（通信与信息系统专业论文）嵌入式无线传输协议及其在ihome系统中应用的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 本课题是国家“十五”科技攻关项目“基于b l u e t o o t h 技术的无线接入系统”、江 苏省“十五”重大科技攻关项目“c d m a 无线接入系统”和国家高技术研究发展计划 ( 8 6 3 计划) “家庭网络核心s o c 平台和整体解决方案”研究内容之一，其主要任务是研 究和实现基于蓝牙技术的高速无线接入系统的拓展应用，以及将蓝牙技术和信息家电、 嵌入式技术相结合，研究并实现信息家电规范中的家庭控制子网。 作者对蓝牙单芯片、双芯片嵌入式应用和实现进行了分析和研究，项目组开发的 嵌入式蓝牙产品已应用在无线数据传输、无线医疗监控等领域，并取得了用户的认可 和好评。作者参与了信息产业部家庭控制子网通信协议规范的修改和验证工作，提出 了基于蓝牙的家庭控制子网的组网方式和u d c p 应用层协议，并且用嵌入式蓝牙设备 实现了提出的蓝牙家庭控制子网协议，验证了该方案的实用性。 全文分为六章。第一章介绍课题内容，课题背景以及本论文章节安排。第二章系 统地介绍了蓝牙技术特点、蓝牙技术应用领域、嵌入式系统的特点与开发、信息家电 和蓝牙技术的结合。第三章介绍了蓝牙串口替代模型和单芯片嵌入式c s r 蓝牙开发平 台，并给出基于串口替代模型的蓝牙点对点与点对多点数据传输模块的开发和应用。 第四章介绍蓝牙局域网接入模型( l a p ) 和原有l a p 在p c 平台下和基于m c f 5 2 7 2 嵌入式平台下的双芯片蓝牙网关实现。然后给出这两个平台下的l a p 蓝牙网关性能分 析和提高的具体实现，以及在医疗监护系统中的综合应用。第五章介绍了为信息产业 部家庭控制予网通信协议规范所做的修改和验证工作，尤其是其中的无线m a c 层部 分，并分析了该控制予网通信协议的特点，提出了基于蓝牙设备的信息家电模型的设 计与考虑。第六章实现了蓝牙信息家电控制子网的验证演示系统，并详细给出了蓝牙 信息家电控制子网中嵌入式网关、信息家电、移动控制终端的设计。 关键词：蓝牙技术嵌入式局域网接入信息家电 第1 页 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho f t h et h e s i si ss u p p o r t e db yt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to f1 0 t hf i v e - y e a r - p l a n i n c h i n a ( 2 0 0 1b a10 2 c ) ，s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yk e yp r o j e c to f 10 t hf i v e y e a r p l a ni n j i a n g s u ( b g 2 0 0 0 0 0 8 ) a n dn a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp l a n ( 2 0 0 3 a a l z l 11 0 1 t h em a i nt a s ko ft h i st h e s i si st or e s e a r c ha n di m p l e m e n tt h ee x t e n da p p l i c a t i o no fb l u e t o o t ha c c e s s s y s t e m ，c o m b i n eb l u e t o o t ha n di a ，e m b e d e dt e c h n o l o g yt oc o n s t r u c ts u bh o m en e t w o r k t h et h e s i sg i v e s t h ea n a l y s i sa n di m p l e m e n t a t i o no ft h ea p p l i c a t i o n sb a s e do nb o t hb l u e t o o t ht w o - p r o c e s s o ra r c h i t e c t u r e a n do n e p r o c e s s o ra r c h i t e c t u r e t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e st h ed e s i g na n dv a l i d a t i o no f s u bh o m en e t w o r k p r o t o c o lf o rn a t i o n a ld e p a r t m e n to fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y ，t h et h e s i sp u t sf o r w a r ds u bh o m en e t w o r k p r o t o c o lb a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n di m p l e m e n ts u bh o m en e t w o r kt e s t i f ys y s t e m t h ew h o l et h e s i si sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r sa sf o l l o w s f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n da n dp r o d u c t i o no fs t u d yi s i n t r o d u c e dt h e n ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h e a l u e t o o t hi sg i v e n ，e m b e d e ds y s t e ma n di h o m et e c h n o l o g y t h i r d l y , t h eb l u e t o o t hs p pp r o f i l ea n dc s r ) l u e t o o t ho n e p r o c e s s o ra r c h i t e c t u r es y s t e ma r ed i s c u s s e d t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fb l u e t o o t h t a r at r a n s f e rm o d u l ei sa l s og i v e n ， a f t e rt h a ts t r u c t u r e ，b l u e t o o t hl a pp r o f i l ea n di m p l e m e n t i o no fl a pb o t ho np ca n dm c f 5 2 7 2a r e t e l i n e a t e d t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s ea n dp r o m o t i o ni m p l e m e n ta r ed i s c u s s e d ，a n da p p l i c a t i o ni nm e d i c a l ：a r ef i e l d t h e n ，h o m es u b n e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ln o tb a s e do nb l u e t o o t hi si n t r o d u c e d ：s p e c i a l l yt h ew i r e l e s sm a cp r o t o c o lo fi t a f t e rc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g ，t h es u bh o m en e t w o r k i r o t o c o lb a s e do nb l u e t o o t hi sp u tf o r w a r d f i n a l l y , t h ei m p l e m e n to ft h i sb l u e t o o t hh o m es u b n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o ld e m o s t r a t i o n y s t e mi si n t r o d u c e d ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ei m p l e m e n t i o no fa p , i a ，i a cw h i c hb u i l d u ph o m e ；u b n e t w o r ka r ea l s od e s c r i b e dj nd e t a i l s k e y w o r d ：b l u e t t o t h e m b e d e dl a p【a 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 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。 签名：啦务日期：立旦盟垒 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被鸯 阅和借阅，可以公4 1 i ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名： 导师签名盟日期：p 卯年乡! 第一章概述 第一章绪论 随着计算机网络和个人移动通信技术的迅猛发展，功能强大的便携式数据终端以 及多媒体终端的广泛应用，为无线网络的发展提供了应用环境。计算机网络由有线向 无线、由固定向移动、由单一业务向多媒体发展，并要求在任何时间和任何地点都能 为任何人实现信息服务，已成为通信发展的主流趋势。小范围个人移动通信技术可以 在小范围内将各种移动通信设备、固定通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数 据系统( 例如数字照相机、数字摄像机，p d a 等) 甚至各种家用电器，使用一种廉价的 无线方式连接起来，实现这些设备之间信息的交互。它涉及到的设备面广量大，容易 形成新的经济增长点，有着巨大的市场潜力，对社会经济的发展和人们生活水平的提高 都具有重要意义。 随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生 活紧密结合。蓝牙设备体积小、功耗低、成本低的特点使其被广泛地应用在嵌入式平 台上，各种各样的基于蓝牙技术的嵌入式产品层出不穷。今后，这样的应用可能会无 所不在，人们的日常生活中将会有许多这样的产品，它们与所有电子信息、电气设备 构成无线网络，可以真正实现把网络随身携带。 蓝牙技术是由爱立信、诺基亚、i b m 、东芝、英特尔等五大公司发起，目标是提 供一种全球范围内通用的短距离无线接入标准。它工作在2 4 g h z 开放频段，采用短包 和快跳频的技术，具有很强的抗干扰能力。蓝牙技术可同时支持数据、音频、视频信 号，使用分组交换和电路交换的混合方式。在蓝牙设备组成的一个微微网中最多可有 七个处于连接状态的从设备。 基于蓝牙技术的接入设备可以使蓝牙终端设备以无线的方式访问外部网络服务， 并且接受外部网络的控制，而且蓝牙设备之间组成一个无线网络。它为家庭和办公室 环境内的各种笔记本电脑、p d a ，语音数据终端等动态地接入传统计算机和电话网络 提供了极大的方便，也为个人终端间的临时组网、资源共享提供了一种廉价、高效的 解决方案。我们大胆的预测，能够自组织成无线网络，接入外部网络，接受外部网络 控制将成为未来嵌入式的信息家电设备的必备功能。网络家电产品带动了智能家庭、 智能小区等相关产业的发展，具有很好的市场前景和利益回报。由于网络家电产品很 高的技术含量和巨大的市场潜力，已经成为家电行业提升企业知名度和高端产品的发 展战略之一。 本论文完成的工作在时间上属于是国家“十五”科技攻关项目“基于b l u e t o o t h 技 术的无线接入系统”的拓展应用阶段和国家8 6 3 项目“家庭网络核心s o c 平台和整体 解决方案”的预研阶段。在技术上具有嵌入式蓝牙和信息家电结合的特点。本文作者 主要完成了以下工作： ( 1 ) 研究单芯片嵌入式蓝牙设备的开发和在特殊行业的数据传输应用，作者负责 通用蓝牙模块软件研制工作。 第1 页 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 研究双芯片的蓝牙数据接入( l a n a p ) 系统，分析并改进了实验室原有系 统性能的瓶颈，使基于p c 平台和嵌入式的l a n a p 速度大幅度提高。将双芯片和单芯 片嵌入式蓝牙设备结合应用于医疗监护领域，在与上海无线研发中心合作项目中取得 良好的实际效果。 ( 3 ) 研究信息家电的协议，参与了信息产业部家庭网络系统技术规范中家庭 控制子网通信协议规范的制定和验证。 ( 4 ) 提出了改进的基于蓝牙的信息家电家庭控制子网的组网方式和应用层协议， 并且用嵌入式蓝牙方案实现了家庭控制子网，其中包括子网网关，信息家电设备，移 动控制终端。 本论文共分六章，各章的主要内容如下： 第一章绪论。介绍课题内容，课题背景以及本论文章节安排。 第二章蓝牙技术及嵌入式系统概述。首先介绍蓝牙技术的特点、系统标准、协议 体系和主要的蓝牙应用场景。其次，介绍嵌入式系统的概念、技术特点、开发的过程 以及嵌入式系统的应用。最后介绍信息家电和蓝牙技术结合的特点和发展趋势。 第三章单芯片蓝牙方案的实现和应用。本章描述了蓝牙串口替代模型和单芯片嵌 入式c s r 蓝牙开发平台，给出基于串口替代模型的蓝牙点对点与点对多点数据传输模 块的设计与与实现。 第四章双芯片a p 蓝牙网关的性能提高与应用。本章先介绍蓝牙局域网接入模型， 分析了原有p c 平台下和基于m c f 5 2 7 2 嵌入式平台下的双芯片a p 蓝牙网关实现原理 和性能改进方法，设计实现了这两个平台下的a p 蓝牙网关速率性能的大幅度提高。最 后给出双芯片a p 蓝牙网关与单芯片蓝牙模块在医疗监护系统中的综合应用实例。 第五章基于蓝牙的信息家电模型设计。依托信息产业部“家庭信息化网络技术体 系结构及产品开发平台”项目，完善家庭控制子网通信协议规范设计，重点在m a c 层 的设计实现，分析了该协议的特点并提出基于蓝牙技术的信息家电控制子网模型设计 方案。 第六章嵌入式信息家电子网的实现。作为论文提出的基于蓝牙技术的信息家电控 制子网模型的方案验证，技术实现上选用嵌入式蓝牙设备完成家电控制子网的主要功 能，本章较完整地介绍了信息家电子网中网关、信息家电、移动控制终端的具体实现 技术。 第2 页 第二章蓝牙技术以及嵌入式系统概述 第二章蓝牙技术以及嵌入式系统概述 本章介绍论文的主要技术和应用背景。主要有蓝牙技术的特点、系统标准、协议 体系和主要的蓝牙应用：嵌入式系统的概念、技术特点、开发过程以及嵌入式系统应 用。讨论了信息家电和无线技术尤其是蓝牙技术结合的特点和发展趋势。 2 。1 蓝牙系统的技术特点 ( 1 ) 射频特性1 1 】 蓝牙设备工作在2 4g h z 的i s m 频段，在大多数国家为2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z ，使用 7 9 或2 3 个频道，频道间隔均为1m h z ；采用时分双工( t d d ，t i m ed i v i s i o n d u p l e x ) 方式：调制方式为b t = o 5 的g f s k ，调制指数为o 2 8 0 3 5 ；最大发射功率分为三个 等级，分别是：1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) ，2 5 m w ( 4 d b m ) 和l m w ( 0 d b m ) ，在4 2 0 d b m 范围 内要求采用功率控制，由此可见，蓝牙考虑的最大通信距离大约为1 0 1 0 0 米。 ( 2 ) t d m a 结构 到1 1 版本，蓝牙的基带符号速率仍为1 m b s ，采用数据包的形式按时隙传送，每 时隙0 6 2 5 1 a s 。1 2 版本将使用更高的符号速率。 ( 3 ) 提供的服务 蓝牙支持6 4 k b s 的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音编码采用对数p c m 或连续可变斜率增量调制( c v s d ，c o n t i n u o u s v a r i a b l es l o p ed e l t a m o d u l a t i o n ) 【3 。语 音和数据可单独或同时传输。当仅传输语音时，蓝牙设备最多可同时支持3 路全双工 的话音通信。 ( 4 ) 跳频技术f 4 l 跳频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1 6 0 0 跳每 秒；对应于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时( 包括寻呼和查询) 则提高为3 2 0 0 跳每秒。使用这样高的跳频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰潜力和多址能力。蓝 牙系统的设备有两个主要工作状态：守候状态和连接状态；七个中间临时状态：寻呼、 寻呼扫描、查询、查询扫描、主设备响应、从设备响应和查询响应。不同状态产生不 同的跳频序列。 ( 5 ) 设备的组网及其工作状态 蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线链接。在任意一个有效通信范 围内，所有设备的地位都是平等的。首先提出通信要求的设备称为主设备( m a s t e r ) ，被 动进行通信的设备称为从设备( s l a v e ) 。利用t d m a ，一个m a s t e r 最多可同时与7 个s l a v e 进行通信并和多个s l a v e 保持同步但不通信。一个m a s t e r 和一个以上的s l a v e 构成的网 络称为蓝牙的主从网络口i c o n e t ) 。若两个以上的p i c o n e t 之间存在着设备间的通信，则 构成了蓝牙的分散网络( s c a t t e m e t ) 。基于t d m a 原理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙 设备在p i c o n e t 和s c a t t e m e t 中，既可作m a s t e r ，又可作s l a v e ，还可同时既是m a s t e r 又是s l a v e 。蓝牙中没有基站的概念，是典型的a dh o e 网络。 ( 6 ) 全球范围内的工作 蓝牙的基本出发点是使其设备能够在全球范围内应用于任意的小范围通信。任一 第3 页 东南大学硕士学位论文 蓝牙设备，都可根据i e e e8 0 2 标准得到一个唯一的4 8 - b i t 的b d _ a d d r ，它是一个公 开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。在b da d d r 基础上，使用一些性能良 好的算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码( i d ，i d e n t i f i c a t i o n ) 在全球 的唯一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。 ( 7 ) 软件的层次结构 和许多通信系统一样，蓝牙的通信协议采用层次结构。其底层为各类应用所通用， 高层则视具体应用而有所不同，大体上分为计算机背景和非计算机背景两种方式。前 者通过主机控制接d ( h c i h o s tc o n t r o li n t e r f a c e ) 实现高、低层的联接，后者则以嵌入 式应用为典型可不用h c i 。图2 1 给出了它的一种协议体系，从中可以看出，这种层 次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。 2 2 蓝牙技术的广泛应用 根据通信协议，各种蓝牙设备在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其 它蓝牙设备，从而构成网络，实现系统提供的各种功能。目前，蓝牙的标准提供了如 下多种应用：一般接入，服务发现协议，无绳电话，对讲系统，串口，耳机，拨号网 络，传真，局域网访问，通用对象交换，对象推入，文件传输，同步应用等。由此可 幽2 1监牙的协议体系 + 表示第三方协议 见，蓝牙可使蜂窝电话系统、无绳通信系统、无线局域网和因特网等现有网络增添新 功能，使各类计算机、传真机、打印机乃至各种室内电子、信息和电器设备增添了无 线传输和组网的功能，应用空间极为广阔。跳频、t d d 和t d m a 等技术的使用使得蓝牙 的射频电路较为简单，通信协议的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。可以预计，蓝牙产品将会较快地和如 第4 页 第二章蓝牙技术以及嵌入式系统概述 下设备或系统融为一体：各种电话系统，车载通信设备，无线电缆和w l a n ，无线公文 包，各类数字电子设备，电子商务，信息家电，工业控制，智能化建筑物，各种特殊 场合应用等。 2 3 嵌入式系统的技术特点 1 9 7 0 年左右出现了嵌入式系统的概念，此时的嵌入式系统很多都没有操作系统， 它们只是为了实现某个控制功能，通过一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处 理。当应用系统越来越复杂，利用的范围越来越广泛的时候，每添加一项新功能都可 能需要从头开始设计，没有操作系统已成为一个最大的缺点了。 c 语言的出现使操作系统开发变得简单。从上世纪八十年代出现各种各样的商用嵌 入式操作系统百家争鸣的局面，比较著名的有v x w o r k s ，p s o s 和w i n d o w sc e 等等，这 些操作系统大部分都是为专有系统而开发。另外，源代码开放的嵌入式l i n u x 由于其 强大的网络功能和低成本，近来也得到了越来越多的应用【5 】。 嵌入式系统的运行环境和应用场合决定了嵌入式系统具有区别于其它系统的一些 特点。 2 3 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器可以分为三类：嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式d s p 。嵌 入式微处理器就是和通用计算机的微处理器对应的c p u 。在应用中，一般是将微处理器 装配在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能f 6 j 。目前的嵌入式处 理器主要包括有p o w e r p c 、m o t o r o l a6 8 0 0 0 、a r m 系列等等。嵌入式微控制器又称为单 片机，它将c p u 、存储器( 少量的r a m 、r o m ) 和其他外设包含在同一片集成电路里。 常见的有5 l 系列单片极。嵌入式d s p 专门设计用来实现快速的离散时间信号处理计算， 提高了编译效率和执行速度。 2 3 2 微内核结构 大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能，比如：任务 的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等。其他的应用组件比如网络 功能、文件系统、g u i 系统等均工作在用户念，以系统进程或函数调用的方式工作。因 而系统都是可裁减的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。 2 3 3 多任务 在嵌入式系统中，任务即线程，大多数的嵌入式操作系统支持多任务。每个任务 都是整个应用的某一部分，被赋予一定的优先级，有它自己的一套c p u 寄存器和自己 的栈空间。每个任务都处在以下5 种状态之一：休眠态、就绪态、运行态、挂起念和 被中断态i 7j 。休眠态相当于该任务驻留在内存中，但并不被多任务内核所调度。就绪态 意味着浚任务已经准备好，可以运行了，但由于该任务的优先级比正在运行的任务优 先级低，暂时还不能运行。处于运行态的任务是指浚任务掌握了c p u 的控制权，正在 运行中。挂起状态指该任务在等待某一事件的发生。当发生中断时，c p u 提供相应的中 第5 页 尔南大学硕士学位论文 断服务，原来正在运行的任务暂不能运行，就进入了被中断状态。 2 3 4 任务调度 在嵌入式系统中，多任务运行的实现实际是靠c p u 在多个任务之间切换、调度。 每个任务都有其优先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。任务的调度有三种 方式：可抢占式调度、不可抢占式调度和时间片轮番调度。 2 。3 5 硬实时和软实时 有些嵌入式系统对时间的要求较高，称之为实时系统。有两种类型的实时系统： 硬实时系统和软实时系统。硬实时系统对系统响应时间有严格要求，一旦系统响应时 间不能满足，就可能会引起系统崩溃或致命的错误，一般在工业控制中应用较多。软 实时系统并不限定某一任务必须在一定的时间内完成，只要求各任务运行得越快越好。 2 3 6 中断 中断是一种硬件机制，用于通知c p u 异步事件的发生。中断一旦被识别，c p u 保存 部分或全部上下文即部分或全部寄存器的内容，再跳转到专门的子程序，即中断服务 子程序。在嵌入式实时操作系统中，对中断延迟、中断响应时间、中断恢复时间均有 较严格的规定。 2 4 嵌入式系统开发相关技术 相对于在w i n d o w s 环境下丌发应用程序而言，嵌入式系统开发有着很多的不同。不 同的硬件平台和操作系统带来了许多附加的开发复杂性。 2 4 1 嵌入式开发过程 在嵌入式开发过程中有宿主机和目标机的角色之分，宿主机是执行编译、链接、 定址过程的计算机，目标机指运行嵌入式软件的硬件平台。首先需把应用程序转换成 可以在目标机上运行的二进制代码。这过程包含三个步骤：编译、链接、定址。编 译过程由交叉编译器实现。图2 2 说明了上述的嵌入式软件开发过程。 嵌入式开发过程中另一个重要的步骤是调试目标机上的应用程序。嵌入式调试采 用交叉调试器，一般采用宿主机一目标机的调试方式，它们之间由串行线或以太网或 b d m 线相连。交叉调试有任务级、源码级和汇编级的调试，调试时需将宿主机上的应用 程序和操作系统内核下载到目标机的r a m 中或直接烧录到目标机的r o m 中。目标监控 器是调试器对目标机上运行的应用程序进行控制的代理( d e b u g g e ra g e n t ) ，事先被固 化在目标机的f l a s h 、r o m 中，在目标机上电后自动启动，并等待宿主机方的调试器发 来的命令，配合调试器完成应用程序的下载、运行和基本的调试功能，将调试信息返 回给宿主机。 第6 页 第二章蓝牙技术以及嵌入式系统概述 图2 2 嵌入式软件开发过程 2 4 2 嵌入式软件代码优化 嵌入式系统对应用软件质量要求更高，因而在嵌入式开发中尤其需注意对代码进 行优化，尽可能地提高代码的效率，减少代码的大小。虽然现代c 和c + + 编译器都提供 了一定程度的代码优化，但大部分由编译器执行的优化技术仅涉及执行速度和代码大 小的平衡，不可能使程序既快又小。因而必须在编写嵌入式软件时采取必要的措施。 ( 1 ) 提高代码的效率 ( 2 ) 减小代码的大小 ( 3 ) 避免内存泄漏 2 5 嵌入式系统的广泛应用 嵌入式系统的应用前景是非常广泛的，人们将会无时无处不接触到嵌入式产品， 从家里的洗衣机、电冰箱，到作为交通工具的自行车、小汽车，到办公室里的远程会 议系统等等。 智能家居网络( i h o m e ) 指在一个家居中建立一个通信网络，为家庭信息提供必 要的通路，在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有 家庭网络上家电和设备的控制和监测。其网络结构的组成必然有家庭网关，家庭网关 主要实现控制网络和信息网络的信号综合，并与外界接口，以便进行远程控制和信息 交换。不论是网关还是各种家电上的控制模块，都是一个具有通信功能的嵌入式系统。 以蓝牙为代表的小范围无线接入协议与嵌入式系统的结合必将推动嵌入式系统的 广泛应用。近来，基于这些协议的嵌入式产品层出不穷，包括各种电话系统、无线公 文包、各类数字电子设备、以及在电子商务中的应用。这些产品以其微型化和低成本 的特点为它们在家庭和办公室自动化、电子商务、工业控制、智能化建筑物和各种特 第7 页 东南大学硕士学位论文 殊场合的应用开辟了广阔的前景。 2 6 本章小结 本章重点介绍了蓝牙系统的技术特点和应用以及嵌入式系统的特点、嵌入式产品 的开发和应用。其实，嵌入式系统开发和以前从事的开发工作实质上并无区别，唯一 改变的是每个硬件平台都是独特的，这一个不同点导致了许多附加的开发复杂性，因 而，在嵌入式开发过程中要格外注意软件创建过程。而且，在开发嵌入式产品之前要 对选用的嵌入式硬件平台有较多的了解，具备相应的硬件知识，和硬件工程师密切配 合：在选用嵌入式操作系统和硬件平台时要综合应用的需要以及成本等方面的考虑选 择合适的系统和平台。 在科技快速发展的今天，嵌入式产品将会越来越多地被广泛应用。我们相信，只 要遵循嵌入式产品的开发规律，适应市场的需求，就一定能开发出越来越多的嵌入式 产品。而且，在小范围无线通信技术1 3 益成熟的今天，基于此类技术的嵌入式产品必 将越来越深入地影响我们的生活，带给我们更多的便利。 第8 页 第三章单芯片蓝牙方案的实现和应用 第三章单芯片蓝牙方案的实现和应用 在第三章中，首先介绍在蓝牙数据传输应用中常用的蓝牙串口替代模型。然后介 绍单芯片嵌入式c s r 蓝牙开发平台，最后给出基于串口替代模型的单芯片蓝牙点对点 与点对多点数据传输模块的开发和应用。 3 1 蓝牙应用剖面 蓝牙标准中为基本的应用定义了一系列的应用规范，也称为应用模型( 或者剖面 p r o f i l e s ) 。在这些模型中定义了蓝牙协议中消息与过程( 通常称为能力) 的一个子集， 对使用特定服务过程中的空中接口给出了确切描述。所有定义的特性都是面向过程的。 也就是说对于某一应用，它将以特定的流程使用，并且具备标准的功能。蓝牙协议定 义应用模型的目的在于： ( 1 ) 定义蓝牙目前的基本应用场合 ( 2 ) 定义蓝牙应用的空中接口及操作过程 ( 3 ) 应用模型中的规定是最终产品进行认证的内容 ( 4 ) 保证最终蓝牙应用相关产品的互用性及兼容性 如果一个蓝牙产品的制造商声称产品符合某个应用模型或者几个应用模型，则必 须支持模型中所规定的必备功能( 过程命令) 、可选功能、条件功能。所有被指定支持 的必须功能、可选功能、条件功能都将作为蓝牙认证程序的验证项目。如果由不同厂 商生产的设备都遵循这些模型中的规定，并通过了认证，那么它们之间可以相互操作， 并能保证产品间的兼容性。蓝牙标准中定义的应用模型基本上涵盖了蓝牙技术的主要 应用场合，图3 1 是蓝牙应用模型的主要层次模型【。 图3 1 蓝牙应用剖面层次模型 基本接入( g a p ，g e n e t i c a c c e s s p r o f i l e ) ： 基本接入模型定义了有关蓝牙设备发现的一般过程( 空闲模式过程) ，有关蓝牙设 第9 页 东南大学硕士学位论文 备链路管理情况( 连结模式过程) 同时定义了安全级别相关流程。另外，这个模型中还包 括了在用户界面层次上可以使用的参数的一般格式要求。 服务发现应用模型( s d p ，s e r v i c e d i s c o v e r y a p p l i c a t i o n p r o f i l e ) ： 服务发现应用模型中定义的特性及过程，则可以使蓝牙设备发现在另一蓝牙设备 已登记的服务，并返回与这些设备相关的有效信息。 g a p 和s d p 是所有蓝牙应用模型的基础，任何蓝牙应用都必须符合这两个应用模 型的相关规定。 串口应用模型( s p p ，s e r i a lp o r tp r o f i l e ) ： 当两个设备问需要通过由r f c o m m 仿真的串口进行通信时，s p p 对其中必备的服 务和过程作了相应的规定s p p 使蓝牙设备具备了串口口替代的功能，是其它基于串口 应用的基础。蓝牙所有的数据传输与接入的应用模型都是定义在s p p 应用之上的。如 拨号网络( d n p ，d i a l u p n e t w o r k i n g p r o f i l e ) 、传真( f p ，f a x p r o f i l e ) 、局域网接入( l a p ， l a na c c e s sp r o f i l e ) 、通用对象交换应用( g o e p ，g e n e r i co b j e c te x c h a n g ep r o f i l e ) 、 对象推入应用( o p p ，o b j e c tp u s h p r o f i l e ) 、文件传送应用( f t p ，f i l e t r a n s f e r p r o f i l e ) 、 同步应用( s p ，s y n c h r o n i z a t i o np r o f i l e ) 等应用模型。 拨号网络应用模型使得个人用户终端可以以无线的方式借助与带有蓝牙功能的 m o d e m ( 通常这是内置m o d e m 的手机) 实现无线拨号上网。例如，当数字照相机装上 b l u e t o o t h 芯片后，人们外出游览时便可随时随地通过同样装有b l u e t o o t h 芯片的蜂窝 网手机将所摄图片传回计算机中，而不受数字相机内存容量的限制。传真应用模型能 让用户可以以类似d n p 的方式，无线收发传真。局域网接入应用l a p 定义了采用蓝牙 技术的设备怎样以p p p 方式访问局域网中的服务。当你需要临时接入某地的局域网或 i n t e r n e t 中以获取相关资料时，就显得十分方便，免去了插拔电缆或网线的麻烦。 蓝牙基于o b e x 协议的一系列的应用对基本的对象交换过程中的概念、接口和过程 作出了定义和描述。在此基础上它定义了o p p 、f t p 和s p 。o o p 、f t p 可用于交换电子 名片、交互式会议等应用。s p 用于使存储于不同地方的个人资料保持同步，如使个人 电脑与p d a 或者手机中的通讯录保持同步更新等等 在话音服务方面，蓝牙也定义了下面很多模型，如无绳电话应用模型( c p p ， c o r d l e s sp h o n ep r o f i l e ) 、对讲系统应用模型( i p ，i n t e r c o mp r o f i l e ) 、耳机应用 模型( h p ，h e a d s e tp r o f il e ) 等，这些模型通过蓝牙提供无线的语音信道，通过控制 命令可以简单的完成接听电话、语音拨号等功能。 设计一个蓝牙应用或蓝牙产品一般需要以下几个步骤： ( 1 ) 选择应用场合 就是选择实现一个什么样的蓝牙应用，或者说开发什么样的蓝牙产品。 比如实现蓝牙无线耳机或者带有三合一功能的手机和相应的p s t n 蓝牙网关， 或者是希望借助蓝牙技术实现能用手机远程遥控家里的家用电器、或汽车里的电子设 备一个应用。 ( 2 ) 确定适当的应用模型 确定应用涉及到哪些模型。例如，对于蓝牙无线耳机的应用，它就必须符合蓝牙 第1 0 页 第三章单芯片蓝牙方案的实现和应用 耳机模型；对于三合一电话应用必须符合无绳电话应用模型和对讲系统模型。如果开 发者发现一个产品无法和任何一个已发布的模型匹配，作为s i g 的会员，他可以向s i g 提出申请，发布新的应用模型，经过适当的程序就可以成为新的蓝牙标准的内容，这 体现了蓝牙技术的开放性。 ( 3 ) 根据模型要求，确定所需的蓝牙协议模块 在应用模型中，详细规定了所涉及的协议栈，和这些协议栈所必须支持的功能或 特性。例如对于蓝牙耳机，它需要b a s e b a n d 、l m p 、l 2 c a p 、r f c o m m 、s d p 以 及耳机控制实体。 ( 4 ) 根据应用的情况，采用单芯片或双芯片方案实现研制的蓝牙产品。 ( 5 ) 进行产品认证，确保其互通性和兼容性。 开发者司以白行研制应用相关的全部软、硬件模块，也可以选择购买部分硬件模 块或者协议栈模块，甚至一体化的开发平台。蓝牙的认证机制保证了各个模块或者层 次间的互通性或者兼容性。 3 2 蓝牙串口替代应用模型 蓝牙提供了仿真串口的串口替代协议和类红外的o b e x 协议，可以承载象p p p 、 t c p i p ，w a p 等网络| 办议，尽可能的把蓝牙融入到各种传统的通信环境，以充分发挥 起“电缆替代”的功能。 蓝牙产品的主要应用在于语音和数据两方面，本论文主要关注于蓝牙对数据的传 输和接入方面。而从图3 1 可以发现，蓝牙的数据服务都是以串口替代s p p 为基础的。 本章的串口替代模块、第四章的无线医疗系统、第五章第六章设计和实现的信息家电 内部网络均采用串口替代模型s p p 。所以这里需要详细介绍一下s p p 应用模型。 串口替代应用是基于基本接入g a p 、服务发现s d p 这两个应用模型之上的。g a p 和s d p 是所有蓝牙应用模型的基础，任何蓝牙应用都必须符合这两个应用模型的相关 规定。当两个设备问需要通过由r f c o m m 仿真的串口进行通信时，s p p 对其中必备的 服务和过程作了详细的规定。图3 2 是s p p 规定的协议结构。 应用程序 “h 应用 程序 nv 串口仿真端l i ah 串口仿 真端口 v y r f c d 删s g p h r f c 0 删s o p 、r i j m pl 2 c a p ，a h l m pl 2 c a p n r h 基带 r 图3 2 串 替代应用模型 当两个监牙设备要按照s p p 连接时，要进行的高层协议会话如下： ( 1 ) 本地设备以s d p 协议发出查询，查询远程应用程序的r f c o m m 服务信道号 这样可以由用户或预定的程序来选择去连接哪一个服务信道。 ( 2 ) 协商是否验证和对数据传输加密。 第l j 页 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 协商是否验证和对数据传输加密。 ( 3 ) 分配一个l 2 c a p 逻辑信道。 ( 4 ) 在l 2 c a p 逻辑信道上建立r f c o m m 链路。 ( 5 ) 进行r f c o m m 链路上的数据传输。 s p p 使蓝牙设备具备了串口替代的功能，是其它基于串口应用的基础。在串口应 用之上可以实现拨号网络、传真和局域网接入应用。 由以上的分析可以发现通用的数据传输蓝牙模块应该具有蓝牙规范中的串口替代 应用的所有协议，并且要根据我们的实际要求编写一个上层链路控制应用层来实现自 组织的组网功能。 3 3 蓝牙协议的实现 按照蓝牙协议层次实现的分割，蓝牙设备总体上有三种实现方式： a 双芯片方案b 嵌入式单芯片方案c 完全嵌入式单芯片方案 图3 3 蓝牙协议栈三种实现方案 ( 1 ) 双芯片方案：蓝牙模块实现基带和射频部分，高层协议层运行在资源丰富的 p c 或m c u 主机上，主机与蓝牙模块之间通过h c i 传输层交互，这种方案很适合主机 具有强大处理器和内存的应用，蓝牙u s b 适配器、蓝牙c f 卡、p c m c i a 卡等就是基 于双芯片方案的。第四、六章中的蓝牙l a p 网关和信息家电网关也都是基于双芯片方 案的。 ( 2 ) 嵌入式单芯片方案：蓝牙模块实了基带和射频以及蓝牙高层协议栈，主机上 只运行高层的应用和简单的端口适配程序，主机和蓝牙模块之间通常用串口连接。通 过内部规定的简单协议交互。这种方案适合于主机处理能力和内存有限的应用，或者 原有的应用是基于线缆( 串口、并口) 的应用可以由某个蓝牙应用直接替代。通常移 动电话、工业数据采集是基于嵌入式单芯片方案的。本章中的无线抄表、第四章中的 无线医疗终端、第六章中的信息家电i a 蓝牙模块都是基于这种嵌入式单芯片方案。 第1 2 页 第三章单芯片蓝牙方案的实现和应用 ( 3 ) 完全嵌入式单芯片方案：整个蓝牙协议栈和应用都运行在蓝牙模块中，因为 蓝牙设备资源有限，所以应用也要求相对简单，蓝牙耳机就是这种方案的典型例子。 第三种方案主要针对蓝牙耳机或语音方面的应用，针对数据传输和按入的蓝牙应 用通常采用前两种方案。以下我们简称第二种嵌入式单芯片方案为单芯片方案，它与 蓝牙双芯片方案相比主要区别在于蓝牙协议栈在一个芯片中实现。下面介绍蓝牙单 芯片模块的设计和应用。 3 4 蓝牙单芯片方案的开发 我们选用c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ( c s r ) 公司的b l u e c o r e 2 型芯片来设计单芯片 蓝牙数据传输模块，论文以后介绍的蓝牙单芯片设计也都是基于c s rb l u e c o r e 2 的。 c s r 公司已经在蓝牙芯片市场中做到世界上占有率、集成度、专业化各方面第一。该芯 片集成了射频、基带以及可以运行蓝牙协议栈和上层应用程序的处理器，芯片接口丰 富，提供标准u a r t 口，编程接口，p i o 口。p c m 口和u s b 接口，而且体积小，可通过 编程口设置模块，下载程序，图3 4 是b l u e c o r e 2 芯片的框图。 睁i n 一 _ 咔手 图3 4c s rb l u e c o r e x 蓝牙芯片内部框图 c s rb l u e c o r e 2 芯片的特点就是可以进行嵌入式的编程，用户编写的应用程序和 c s r 提供的协议栈能一并烧写、运行在c s r 嵌入式环境中，c s r 以固件( f i r m w a r e ) 的 形式提供蓝牙核心协议栈，包括h c i ，l 2 c a p ，s d p ，r f c o ，并且还提供了应用程序接 口，它定义实现了用户在丌发过程中需要访问的所有接口和服务，它们包括：调度程 序，蓝牙，内存访问，h c i 传输层设置，消息和定时器，串口流管理。图3 5 是c s r b l u e c o r e 2 协议栈结构。 第1 3 页 东南人学硕十学位论文 日 i _ _ j 图35c s rb 1u e c o r e 21 办议栈结构 b l u e c o r e 2 内存资源非常有