（通信与信息系统专业论文）基于蓝牙技术的双模车载免提设计.pdf

摘要 蓝牙技术是一种无线数据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，为固定和移动设备建立一种特别连接的短程无线电通信环境。蓝牙 技术可将便携式电脑与蜂窝电话无线连接，使计算机与无线通信更加密切的结合 起来，人们能够随时随地进行数据信息的交换和传输。蓝牙技术越来越多地被应 用于小型的消费类终端产品上，以摆脱电缆连接带来的种种不便，本论文介绍的 蓝牙车载免提装置就是其中之一。 本文从对蓝牙技术的产生背景开篇，介绍了蓝牙技术的特点、优势及其蓝牙 产品的市场前景，分析得出进行本课题研究的意义。然后，从结构角度介绍蓝牙 的协议体系，各层协议及其相互关系。通过对三种协议栈实现方式的比较，得出 本设计采用完全嵌入式协议栈的实现方式。 此外，本文在介绍蓝牙硬件开发平台、下载调试工具后，较详尽地介绍了以 c s r 公司生产的b l u e c o r e 0 2 - e x t e r n a l 芯片为核心的蓝牙模块。它也是整个蓝牙 车载免提系统的核心。紧接着，阐述了在实际的开发过程中，本系统的硬件电路 和应用程序是如何设计实现的。 最后，本文还简要说明了系统的调试过程，最终成果，以及开发过程中出现 的问题和需要改进的地方，并对整个开发过程作出总结。 关键词；蓝牙免提协议双模式 a b s t r a c t b l u e t o o t ht e c h n o l o g yi saw o r l dw i d eo p e ns t a n d a r df o rw i r e l e s sd a t aa n dv o i c e e o m m t m i e a t i o n , i ti sb u i l tu p o nl o wc o s tl o c a l 黜aw i r e l e s sc o n n e c t i o nw i t hw h i c ha s h o r tr a n g ew i r e l e s sc h a n n e l 锄b es e tl l pb e t w e e n 矗x e da n dm o b i l ed e v i c e s b l u e t o o t ht e e l a n o l o g yc o l l n e c t sp o r t a b l ec o m p u t e r sa n de e l l u a rp h o n e sw i r e l e s s l y t h i s a c h i e v e m e n tl e a d st o 趾e v e l lc l o s e r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c o m p u t e r a n d c o m m u n i c a t i o na n de n a b l e sp e o p l ee x c h a n g i n gd a t aa ta n y w h e r ea n da n y t i m e b l u e t 6 0 t ht e c h n o l o g yi sm o l ea n dh i o i e ：d e m a n d e df o rt h o s es m a l l - s c a l ec o n s u m p t i o n t e r m i n a lp r o d u c t st o g e to f ft h ei n c o n v e n i e n c ec a u s e db yt h ec a b l e s b l u e t o o t h t t a n d s f r e ec a rk i tw h i c hi si n t r o d u c e di nt h et h e i si s j u s to n eo f t h e m t h et h e i sb e g i n sw i t hs a m m a a r i z i n gt h eb a c k g r o u n do fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y , o f w l a i e ht h ef e a t u r e s a d v a n t a g e sa n dm a r k e tf o r e g r o u n da 舱i n t a o d u e e df o l l o w e d t h e n f r o ms t l u c t u r ea s p e c t , i ti n t r o d u c e sb l u e t o o t hc o r es p e , e i f i e a t i o n , p r o t o c o l s ，p r o f i l e s a n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e m a t t e rt h ec o m p a r eo ft h r e ed i f f e r e n t i m p l e m e n t a t i o no fb l u e t o o t l ap r o t o c o ls t a c k , t h ew h o l l ye m b e d d e ds i n g l ep r o c e s s o r s o l u t i o ni sa d o p t e d i na d d i t i o n , f o l l o w i n gw i mt h ei n t r o d u c t i o no f t h eb l u e t o o t l ad e v e l o p m e n tk i ta n d 6 r n 哪a 糟d o w n l o a dt o o l s t h eb l u e t o o t hm o d u l eo fw h i e l at h ec o i ei s b l u e c o r e 0 2 e x t e r n a lp r o d u c e db yc s ri sd e s c r i b e di nd e t a i l a l s oi ti st h ec o o f t h e w h o l eb l u e t o o t hc a rk i t t h e ni ti n t r o d u c e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f h a r d w a r ec i r c u i ta n da p p l i c a t i o np r o g r a m i nt h el l c t l l a ld e v e l o p m e n tp r o c e s s i nt h ee n d ，t h ed e b u gp 嘲s ，f i n a lr e a l i z a t i o no f p r o d u c tf t m e t i o n , p r o b l e m si n t h ew h o l ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt h ea s p e c t st h a tn e e dt ob ei m p r o v e dl u e i n t r o d u c e db r i e f l y a n dt h es u m m a r yo f t h eb l u e t o o t hc a rk i td e v e l o p m e n tp r o c e s si s p r e s e n t e d k e y w o r d s ：b l u e t o o t h , h a n d s f r e e ，p r o t o c o l , d u a l - m o d e 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，也不包含为获得鑫鲞盘堂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：魄 签字日期：沙易 年月，l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘茔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：澎藿耄 导师签名： 学位论文作者签名：鳓1 锚 导师签名： 列彳华 签字日期；魂耐年月日签字日期：沙占年月z 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是一种无线数据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，为固定与移动通信环境建立一个接入点。该技术实质 内容是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，使移动通信与计算 机网络进一步结合，让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( 1 0 l o o m ) 范围内具有互操作性能，达到随时随地进行数 据信息交换与传输的目的。蓝牙技术提供的低成本、低功耗的无线接入方式，在 信息家电、移动通信、嵌入式设备等诸多方面的应用，顺应了现代通信技术和应 用发展的潮流，被认为是无线数据通信领域重大进展之一，将对未来的无线移 动数据通信业务产生巨大促进作用。目前，蓝牙技术已成为短距离无线数据通信 领域最热门的研发方向之一。 众所周知，随着移动通信的迅猛发展和汽车的逐渐普及，驾驶员在行车过程 中需要接听或者拨打电话的情况越来越普遍，但这样不但违反交通法规，也给安 全行车带来隐患。虽然普通耳机可以部分解决问题，但应用会受到线缆的束缚， 蓝牙技术是解决这一问题的最佳方案。易见，蓝牙车载免提装置具有良好的市场 发展前景和社会实用价值。本论文主要介绍了自主研发的双模式蓝牙车载免提的 设计方案及其实现。 1 1 蓝牙概述 1 1 1 蓝牙产生的背景 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。人们对 计算机的运算能力和存储空间的需求使计算机技术以“摩尔定律”的速率不断向 前发展，当人们在运算能力和容量上得到一定的满足的时候，又在追求设备的小 型化和便携性能，蓝牙技术的问世正是人们这种需求和追求的结果。便携的各种 数字处理设备已经成为人们日常生活和办公的必需品，包括笔记本电脑、个人数 字助理、移动电话、电脑外围设备等，它们虽然都具有了较强的处理能力和较大 的存储空间，但这些设备之间的信息交换还大都依赖于电缆的连接，使用非常不 方便。蓝牙正是为了满足个人操作空间能够实现无线互联而设计的，该技术使设 备去除线缆的束缚，真正实现设备的自由移动性。目前，蓝牙正逐步发展成为个 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 人区域网络或短距离无线网络的标准。 最早提出蓝牙概念的是爱立信移动通信公司。1 9 9 4 年，爱立信移动通信公 司希望能为移动电话及电话附件之间寻找一种的低功耗、低成本的无线接口。作 为通用的无线接口，首先需要规定其工作的频谱范围、技术造价、容量和接口尺 寸大小，目的是要保证该技术具有线缆连接所没有优势。该无线单元的尺寸和功 耗都必须足够小，使得它可以安装进许多便携设备中去，另外该技术必须支持语 音和数据通信。最重要的是该技术应具有全球通用性，而不仅仅是技术的实现及 提高性能，要得到来自p c 硬件、便携机和移动电话行业坚实的、广阔的市场支持。 1 9 9 8 年2 月，爱立信( e r i c s s o n ) 、英特尔( i n t e l ) 、东芝( t o s h i b a ) 和诺基 亚( n o k i a ) 等公司组成了特别兴趣小组( s i g ) 。蓝牙s i g 的目标是定义一个实际可 用的空中接口及其控制软件标准，用以实现来自不同生产厂商的便携计算机、移 动电话和其他设备之间的互通性。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 的名称来自一千多年前的一个丹麦皇帝的名字，他不仅 统一了丹麦，还为处于四分五裂的北欧地区的统一建立了不朽的功勋。为这项技 术命此名，想必也是希望蓝牙技术在未来的短距离无线通信领域中，成为不同设 备问无线连接的统一标准。 i i 2 蓝牙s i g 组织结构 蓝牙s i g ( s p e c i a l a t , r e s tg r o u p ) 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。自1 9 9 8 年成立s i g 以来，已经有 将近2 5 0 0 家信息产品生产厂家加入到这个组织，其中包括了计算机、通信和电 子行业的所有知名厂商。该组织由发起会员( p r o m o t e r ) 、合作会员( a s s o c i a t e m e m b e r ) 、和接受会员( a d o p t e r ) 三种会员组成。 另外，s i g 包括7 个委员会，即管制委员会、法律委员会、测试和互操作委 员会、管理业务委员会、结构检查委员会、市场开发委员会和认证检查委员会。 分别负责蓝牙知识产权、处理蓝牙协议结构定义与审查、管理蓝牙认证计划等事 务性工作。 蓝牙s i g 的文档有三种类型：一是协议( p r o t o c 0 1 ) ，规定蓝牙从无线层到最 高应用层的具体要求和内容；二是剖面( p r o f i l e ) ，规定某一具体应用在每个协 议层次使用的具体功能和过程；三是测试文档，描述协议和剖面实现的测试过程 和方法。蓝牙协议规范到目前为止，已有很多版本，在1 0 之前的版本都是草案， 之后的是正式版本。目前最新的蓝牙规范版本是2 0 版，本论文所介绍的蓝牙车 载免提系统，是按照1 1 版本蓝牙规范设计，其各项技术指标均符合1 1 版要求。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 蓝牙技术特点 1 2 1 概述 蓝牙无线技术是用于替代有线电缆或固定电子设备的短距离通信技术，目的 是取代现有的p c 、打印机、传真机、移动电话和家庭网关等设备上的有线接口。 主要特点是：可以随时随地用无线接口来代替有线电缆连接；具有很强的移植性， 可用于多种通信场合，如w a p 、g s m 、d e c - q 等；引入身份识别后可以灵活的 实现漫游；功耗低；人体危害小等等。 开发蓝牙的主要目的是在全世界实现一个短距离无线通信的标准，所以选择 一个能够被各个国家认可的频段是一个首要问题。蓝牙选择了不需运营许可的工 业一科学一医药( i s m ) 频段，在世界上的大多数国家，该频段是 2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 。蓝牙技术实现的最高数据传输速率为1 m b s ( 有效传输速率 为7 2 1k b s ) ，i i 类模块最大传输距离为l o 米，标准最大输出功率为l m w 。为 克服与同样工作在i s m 频段其他设备的干扰，蓝牙基带传输采用伪随机序列跳 频的方案。大多数国家在2 4 0 0 - - 2 4 8 3 5 m h z 的频段上分配了7 9 个跳频信道，每 个频道为1 m h z 带宽。( 少数国家，该频段为2 4 4 6 5 - 2 4 8 3 5 m h z ，分配2 3 个1 m h z 带宽的跳频信道。) 对于7 9 信道系统，下保护带是2 m h z ，上保护带是3 5 m h z 。 1 2 2 技术特点及优势 蓝牙技术构成固定与移动设备通讯环境中的个人网络，使得近距离各种信息 设备能够实现无缝资源共享。蓝牙技术主要具备以下一些技术特性i l j 。 1 成本低 为了能够替代一般电缆，它必须具备和一般电缆差不多的价格，这样才能被 广大普通消费者所接受，也才能使这项技术普及开来。蓝牙的最终目标是将专用 芯片价格控制到5 美元一片。目前，蓝牙芯片的价格虽有下降，但并未达到这个 目标，这既有蓝牙产品并未大规模普及的市场原因，也有技术原因。从技术角度 来看，蓝牙芯片集成了无线、基带和链路管理层功能，比较复杂。如果能采用软 件实现链路层管理功能，则芯片被简化，价格也会变得合理。 2 功耗低、体积小 蓝牙技术本来就是发展用于互连小型移动设备及其外设的，它的市场目标是 移动笔记本、移动电话、小型p d a 以及它们的外设，因此蓝牙芯片必须具有功 耗低、体积小的特点，以便于集成到小型便携设备中去。蓝牙产品输出功率很小 ( 只有1 t a w ) ，仅是微波炉使用功率的百万分之一，是移动电话的- d , 部分，而 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 且在这些输出中只有一小部分被物体吸收，根本检测不至温度的增加。 3 近距离通信 蓝牙技术通信距离为1 0 米，如果有需要的话，还可以选用功率放大器使其 扩展到1 0 0 米。这已经足够在办公室内任意摆放外围设备，而不用担心电缆长度 是否足够用。 4 安全性 同其他无线信号一样，蓝牙信号很容易被截取，因此蓝牙协议提供了认证和 加密，以实现链路级安全。蓝牙系统认证与加密服务由物理层提供，采用流密码 加密技术，适于硬件实现，密钥由高层软件管理。如果用户有更高级别的保密要 求，可以使用更高级、更有效的传输层和应用层安全机制。认证可以有效防止电 子欺骗以及不期望的访问，而加密则保护链路隐私。除此之外，跳频技术保密性 和蓝牙有限的传输范围也使得窃听变得困难。 然而，在提供链路级认证和加密的同时，也阻碍了一些公共性较强的用户友 好访问，比如用来识别某蓝牙设备所能提供的服务种类的服务发现访问和商业卡 虚拟交换等。因此，为了满足这些不同的要求，蓝牙协议定义了三种安全模式。 模式1 不提供安全保障，模式2 提供业务级安全，模式3 则提供链路级安全。 5 互操作性 互操作性是蓝牙产品的重要特性。只有实现互操作性，各大厂商之间的蓝牙 产品才能够互通。从理论上讲，只要通过产品一致性和互连性测试，互操作性问 题就可以得到解决。目前，蓝牙协议中许多互连性规范尚未推出，并且推出后其 测试完备性也需要一个过程。国际s i g 对蓝牙互操作性非常重视，因为它涉及到 蓝牙产品的进一步应用，各大公司接连不断的开会沟通、测试和试验，目的就是 使其产品具有互操作性。 6 能够传送语音和数据 蓝牙基带协议是电路交换和包交换的结合，使得该技术同时适合传送语音和 数据。蓝牙协议定义了两种类型的链路：异步的无连接( a c l ) 链路和同步的面 向连接( s c o ) 链路。在一对蓝牙单元之间，蓝牙协议只支持一个a c l 链路， 它一般用来传送数据，可以在任意的时隙内传输，支持对称的和非对称的、包交 换的、点到多点的连接。在对称连接的情况下，最大通信速率为双向的4 3 3 9 k b i t s ； 在非对称连接时，最大速率为正向的7 2 3 2 k b i t s ，反向5 7 6 k b w s 。在一对蓝牙单 元之间，蓝牙协议支持三个s c o 链路，它们一般用于传送语音，提供对称的、 电路交换的、点对点的连接，s c o 只能在规定的时隙内传输，每个s c o 链路的 速率为6 4 k b i t s 。语音编码方式采用p c m 或c v s d ( 连续可变斜率增量调制) ， 由用户选择。c v s d 方式抗干扰能力很强，即使在误码率达到4 时，仍然有可 天津大学硕士学位论文第一章绪论 以接受的语音质量。此外a c l 和s c o 可以同时工作，从而可以同时传送语音和 数据。 7 射频特性 蓝牙设备工作于i s m ( i n d u s 舾a l ，s d c n a n dm e d i c i n e ) 频段，在2 4 0 0 m h z 到2 4 8 3 5 旧z 之间，采用7 9 个l z 带宽的频点。i s m 频段是指用于工业、科 学和医学的全球公用频段。它包括9 0 2 9 2 8 m h z 和2 4 2 4 8 4 g h z 两个频段范 围，可以免费使用而不要申请。蓝牙采用时分全双工t d d ( t i m ed e v i s i o nd u p l e x ) 方式，调制方式为参数b t o 5 的高斯频移键控( g f s k ) ，调制指数为0 2 8 0 3 5 ， 最大发射功率分为三个等级，分别是功率级别l ，最大输出功率1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) ； 功率级别2 ，最大输出功率2 5 r o w ( 4 d b m ) 和功率级别3 ，最大输出功率l m w ( 0 d b m ) 。美国f c c 要求低于0 d b m ( 1 m w ) ，所以美国采用l m w ( 0 d b m ) 发 射功率。规定在4 2 0 d b m 范围内要求采用发射功率控制，所以蓝牙设备问的有 效通信距离为l o l o o m ，蓝牙天线部分十分小巧，重量轻，采用微带天线。 8 跳频技术 跳频技术是蓝牙使用的关键技术之一，对应于单时隙包，蓝牙的跳频速率为 每秒1 6 0 0 跳，对应多时隙包，跳频速率相应降低，但在建链时( 包括寻呼和查 询) 跳频速率可提高到每秒3 2 0 0 跳。采用这样高的跳频速率，利用扩频技术展 宽频带，使蓝牙系统具有足够的抗干扰能力。 跳频序列受控于蓝牙4 8 位的设备地址码( b da d d r ) 及2 7 位或者2 8 位 本地时钟信号，蓝牙跳频采用以多级蝶形运算为核心映射方案，该方案更有硬件 设备简单、性能优越、便于7 9 2 3 两种频段的兼容以及各种状态的跳频序列使用 统一的电路来实现等特点。 蓝牙系统的设备主要有两个工作状态：闲置状态和连接状态；7 个中问临时 状态：寻呼、寻呼扫描、查询、查询扫描、主设备回应、从设备回应和查询回应。 不同状态产生不同的跳频序列。 9 差错控制 为了提高通信的可靠性，抑制长距离链路的随机噪声，蓝牙协议采用了三种 纠错方案，即l 3 比例前向纠错( f e c ) 码；2 3 比例前向纠错( f e c ) 码；数据 的自动请求重发方案( a r q ) 。采用何种纠错方式，根据需要而定，但数据包报 头始终采用1 乃f e c 方式进行保护。另外，蓝牙还采用了c r c 校验。 1 0 网络特性 蓝牙支持点到点和点到多点的连接。蓝牙系统的网络拓扑结构首先是由最多 8 台独立的设备单元连成p i c o n e t ( 微微网) ，然后再由多个独立的、非同步的 p i c o n e t 组成一个独立的s c a t t e m e t ( 散射网) 。在p i c o n c t 内部，只有一个主单元， 天津大学硕士学位论文 第2 章绪论 其他都是从单元且最多只能有7 个，主单元利用其自身的时钟和跳频序列同步其 他的从单元。在p i c o n e t 内部，各设备拥有一个3 位二进制的活动成员地址相互 区分，组成s c a t t e m e t 后，各p i c o n e t 之间通过其不同的时钟和跳频序列相互区分。 蓝牙技术目前主要以满足美国的f c c 要求为目标。对于其他国家的应用， 需要做一些调整。蓝牙1 1 规范已公布的主要技术指标和系统参数如表1 - 1 所示。 表1 - 1 蓝牙技术指标与系统参数1 2 1 技术指示与系统参数说明 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 i t s 非同步信道速率 非对称连接7 2 1 k b i t s 、5 7 6 k b i t s ，对称连接4 3 2 6 k b i t s 同步信道速率 6 4 k b i t 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 r o w 跳频频率数7 9 个频点1 m h z 跳频速率1 6 0 0 姗 工作模式 p a r k ，h o i 。d s n i f f 数据连接方式面向连接业务s c o ，无连接业务a c l 纠错方式 1 3 f e c 2 3 f e c ，a r q 鉴权 采用质询一响应方式 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便斜率调制c v s d 发射距离一般可达1 0 m ，增加功率情况下可达1 0 0 m 1 2 3 蓝牙技术应用及市场前景 蓝牙技术的特性及优势决定了它主要应用在个人电子产品领域。蓝牙s i g 定 义了几种基本的应用模型，包括：文件传输、因特网网桥、局域网接入、同步、 三合一电话( t h r e e - i n - o n ep h o n e ) 、终极耳机等。 可提供的应用具体主要有以下几个方面： 1 ) 手机与计算机间的互连。目前市场上多数是通过k d a 红外或者r s - 2 3 2 串口线，用蓝牙来取而代之，不仅去除了电缆连接的束缚，而且资料传输的速 度也更快。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 2 ) 可作无绳电话使用。内置蓝牙芯片的手机，在家里可以当作无绳电话使 用，不用双向收费，节省手机费用。离开屋子一段距离后便自动切换至无线网 络基站上。 3 ) 实现数据共享，使办公更简易。无论手机、计算机、p d a 、打印机或是 数码相机、m p 3 播放器、c d 播放器都可以用蓝牙互传语音、文字、图像、 文件等等。蓝牙被广泛应用后，蜘蛛网似的会议室将不复存在，投影机等也都 可以利用蓝牙技术使操作自由化。 4 ) i n t e m e t 接入。内置蓝牙芯片的笔记本型计算机或手机，不仅可以使用 p s t n 、i s d n 、l a n 、x d s l ，而且蜂窝式移动网络照样可以进行高速连接。 5 ) 无线免提装置。笔记本型电脑具有话筒和扬声器，用蓝牙连接手机，多 人视频会议更为容易。而且手机免提也不再是汽车独有的了。 6 ) 资料同步。无论是在办公室或者是家里，通过蓝牙及相应的程序，与其 他设备同步。以使内部资料保持更新。 7 ) 影像传递。带有蓝牙功能的数码相机在拍摄完成后，影像传至手机可直 接送至世界上的任何一个角落。当然也可以直接将影像送入打印机，即拍即现。 8 ) 蓝牙还可以应用于键盘、鼠标、家庭网络、电子名片等。 蓝牙的应用如此广泛，可见，它有着广阔的市场空间。但是，它的市场前景 还取决于蓝牙的价格和基于蓝牙的应用是否能够成规模。根据蓝牙的定位，应该 通过一个体积小、成本低、能耗小、跳速快的单芯片来实现，只有低廉的价格才 能在现有的通信产品、家电产品和办公产品中引入蓝牙技术。近几年来，随着蓝 牙产品逐渐进入电子类产品市场，其应用已初具规模。但是，真正基于蓝牙特性 的应用还很少，这也将成为影响蓝牙市场发展的重要因素。不过，即使蓝牙市场 没有像预测的那样快速扩展，我们也不会对他的市场价值有任何怀疑，毕竟需求 才是影响市场的主要因素。 1 3 本课题的研究意义 手机已成为人们必不可少的通信工具，随着手机功能的不断扩展，手机与其 它个人电子设备之间的数据或语音通信变得越来越重要。繁复的线缆连接己不能 满足人们对简易快捷的追求时，蓝牙技术成为解决这一问题的最佳方案。蓝牙车 载免提装置便是其重要应用产品之一。 车载免提的应用是保证行车安全的重要措施之一，在很多国家，行车中通话 必须使用车载免提装置已成为法律条文中的规定。传统的车载免提装置包括一个 绝架，每个托架只能与某一特定的手机相对应。这就给用户带来了很大的麻烦， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 当用户手机升级或者更换新的手机时，不得不安装全新的车载免提系统，而这个 花销可能比手机的价格还要昂贵。另外，如果其他人用车时，手机型号与车内安 装的车载免提系统不对应，将无法进行免提通话。 蓝牙技术很好的解决了这一问题。作为最初构想的线缆取代技术，蓝牙用便 捷的无线连接取代手机的特定接口，从而进一步提高了其移动性、便携性和方便 性。任何一部带有蓝牙功能的手机都可以与同一个蓝牙车载免提装置连接使用， 去除了不同的手机只能与其对应的车载免提装置相匹配的烦扰。正是蓝牙接口的 规范性，第一次使原始汽车设备生产厂商能够直接把车载免提装置嵌入到汽车中 作为内置设备。可见，开发基于蓝牙技术的车载免提装置具有着创新性和社会实 用价值。 另外，随着蓝牙产业化的发展，蓝牙模块的成本较最初已大幅下跌，蓝牙产 品的价格更加市场化，容易被消费者认可。加之汽车的逐步普及和家庭化，蓝牙 车载免提装置的市场前景非常广阔，使得本课题更具有丰富的经济价值。 在蓝牙双模车载免提装置的实际开发过程中，本人完成的主要工作包括： 1 了解并熟悉蓝牙技术概况，蓝牙协议体系及应用剖面，分析蓝牙产品现状及 市场前景，根据其创新性和社会实用价值，选定本设计课题。 2 熟悉蓝牙开发平台c a s i r a ，对蓝牙模块设计选型，同时进行产品功能需求 分析，确定协议实现方案。 3 硬件电路设计，芯片选型，绘制p c b ，焊接元器件。 4 利用底层协议栈，编写上层应用程序，在主机上编译调试。 5 硬件电路调试，软件片上运行调试。 调试结果： 本蓝牙车载免提装置的基本功能均已实现。四键控制接听、挂断、静音等基 本操作，工作正常，两指示灯能正确指示系统的工作状态。通话过程中，语音清 晰，音量控制良好。 在调试的过程中，也出现了一些问题，对此，本文在最后做出了小结，提出 了应改进的地方。 本设计所实现的功能，基本满足初步的产品功能需求，只需在此基础上，确 定电源供电方案，替换体积较大的元器件，进一步完善应用程序，完成外形和结 构设计，便可以成为一种产品了。当然这也还是有大量的工作需要完成的，在这 里希望本车载免提装置在大家的继续努力下，能够真正成为产品上市，实现它的 社会价值。 天津大学硕士学位论文 第二章蓝牙协议体系结构 第二章蓝牙协议体系结构 蓝牙s i g 开发的蓝牙规范v 1 1 ，允许开发人员开发基于具有可互操作的无线 模块和数据通信协议的交互式服务和应用。本章主要对蓝牙规范v 1 1 中的协议 及各自的功能和相互关系进行概括性描述，同时，简要介绍蓝牙协议栈的基本构 成。 2 1 蓝牙协议栈 图2 - 1 完整的蓝牙协议栈 天津大学硕士学位论文 第二章蓝牙协议体系结构 蓝牙协议规范目标是允许遵循规范的应用能够进行相互间操作。为了实现互 操作，在远程设备上的对应应用程序必须以同一协议栈运行。下述协议列表就是 一个支持业务卡片交换应用的协议栈( 自顶向下) 的实例：v c a r d o b e x - - - r f c o 枷m l 2 c a p 一基带。该协议栈包括一个内部对象表示规则、v c a r d 、无线 传输协议和其它部分。不同的应用可运行于不同的协议栈。但是，无论什么样的 应用，都使用同一公共的蓝牙数据链路层和物理层协议。图2 1 所示为互操作应 用支持的蓝牙应用模型之上的完整蓝牙协议栈。 并不是所有应用程序都会利用到协议栈中的所有协议。某一应用往往只利用 协议栈中的一个或者几个纵向的切片，使用特定的服务需要支持相应的应用程 序。并且，协议栈中的某些附加垂直子集恰恰是用于支持主要应用的服务。例如， t c s ( 电话控制规范) 或s d p ( 服务发现协议) 等。实际上，图2 - 1 示意描述的 是当需要无线传输数据有效载荷是，利用其他协议服务过程中的协议间关系。这 些协议应具有与其他协议之间的关联。例如，一些协议( 如l 2 c a p 、t c s 二进 制等) 当需要对链路进行控制的时候，可以使用l m p ( 链路管理协议) 。 如图2 1 所示，整个蓝牙协议栈包括蓝牙指定协议( l m p 和l 2 c a p ) 和非 蓝牙指定协议( 如对象交换协议o b e x 和用户数据报协议) 。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。 2 2 蓝牙协议体系结构 蓝牙协议体系机构可分为四层，每层及相应的协议如表2 1 所示。 除表2 - 1 所示协议层以外，蓝牙规范还定义了主机控制接口( h c i ) ，它为基 带控制器、链路管理器提供一个命令接口，访问硬件状态和控制寄存器。在图 2 - 1 中，h c i 位于l 2 c a p 的下层，但在实际应用中，h c i 也可以位于l 2 c a p 之 上。 蓝牙核心协议由s i g 指定的蓝牙指定协议组成，绝大部分蓝牙设备都需要核 心协议，而其他协议则根据应用的需要而定。 天津大学硕士学位论文 第二章蓝牙协议体系结构 表2 - 1 蓝牙体系中协议及分层嗍 电缆替代协议层、电话控制协议层和其他协议层组成了面向应用的协议，从 而使各种应用可以在蓝牙核心协议上运行。由于蓝牙技术标准是开放的，诸如超 文本传输协议( h ，r i p ) 、文本传输协议( f t p ) 等一些附加的协议，既能以互操 作的形式在蓝牙技术标准的传输协议上运行，也可以位于面向应用的协议之上， 如图2 1 所示。 下面将分别介绍协议体系结构中的各个协议。 2 2 1 蓝牙核心协议 2 2 1 1 基带协议( b b ) 基带协议确保各个蓝牙设备之间的物理射频连接，以形成微微网。蓝牙的射 频系统使用跳频和扩频技术，其任一分组在指定时隙通过指定频率进行发送，这 层使用查询( i n q u i r y ) 和呼叫( p a g e ) 进程来同步不同设备间的传输跳频频率和 时钟。 基带相对应的基带数据分组提供两种不同的物理链路：同步面向连接( s c o ) 和异步无连接( a c l ) ，其中a c l 可以在同一个射频系统中采用多路技术的方式 天津大学硕士学位论文 第二章蓝牙协议体系结构 进行传输。a c l 只能传输数据分组；而s c o 既能传输语音分组( 采用c v s d 编 码) ，也能传输数据分组。所有的语音和数据分组都附有不同级别的前向纠错 ( f b c ) 或循环冗余校验( c i 屺) 编码，并可以进行加密，以保证可靠传输。另 外，对于链路管理信息和控制信息分别分配一个特殊的传输信道。 包含语音数据的分组可以使用不同的应用模型在一个或多个蓝牙设备上传 输。s c o 分组中的话音数据与基带有直接通路，而不需要通过l 2 c a p 。话音模 型在蓝牙规范中相对简单，任意两个蓝牙设备仅通过开通一条话音链路，就可以 相互发送和接收话音数据。 2 2 12 链路管理协议( l m p ) 链路管理协议不但负责蓝牙各设备间链路的建立和控制，还用于安全方面的 鉴权和加密；另外，还可以控制无线部分的能量模式和工作周期、微微网内的各 设备的连接状态。 每个设备上的链路管理器( u ) 利用l m p 协商彼此之间蓝牙空中接口的特 性。其中包括带宽的分配，设备间协商确定基带数据分组的大小，通过支持适配 协议数据业务所需的服务级以及保留的周期性带宽，来支持话音通信业务。通信 设备上的蓝牙l m p 利用“竞争响应”的方式对设备进行鉴权，产生、交换、核 实链路和加密连接密钥，以进行身份认证和加密等安全措施。在必要时，对l m 监控设备的配对和对设备之间空中接口上的数据流加密，其中配对是通过产生和 存储连接密钥来建立起设备之间的相互信任关系，为以后的设备鉴权做准备。如 果鉴权失败，l m 将切断设备间的链路，以禁止设备间的任何通信。l m 还支持 能量控制，通过交换彼此间的参数信息( 例如低活动性基带模式的周期) 来协商 低活动性基带运行方式，从而控制功耗。 接收端的链路管理器对l m p 消息进行过滤和解释，从而它们不会向上层传 递。因为l m p 消息的优先权大于用户数据，所以如果一个链路管理器需要发送 一条消息，不会被l 2 c a p 话务延迟。另外，逻辑信道通过了一个可靠的链路， 所以使得l m p 消息不需要被普遍公认。 2 2 1 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完成基带与高层协议间的适配，并通过协议复用、 分割及重组操作为高层提供数据业务和分类提取。来自数据应用的通信信号首先 通过l 2 c a p ，l 2 c a p 层屏蔽了高层协议和应用层与低层传输协议之间的关联。 因此，高层协议不需要知道在无线电波和基带上的调频序列，也不需要知道在蓝 牙接口中传输的特殊的分组格式。l 2 c a p 支持协议复用，允许多个协议和应用 天津大学硕士学位论文 第二章蓝牙协议体系结构 共享空中接口，它支持分组的分割和重组，将高层使用的大分组分割成适合于基 带传输的小分组，在设备接收端又将这些小分组重组。最后，两个对等设备上的 l 2 c a p 层通过协商达成一个双方都能接受的业务等级，并能维护和保持此业务 级别。基于要求的业务等级，一个l 2 c a p 的使用既能行使允许新的通信信号进 入的控制权，同时与低层协调，以保持所需的业务等级。 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，l 2 c a p 将采用多路技术、数据 分组分割和重组技术、群提取技术以及服务质量等，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 两种连接类型，但是l 2 c a p 只支持a c l ，并允许 高层协议以每秒6 4 k 字节的速率收发数据分组。话音和电话应用的语音质量信 道通常在基带s c o 链路上运行，然而话音数据可以打包并使用通信协议在 l 2 c a p 上进行传输。 2 2 1 4 服务发现协议( s d p ) 服务发现协议( s d p ) 是蓝牙技术框架中非常重要的一个部分，它是所有应 用模型的基础。任一蓝牙应用模型的实现都是利用某些服务的结果。在设备之间 组网的基本动机就是使这些设备相互通信，并获得彼此的服务。多数情况下传统 网络的客户机通过一些静态设置确定这些网络业务的位置，如以太网通过服务器 在网络中提供文件传输、打印、命名、网桥和网关服务，供客户使用。客户机的 设置是由系统管理员建立并维护的，而对于蓝牙无线通信来说，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。如 果这些设备要能够相互利用彼此问的业务，就需要确定这些业务位置的动态方 式。一旦建立起条通信信道，就能够找到需要的业务。这就是蓝牙服务发现协 议的功能。 使用s d p ，可以查询到设备信息、服务和服务类型。在对邻近的可获得的服 务定位以后，蓝牙设备才能建立连接。s d p 是在动态网中发觉终端用户使用价值 的重要环节。蓝牙s d p 是专门为使用蓝牙无线通信的环境设计的，以有效和优 化的方式执行该项功能。s d p 支持三种查询方式：按服务类别搜寻、按服务属性 搜寻和业务浏览。 2 2 2 电缆替代协议( 串口仿真r f c o m m ) 为了便于蓝牙无线链路在串行通信中的使用，蓝牙协议栈定义了被称为替代 电缆协议的串口仿真协议( r f c o m m ) 。r f c o m m 表示的是一个虚拟串口，它 将很容易地实现由具有电缆的串行应用模型向无线串行通信领域的转移。而 天津大学硕士学位论文 第二章蓝牙协议体系结构 r f c o m m 的应用类是与标准的有线串口所能实现的应用，例如同步、拨号上网 及其他不需要作重大改动的应用。因此r f c o m m 协议的内容就是使那些遗留 的、基于串口的应用使用蓝牙方式传输。 r f c o m m 是基于欧洲电信联盟技术标准e t s l 0 7 1 0 规范的串口仿真协议， 此标准还用于g s m 通信设备，此标准定义了在一条串行链路上的多路复用串行 通信。r f c o m m 协议在l 2 c a p 协议上提供r s - 2 3 2 串口仿真。这个。替代电缆” 的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( o b e x ) 提供服务。r f c o m m 支持使用设备串口的应用，在简单 应用下，就是两个设备之间的蓝牙通信链路，如图2 - 2 所示。当和另一网络通信 时，蓝牙可用于一个设备和一个网络连接设备( 如调制解调器) 的连接。对于以 上两种情况，r f c o m m 只涉及到蓝牙设备之间的连接，或者是蓝牙设备和调制 解调器的连接，r f c o m m 还支持其他配置，比如在一段通过蓝牙无线技术通信， 而另一端提供一个有线接口，如图2 - 3 所示。这些设备不是真正的调制解调器， 却能提供类似的服务。比如一个蓝牙的局域网接入点，手持设备可以通过它连接 到公共网络上。因为串行通信在数字设备中的使用相当普遍，所以r f c o m m 提 供的串口功能使之成为协议栈的重要组成部分。 蘸牙设备a 拦i 舻 蘸牙设簧8 图2 - 2r f c o m m 用于蓝牙设备之间的直接连接 蓝牙设备a篮牙设餐b 设备c ( 光蘸牙功能) 图2 3r f c o m m 用于蓝牙设备( 如p d a ) 通过蓝牙接入点与非蓝牙设备 ( 网络集线器) 连接 天津大学硕士学位论文 第二章蓝牙协议体系结构 2 2 3 电话控制协议( t c s ) 电话控制协议( t c s ) 包括二元电话控制协议( t c sb i n a r y ) 和电话控制a t 命令集两部分。 二元电话控制协议( t c sb h 埘- y ) 是蓝牙s i g 基于国际电联的删t o 9 3 l 标准开发的面向比特的协议，定义了蓝牙设备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 信令是蓝牙s i g 根据r r u 删：2 5 0 和e t s l 3 0 0 - 9 1 6 ( g s m 7 0 0 7 ) 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 命令做出限定。 2 2 a 可选协议 可选协议是根据具体应