用的超高温热炉，需要把温度数据传送 出来) ，那么如何利用低成本的无线传输技术改造现有的有线数据传输系统， 就成了工程上很有意义的问题。用蓝牙技术无线传输数据的思想，提出了改 造现有的汽车四轮定位系统的一种方案。下文结合实例，探讨了汽车四轮定 位无线化的实现方法。 7 1 1 传统方案的问题和解决思想 汽车在出厂时，其悬挂系统的定位角度都是设定好的，但是车辆在行驶 一段时间后，这些定位角度会产生变化。定位系统是一个主电脑和四个安装 在四轮上的传感器。传感器在做完测量后，将数据传回主电脑，主电脑将显 示汽车测量的数据列表。然后再与原厂的数据相比较，再对小车相关的部位 进行恰当的调节。传统的汽车四轮定位仪是依靠有线方式和主电脑通信的。 四轮定位仪价格昂贵，国产的四轮定位仪一般价格在十几万元以上，进 口的仪器则更贵，一般都在二十万元以上。所以要想将其无线化，汽车维修 公司都希望传统汽车四轮定位仪可以不做大的改动，现在看来，最好的方案 是保留原有的硬件系统，仅添加无线收发单元的软硬件，以免汽车维修站二 次投资。 选择蓝牙技术来无线化传统汽车四轮定位系统。蓝牙在免费的i s m 频 哈尔滨工程大学硕士学位论文 段，且发射功率比较小，一般为1 1 0 m w ，不会对汽车维修站的其它电气设 备产生无线电干扰，很适合汽车维修场合应用。蓝牙采用点对点或者点对多 点的主从网络方案，则蓝牙四轮定位网 络采用一个主设备和四个从设备的方 案，原因如下： 现代轿车普遍都是前后独立悬挂， 所以前、后车轮各自需要调整的参数是 独立的，这样就意味着蓝牙网络不能采 用一主一从的点对点方案。而要用一主 四从的方案，见图7 1 。 7 1 2 蓝牙无线四轮定位系统 囝 平 摹 图7 1 四轮定位系统示意图 蓝牙主设备是具有无线收发功能的主控电脑，它负责查询四轮的状态， 并且向四轮发送调整指令；蓝牙从设备是四个安装在汽车车轮上的测量传感 仪器，负责测量四轮的状态参数，并且把测量得到的参数无线传回主控电脑。 主控电脑里存储了该车型的标准资料，它无线接收轮胎传来的数据，即汽车 现时的四轮定位参数，和该车型的存储值对比算出偏差，做出相应判断，再 把调整指令无线发送给轮胎，就可以定位了。 图7 2 蓝牙四轮定位系统结构示意图 据此要求，设计的系统如图7 2 所示。图中的单片机c 、传感器和测量 仪属于无线化以前的、传统的汽车四轮定位仪。测量仪测到汽车车轮的角度 等参数，通过传感器发给单片机。 轮胎把自身参数传回主电脑的过程如下：单片机c 得到车轮传感器的数 哈尔滨工程大学硕士学位论文 据，通过u a r t 口传给单片机a ；单片机a 把数据通过蓝牙模块a 无线发送给 主电脑端的蓝牙模块b ：单片机b 从蓝牙模块b 获得数据后，通过转换芯片 m a x 3 2 3 2 e ，转换为标准的r s 2 3 2 串口形式数据，通过p c 机上的标准9 针串口 送给主电脑。主电脑向轮胎发送调整命令的流程与此类似。 这样，传统的四轮定位系统在硬件上几乎不做修改，附加一些元件就实 现了无线化，方便了汽车维修公司。 另外，单片机还用来存放初始化蓝牙模块和建立无线a c l 数据连接的指 令代码，可以说单片机中的软件是此系统的核心。我们使用了a t 8 9 c 2 0 5 1 单 片机，该款单片机价格相对低廉。 我们使用c s r 公司的b l u e c o r e 系列蓝牙模块c s r 0 3 1 2 ，内部结构在第五 章有详细说明。主要技术规范如下： ( 1 ) 遵从蓝牙1 1 规范； ( 2 ) 射频输出为c l a s s 2 级，作用距离1 0 米； ( 3 ) 蓝牙1 1 认证： ( 4 ) f c c e t s t 认证； ( 5 ) 支持u a r t 接口。 传输指令的电路连接关系如图 7 3 。把蓝牙模块的u a r t 接口做为 图7 3 硬件电路框图 数据收发接口r x d 和t x d ，与单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 的p 3 0 和p 3 1 通信，单片 机通过这两个接口和蓝牙模块c s r 0 3 1 2 互传数据，并且向其发送h c i 指令。 a t 8 9 c 2 0 5 1 的p 1 2 和p i 3 作为扩展的串行接口，和其它的单片机通信；另 外把p 3 2 口做为外部中断入口，当有数据从其它单片机传过来时，将触发中 断，开始接收数据。 复位电路向蓝牙模块和单片机提供复位信号r s t ，当设备出现故障时， 可以使其恢复初始状态。 值得注意的是，以上的方案可以通过蓝牙开发平台来验证，只需通过扩 展接口外接单片机就可以验证方案的可行性，这样就减少了硬件开发的周期， 缩短了整个产品的开发周期。当方案通过后，就可以进行硬件p c b 板的制作 和程序的固化。而进行数据传输时单片机所要执行的h c i 指令，则可通过软 件平台的记录窗口得到，这样可以减轻开发人员想用蓝牙技术却又不知道如 何实现的困惑。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 7 1 3 蓝牙四轮定位的软件流程 蓝牙模块通过主机控制接口h c i 和单片机通信，如图7 4 所示。利用主机 控制接口指令，蓝牙模块可以进入一种给定的操作模式，比如查询网络中其 它设备或者建立一个数据连接，这样我们就可以用单片机控制蓝牙模块， 实现无线数据传输。建立a c l 连接和 断开连接的蓝牙指令分别是： i b l 。鬟：。t hk 些 l c u l m o v i m o d u l e lii d p t r # h c i c r e a t e a c l c o n n e c t i o “ m o vd p t r # h c i d i s c o n n e c t 主程序流程 图7 5 软件流程图 图7 4 蓝牙模块和单片机的通信接口 蓝牙模块收到# h c i c r e a t e a c l c o n n e c t i o n 信 号以后，就会进入建立a c l 连接的模式。 主设备和从设备的软件流程基本一致，不同 之处在于，主设备要查询从设备并建立a c l 数据 链路，而从设备没有这部分工作。主设备端的程 序流程见图7 5 。系统启动后，主设备首先要查询 从设备，收到从设备的响应后，得知能否和该从 设备建立蓝牙网络，并且确定了该蓝牙从设备代 表四个轮胎中的哪一个；然后主设备发起连接请 求，建立一个无线a c l 链路，准备收发数据：我 们采用外部中断的方式通知有数据到来。四轮定 位完毕后，主电脑发出一个结束信号，与其相连 的蓝牙模块将该信号解释为断开蓝牙连接，通知 从设备撤销蓝牙网络，流程结束。 使用自带微带天线的c s r 公司的蓝牙模块， 我们设计了上述系统，正在和有关汽车维修公司 试验主控电脑和汽车四轮传感器的互通信，测试 结果表明，该系统做为无线四轮定位的方案切实 可行。 pll i_l rl i_l il 哈尔滨工程大学硕士学位论文 7 2 本章小结 在工业控制场合，经常需要无线传输数据。传输低、中等速率的数据。 蓝牙作用范围虽然不大，通常不超过1 0 米，但是用于四轮定位场合是可以接 受的，而且需要的话，还可以通过增加发射功率，以增加有效距离。使用射 频输出为c l a s s l 级的蓝牙模块，有效距离能增加到接近1 0 0 米。可以说，蓝 牙在频段许可、对其它电子设备的无线电干扰、作用距离、发射角度上，都 符合四轮定位场合的应用要求。 也有人提出使用红外方式的无线四轮定位系统。红外方式可以传输速率 不大的控制数据，功耗小，而且价格比蓝牙还要低廉的多，且技术十分成熟， 确实可以用于汽车四轮定位。但是红外方式穿透能力极差，并且有角度限制。 这些缺点决定了在汽车四轮定位场合，蓝牙的潜力远大于红外。 总的来说，蓝牙成本低廉，组网灵活，和有线四轮定位系统相比，价格 没有大幅度提高，使用灵活性却大为增加；和红外四轮定位方式相比，蓝牙 的穿透障碍物能力强，没有发射角度限制。基于上述原因，将来蓝牙四轮定 位很可能是汽车维修行业的一个最佳选择。 本章在蓝牙开发平台的基础上，验证了汽车无线四轮定位系统方案的可 行性，说明了利用蓝牙开发平台开发蓝牙产品的方法，对用户进一步开发蓝 牙产品有一定的指导意义。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 结论 蓝牙作为一种新的近距离无线通信技术，将会对以嵌入式系统为主的“后 p c 机”时代的到来产生巨大的推动作用，同时它还面临来自i r d a 、8 0 2 1 1 b 等无线通信技术的挑战。 结合蓝牙的通信原理，设计了蓝牙开发平台，为研发人员迅速开发蓝牙 产品提供了硬件、软件的开发平台。对推动蓝牙技术在国内的发展具有现实 的意义。 工业场合经常需要无线传输数据，蓝牙体积小，不受障碍物和角度限制， 价格也相对低廉，在某些场合具有其它技术无法取代的优势。本文提出了蓝 牙四轮定位无线化的框架，并详细叙述了实现a c l 数据链路的软件方案，说 明了硬件框架和硬件实现的细节，并且在蓝牙开发平台的基础上做了方案的 验证，对研发人员在蓝牙开发平台的基础上进一步开发蓝牙应用产品具有指 导意义。 经过一年的努力，蓝牙开发平台的研发获得了圆满的成功，各项指标均 达到了预期技术要求，并且在市场上取得了一定的成绩：哈尔滨工业大学、 吉林大学、电子计算机所等院校和科研单位都采用了e s d b k 蓝牙开发平台， 反映良好。 应当看到，蓝牙在实用化方面，仍然有待于研究和实施，目前所看到的 多数产品只是实现了简单的演示和应用功能，但其全球统一开放的标准和价 格低廉，将有助于该技术的普遍应用。我们期待它会完善自己的协议和应用 规范，成为未来无线通信不可或缺的技术之一。 譬玺鎏苫堡銮主堡圭主堡鲨銮 参考文献 1 】刘蕾，张有根无线局域网技术纵览中国数据通信2 0 0 2 ，3 ( 2 ) ：1 7 2 0 页 2 】练益群短距离的无线连接技术一蓝牙今日电子2 0 0 2 ，6 ( 0 2 ) ：4 0 - 4 1 页 3 p e t r i o l ic ，b a s a g n i s ，c h l a r n t a c i c o n f i g u r i n gb l u e s t a r s ：m u l t i h o p s c a t t e m e tf o r m a t i o nf o rb l u e t o o t hn e t w o r k s c o m p u t e r s ，i e e et r a n s a c t i o n s o n ，2 0 0 3 ，5 2 ( 6 ) ：7 7 9 7 9 0 p 4 】t a nk k ，s o hcy i n t e m e th o m ec o n 仃o ls y g e mu s i n gb l u e t o o t ho v e r w a p e n g i n e e r i n gs c i e n c e a n d e d u c a t i o nj o u r n a l ，2 0 0 2 ，1 i ( 4 ) ：1 2 6 1 3 2 p 5 】h u g h e s j b ，s p e n c e ra ，w o r a p i s h e ta ，s i t d h i k o mr 1 m wc m o s p o l y p h a s ec h a n n e lf i l t e rf o rb t u e t o o t h c i r c u i t s d e v i c e sa n ds y s t e m s ，i e e e p r o c e e d i n g s ，2 0 0 2 ，1 4 9 ( 5 6 ) ：3 4 8 3 5 4 p 6 】w a n gf e n g ，n a l l a n a t h a na ，g a r g h k i m p a c t o fi n t e r f e r e n c e0 1 1p e r f o r m a n c e o fb l u e t o o t h p i c o n e t i n2 4g h zi s mb a n d e l e c t r o n i c sl e t t e r s ， 2 0 0 2 ，3 8 ( 2 5 ) ：1 7 2 卜1 7 2 3 p 7 】w a n gcc ，p o t t i e gj v a r i a b l eb i ta l l o c a t i o nf o rf h c d m aw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s c o m m u n i c a t i o n s i e e et r a n s a c t i o n s o i l ， 2 0 0 2 ，5 0 ( 1 0 ) ：1 6 3 7 1 6 4 4 p 8 k h a njy ，w a l lj ，r a s h i dm a b l u e t o o t h - b a s e dw i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r kf o rm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n e l e c t r o n i c d e s i g n ，t e s t a n d a p p l i c a t i o n s ，2 0 0 2 ，4 ( 3 ) ：4 7 5 1 p 【9 c h a n gg ，j a n s s o nl ，w a n g k ，g r i l oj ，m o n t e