（计算机系统结构专业论文）嵌入式蓝牙lap系统研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ， l 嵌入式系统研究和开发是计算机软硬件技术发展最活跃的方向之一，而蓝牙技 术作为一项短距离无线通信技术则是无线局域网的一个新的热点，这都给我国信息 产业实现跨越式发展提供了良好的机遇。设计基于蓝牙的嵌入式局域网访问点系统 则是蓝牙技术一个重要应用。， 嵌入式系统设计的挑战通常源于开发平台的专用性，系统各个部分的有机组合 以及一些新的系统需求，因此必须有一套成熟的系统设计方法的指导。按照嵌入式 系统设计的理论步骤，包括有需求分析，规格说明，系统体系结构设计，构建系统 各个组成部分以及系统的集成，最终的目的是设计出一个符合需求分析的完整的有 机系统。 在系统的硬件设计过程中，由于涉及高速数字系统设计和蓝牙无线通信技术， 因此完善的硬件原理设计和合理的布局是保证系统的电磁兼容性的基础，同时设计 和使用合理的天线也是保证系统正常运作的一个必不可少的因素。 作为系统中使用的嵌入式操作系统：u c l i n u x ，其具有在系统设计中使用l i n u x 的各种优点，但也应该意识到它和l i n u x 在内存管理，文件系统，系统库等方面的 不同以及它专门针对嵌入式系统应用所做的改动。以太网络控制器驱动程序的移植 和f l a s h 存储器读写接口的设计是将通用的u c l i n u x 发布版本移植到特定系统上时比 较关键的两个部分。 通过在实验室搭建的实验平台的试验显示，本次研究所实现的嵌入式蓝牙l a p 系统工作稳定正常，并且符合蓝牙规范。 v 7 ， v 关键词：蓝牙，嵌入式系统，局域网访问点，电磁兼容，蓝牙天线 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h ee m b e d d e ds y s t e mf a l li no n eo ft h em o s ta c t i v e d i r e c t i o n si nt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m b l u e t o o t h a t e c h n o l o g yo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw i t h i ns h o r tr a n g e s ，i san e wa n dh o ts p o ti nt h e a r e ao fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no v e rl o c a la r e an e t w o r k ( l a n ) t h e s ep r o v i d ea g o o do p p o r t u n i t y f o r t h en a t i o n si n f o r m a t i o ni n d u s t r i e st or e a l i z e g r e a tl e a p s o f d e v e l o p m e n t t h ed e s i g no f a ne m b e d d e db l u e t o o t h e n a b l e dl p na c c e s sp o i n t ( l a p ) i s a n i m p o r t a n ta p p l i c a t i o no f b l u e t o o t ht e c h n o l o g y c h a l l e n g e s i ne m b e d d e ds y s t e md e s i g nc o m ef r o mt h e a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，i n t e g r a t i n go f e a c hp a r ti nw h o l ea n dn e w s y s t e mr e q u i r e m e n t s a n ds oa d e s i g nm e t h o dn e e d st o l e a dt h ee m b e d d e ds y s t e md e s i g n s t e p si ne m b e d d e ds y s t e m d e s i g ni n c l u d et h ed e m a n da n a l y s i s ，d e s c r i p t i o no fs p e c i f i c a t i o n s ，s e p a r a t ed e s i g n so f t h e v a r i o u ss y s t e mc o m p o n e n t s ，a n dt h ef i n a l l yp u r p o s ei sd e s i g n i n ga no r g a n i cw h o l et h a t s a t i s f y i n gt h es ”t e mr e q u i r e m e n t s d u et ot h eh i 9 1 1 - s p e e dd i g i t a ls y s t e ma n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n v o l v e di nt h e h a r d w a r ed e s i g n ，ap e r f e c th a r d w a r ed e s i g na n dr e a s o n a b l e l a y o u t a r et h eb a s eo f s y s t e m s e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) ，a n dt h ea p p l i c a t i o n o fb l u e t o o t h m o d u l ef o re x t e r i o ra n t e n n a i s 蛆i m p o r t a n ta s p e c to fs y s t e m u c l i n u x ad e r i v a t i v ev e r s i o no fs t a n d a r dl i n u x ，i sw e l lf i ti na ne m b e d d e ds y s t e m i t h a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c sd i f f e r e n tf r o ms t a n d a r dl i n u x t h et y p i c a ld r i v e r so f t h eu c l i n u x s y s t e m ，e t h e m e tc o n t r o l l e ra n df l a s hm e m o r y , a r e t h ek e y p a r t so f t h eo p e r a t i n gs y s t e m t r a n s p l a n t o p e r a t i o no ft h eb l u e t o o t h e n a b l e dl a ps y s t e mi s s t a b l ea n di nc o m p l i a n c ew i t h b l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n s ，a sd e m o n s t r a t e db yt e s t sc o n d u c t e do na p l a t f o r me s t a b l i s h e di n al a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ，e m b e d d e ds y s t e m ，l a n a c e sp o i n t ，e m c ，b l u e t o o t ha n t e n n a 华中科技大学硕士学位论文 。 课题背豢 l 绪论 数字系统设计已经进入一个薪的时代。只把微缝理器作为一个部件的针对一个 典型应用的嵌入式系统设计已经成为一个广泛的科研课题。无线透信系统，网络系 统，智能家电，铸真系统，工韭过程控带i 系统，高级自动化系统等等，都由于与这 个领域交叉而提供了很多的例予【l 】。尤其在最近几年，嵌入式设籀不龄豹进入到新 的应焉领域，比如有手持设备、p d a 、智能电话、机顶盒、g p s 设备或悬嵌入式服务 器及精简型终端设备等等。嵌入式系统的硪究积牙发恐缝成为了娄今计算机镶城翡 一个十分活跃的发展方向。 蓝牙技术作为垦翦短躐枣无线遇镶镁域螅一个磷突方囱，广泛应用于倍惠家电、 移动通信等诸多领域，阊样在嵌入式系统领域，蓝牙技术也得到了广泛的应用。而 本项目就是蓝牙技术在嵌入式系统应熙中鲍一个典型范例。 本颂胬怒华中科技大学计算机科学与技术学院多媒体网络实验室的蓝牙技术项 目的一个子项旦，主要从事夔牙( b l u e t o o t h ) 天线透信技术的研究，并开发相应韵蓝 牙设备。本文将以嵌入式系统设计的理论为指导，全面的分析这样一个嵌入式蕺牙 l a p 系统的设计过程。 1 。2 主要设计l 壬务 本文主要论述的是嵌入式蓝雾l a p 系绞设计中窍关硬件平念懿设计以及软件平 台的槁建，有关蕴牙协议我的移植开发醵及上层应用稷序的开发不包括在本文的设 计 壬务当中，主要涉及战设计基务镪括： 1 开发环境的建立，包括基于l i n u x 的交叉编译平台和开发调试环境的建立以 及调试工具的设计； 华中科技大学硕士学位论文 2 系统运行的硬件平台的搭建，这包括了原理图的设计以及p c b 的设计； 3 基于蓝牙模块的蓝牙插件的设计； 4 嵌入式操作系统u c l i n u x 的移植以及以太网络控制器驱动程序的移植，f l a s h 存储器控制接口开发。 华中科技大学硕士学位论文 2 嵌入式系统设计 对于嵌入式系统的定义，学术界似乎还没有一个统一的说法。不严格的说，或 是简单而言，嵌入式系统是一个可编程的计算系统，但这个系统不是作为一个通用 的计算机而设计的。因此，一台p c 不是个嵌入式系统，而个包含了微处理器的 电话传真机就是一个嵌入式系统的设备。严格而言，依据英国电机工程师协会的 定义，嵌入式系统是控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂运作的装置。它是一 种计算机软件与硬件的综合体，并且特别强调量身定做的原则，也就是基于某一种 特殊用途，会针对这项用途开发出截然不同的一个系统。可以从以下几个方面说明 嵌入式系统的特点【1 2 1 ： l 用户界面和控制面板 在这个方面不同的系统因功能不同而有很大差别，有的系统可能只有几个简单 的控制按键，而显示只需要几个示意的发光二极管就可以了，有的系统却要求包括 多个菜单和许多选项，甚至有的要求精确的图形用户界面，如g p s 。 2 软件代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高，系统存储器容量不断增加，价 格也不断下将，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，多数时候还存在实时 性的要求。为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度， 提高执行速度。 3 制造成本 制造成本在很多情况下是十分重要的，尤其对于消费类电子产品，它由许多因 素决定，比如处理器的种类，所需存储器的大小及需要那些i o 设备，当然还有系 统软件和应用程序的成本。 4 功率 嵌入式系统的产品很多都是由电池供电的，因此对于电源的管理可以说是到了 近乎苛刻的地步即使是一些直接接入电网的设备，功耗同样是一个重要的指标， 华中科技大学硕士学位论文 大功耗意味着很大的散热量，对系统稳定工作是有很大影响的。而且如果是大量使 用，用电成本也必须考虑。 上面所说的是一些典型的嵌入式产品本身的特点，而在嵌入式系统的设计过程 中，除了一些技术上的问题以外，还有一些问题是需要注意的，比如最终产品的上 市时间，设计成本( 区别于带4 造成本) 和产品质量【”。 下面将就嵌入式系统中两个重要的因素作出比较说明，一个是嵌入式处理器， 还有一个就是嵌入式操作系统。同时，本章还将详细讨论嵌入式系统设计的各个抽 象和具体的过程步骤。 2 1 嵌入式处理器 随着信息技术和互联网络技术的发展，嵌入式产品的功能日趋复杂，越来越多 的应用系统采用了高性能的3 2 位微处理器，以满足产品的网络化需求。一般按照处 理器的体系结构来看，在嵌入式系统领域中，几乎所有的处理器都是r i s c 内核( 本 文只涉及3 2 高档处理器，对于8 位和1 6 位处理器以及d s p 不作讨论) ，以下列出了 几种常用的处理器： 1m d s ： m i p s ( i c r o p r o c e s s o rw i t h o u t i n t e r l o c k e dp i p e ds t a g e s ) ，“无内部互锁流 水级的微处理器”，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题，它最 显著的特点是高速，而且有的还集成了多内核结构，广泛应用于高端通信市场t 3 1 。 2a l 心 v l ： a 础x , l 公司是知识产权供应商，其设计的内核耗电少、成本低、功能强，特有1 6 3 2 位双指令集，a r m 已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案 的r i s c 标准。在所有基于a r m 处理器系列中，基于a i m 7 内核的处理器应用最广f “。 3p o w e r p c ： p o w e r p c 体系结构规范由i b m 、a p p l e 和m o t o r o l a 共同提出。p o w e r p c 架构的特 点是可伸缩性好、方便灵活，在高速和低功耗之间作了很好的妥协，通常在外围集 成了丰富的外围接口电路，被m o t o r o l a 公司大量应用于嵌入式通信市场，国内中兴 华中科技大学硕士学位论文 和华为大量采用在其产品中h j 。 4 m 6 8 k c o l d f i r e ： m 6 8 k 是最早广泛应用于嵌入式领域的内核，尤其在汽车制造领域。c o l i f i r e 在 继承m 6 8 k 的基础上对其作了改进，并保持对m 6 8 k 的兼容性，广泛应用于工业控制， 机器人研究和家电控制领域。 在本系统中我们选用的是m o t o r o l a 公司的c o l d f i r e 系列的一款芯片m c f 5 3 0 7 。 这是一个专为嵌入式应用设计的3 2 位c p u ，内核工作频率可达9 0 m h z ，处理能力可 达7 5d h r y s t o n e ，功耗9 1 0 r o w 。除了这款处理器本身的许多优点以外，网上存在的 大量的相关的免费资源，包括从编译器到嵌入式操作系统，到调试工具，都是我们 选用这款处理器的重要原因。 2 2 嵌入式操作系统 正是由于嵌入式处理器的多样性造成了嵌入式操作系统的多样性，对于嵌入式 操作系统，很多人将其等同为实时操作系统，但实际上这是有差别的。一般情况下， 嵌入式操作系统可以分为两类：一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如 w i n d r i v e t 公司的v x w o r k s 、i s i 的p s o s 、o n x 系统软件公司的o n x 、a t 的n u c l e u s 等，其特点是模块化，实时性好，性能稳定，但由于操作系统本身以及开发环境都 是专有的，所以价格一般都比较高，而且一般不提供源代码，只提供二进制代码； 另一类是面向人数字助理( p d a ) 、移动电话、机顶盒、电子书等消费类电子产品的非 实时操作系统，如p a l m 公司的p a l m o s ，微软的w i n d o w sc e ，到目前为止，以掌上计 算机和高档p d a 为代表的手持设备市场是开发最为成熟的嵌入式设备市场，而 p a l m o s 和w i n d o w sc e 在这一领域占据着绝对的优势| 6 】。 值得注意的是嵌入式l i n u x 操作系统的发展，它是在l i n u x 的基础上作出一定 的修改以适应嵌入式系统的特点而发展起来的嵌入式操作系统，由于其本身所具有 的优势，因而获得了巨大的发展。由于l i n u x 并不是为嵌入式系统量身定做的，为 使其可以应用于嵌入式系统，通常会从实时性，体积，功耗管理，g u i ，开发环境， 中文化，驱动程序等方面入手进行移植，以适应不同的需要。在嵌入式l i n u x 的众 华中科技大学硕士学位论文 多版本中不仅有多用于消费电子的非实时版本，同时也有用于实时系统的版本，嵌 入式l i n u x 的主流版本主要有：e t l i n u x ，运行在小型工业计算机上，特别是p c 1 0 4 上：r t l i n u x ，由n e wm e x i c oi n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 最早开发的硬实时l i n u x ； u c l i n u x ，面向不支持m m u 的硬件平台；t h i n l i n u x ，面向数字相机、m p 3 播放器等 电子设备，等等 2 , 6 1 。 有一个问题存在于这些嵌入式l i n u x 版本中，即它们并不都是相互完全兼容的， 这在很大程度上阻碍了它的发展，因此业界都在期望一个标准的推出。不久前，由 1 2 4 家公司组成的嵌入l i n u x 协会( e l c ：e m b e d d e dl i n u xc o n s o r t i u m ) 发布了第一 个嵌入式l i n u x 通用平台的标准，这不仅有助于促使上万家嵌入开发商转向开放源 码市场，而且，新标准可以改变工程师设计产品的方法，使他们可以采用各种现有 而彼此兼容的开放源码产品。最终，应用供应商也能加入到支持者的行列中来，开 发具有“e l c 兼容”标签的软件【j 。 在本设计中我们选用的是u c l i n u x 。首先因为u c l m u x 是一个嵌入式的l i n u x 版 本，这在上文已经说明了，以及使用有关开放源码的优点也就不再赘述了；再者由 于我们选用的是没有m m u 的c o l d f i r e 嵌入式处理器，而u c l i n u x 恰恰是针对没有 m m u 的处理器的，而且u c l i n u x 对c o l d f i r e 系列处理器的支持是最完善的，这将 大大降低系统设计难度。在后续章节中我们将详细说明u c l i n u x 的相关内容及驱动 程序的移植。 2 3 嵌入式系统的设计过程 就研究设计的方法学而言，嵌入式系统设计大量的借鉴了软件工程当中的理论。 这是个很有趣的过程，当初在软件设计领域由于大型软件系统的设计而引起的所 谓的软件危机产生了软件工程方法学，这些理论的建立有很多是来源于嵌入式系统 中硬件设计的实践的。 设计过程，或者说是设计方法学是很重要的，因为没有设计过程我们就不可能 可靠的发布我们所创建的产品。必须考虑创建产品的步骤这一点看起来似乎是多余 的，然而，实施上每个人都有他自己的设计过程，即使他们不清楚表达它。在嵌入 6 华中科技大学硕士学位论文 式系统的设计中，保持自己的风格是好的，但是当很多人一起完成一项工程时，他 们对于谁做什么和应该怎样做就必须达成一致。当人们相互协作时，明确这个过程 是重要的。因此，由于很多嵌入式系统过于复杂以至无法一个人设计和完成，这就 使得我们不得不考虑设计过程。 对于嵌入式系统设计的方法，人们建立了一些设计流程模型，所谓设计流程是 指在系统设计期间应遵循的一系列步骤，其中一些步骤可以由工具软件完成，如编 译程序和e d a 系统，一些则只能用手工完成，典型的设计流程模型有瀑布模型， 螺旋模型，逐步求精等等，所有这些模型其实都包含有图2 1 所示的几个基本的设 计步骤，嵌入式系统的设计过程步骤如图2 1 所示： 自顶向 自底向上设计 图2 1设计过程的主要抽象屡次 我们从自顶向下的角度来看图2 1 ，系统设计首先是从需求分析开始的，显然在 设计一个系统之前我们要清楚我们要设计什么，第二步是系统的规格说明，规格说 明对系统如何工作进行了描述，系统内部的详细构造是在系统的体系结构设计时进 行说明的。通过体系结构的设计我们就知道了构成系统的各种构件，在这些构件， 包括软件模块和硬件模块有机结合的基础之上，我们就设计出了一个完整的嵌入式 系统。 还有种是所谓的自底向上的方法，如图2 1 中向上的箭头所示，这种方法从构 成系统的每一个构件开始，然后逐渐组成整个系统。通常情况是，越是简单的嵌入 华中科技大学硕士学位论文 式系统设计越是会采用这种方法，这通常也是初学者所使用的方法。 图2 1 所说明的设计步骤都是些十分抽象的层次，在实际的设计过程中，将这些 步骤进一步具体化的话，在系统软硬件构建这样一个步骤还会有一些变化，如图2 2 和图2 3 所示，图2 2 是传统的系统设计方法，图2 3 则是所谓的软硬件协同设计方 法1 8 1 ： 图2 2传统系统设计方法 第一步是系统的说明，对应于图：1 的需求说明和规格说明，跟着的一步就是有 关系统软件和硬件的分工，对应于系统结构设计，到底哪些功能由硬件实现，哪些 由软件实现，通常是没有一个固定的标准或者是方法的，这些会和系统本身所要求 的速度，成本等都有密切的关系。这一步有着很大的随意性，它和设计人员的经验 以及所具备的能力都有很大的关系。再接着的工作就是分别进行硬件和软件的结构 设计并将之实现，在图2 2 中我i i n 以看到软件是在硬件设计完成以后才开始的， 但实际上，虽然软件的运行离不开硬件基础，软件和硬件的设计仍然可以有一定的 华中科技大学硕士学位论文 同步，而且还有所谓的固件，本身就很难将其划分在哪一个范围，这一步对应于系 统软硬件的构建。最后就是系统集成了，即将设计好的软件和硬件组成一个实际的 系统，并测试系统的功能实现。 以上设计方法的不足是十分明显的，就是开发周期的延长，虽然有一定的同步 但十分有限，因此这种方法适用于只有个或者很少的设计人员所进行的小的嵌入 式系统的设计，这种系统通常是没有操作系统的【8 1 。 系统说明 耥甜芋舡 硬件设计 一 接口软件设计 _ 1 i 1 、- i i 系统集成卜7 图2 3系统软硬件协同设计 对于所谓的软硬件协同设计，通常适用于基于有操作系统的复杂嵌入式系统的 设计。从图2 3 可以看到，第一步和第二步和传统的设计方法是没有多大的不同的。 最大的不同就在于如何分别进行软件和硬件的设计。这样一种方法通常是基于一个 系统的模拟器的，让操作系统运行在一个虚拟的模拟器上，比如j a v a 虚拟机，或者 是一个a r m 的模拟机a r m u l a t o r ，这样就可以开始进行一些程序的开发了。这种 方法也有其局限性首先模拟器的种类有限，再者模拟器的功能也是有限的，并不 是所有的程孛都可以在模拟机上调试运行的。 以上是对有关嵌入式系统设计方法论的讨论，在后续章节中我们将使用上述的 方法进行系统设计。 在这里有必要将基于可编程逻辑器件的设计单独列出说明( 虽然本系统中没有 用到可编程逻辑器件) ，对可缟程逻辑器件的定义，也存在一些的分歧，这里所说的 是可以通过编程语言所编写的程序，并将编译后的程宁可以下载到芯片当中从而改 变器件功能的一种硬件芯片。 9 华中科技大学硕士学位论文 基于可编程器件的系统设计可以霄很大的灵活性，首先，软硬传的协同设计可 以最大限度的同步避行，因为可编程器件的开发通常郝有功能强大的仿真器的支持； 再者，软硬件的分工似_ 乎已不再那么明显，在设计的过程当中可以很方便的对软磷 件的分工进行调整，以使系统达到最大的傲能价格比。而且通过向i p ( 知识产权) 公司购买i pc o r e 不仅可班大大的缩短系统设计的时间，还可以最大限度的降低系 统设计韵风砼。 2 4 小结 本章苜先对嵌入式处理器和嵌入式操作系统作了简单介绍，然后从理论上论述 了嵌入式系统的设计步骤。 i o 华中科技大学硕士学位论文 3 蓝牙l a p 应用框架 蓝牙技术是1 9 9 8 年5 月由爱立信、i b m 、英特尔、诺基亚及东芝等5 家公司联 合制定的短距离无线通信技术标准，用于取代现有的p c 、打印机和移动电话等设备 上的有线接口。随后这五家公司组建了一个特殊兴趣小组( s i g ：s p e c i a li n t e r e s t g r o u p ) 来负责开发此技术及协议，1 9 9 9 年7 月蓝牙s i g 推出了蓝牙协议的1 0 版， 2 0 0 1 年2 月发布了蓝牙1 1 版，蓝牙1 2 版本即将在2 0 0 3 年第二季度面世，主要提 高了数据传输率和快速数据链接等，它的推出将为蓝牙技术提供了更广阔的升级和 应用空间。而且i e e e 也成立了8 0 2 1 5 专门工作小组，关注有关蓝牙技术标准的兼 容和未来的发展等问题。蓝牙技术的优势在于它全球统一的、开放的技术标准，技 术与成本的折衷考虑，以及蓝牙s i g 知识产权的共享，这些都促进了蓝牙的发展。 到目前为止，很多成熟的蓝牙产品已经开始进入市场，而且随着支持蓝牙技术的公 司越来越多，目前蓝牙s i g 的成员已经发展到3 0 0 0 家左右，蓝牙产品推出的频度 也会不断的加快。本文所论述的蓝牙标准主要基于蓝牙规范的1 1 版本o l 。 3 1 蓝牙技术简介 蓝牙技术旨在建立低功耗、低成本、小型化的无线连接，使通信和计算机进 步结合，其主要面向网络中各类数据及语音设备，通过无线方式将它们连成一个网 络，从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。我们可以从以下几个方面较为详 细的介绍蓝牙技术的主要特点【1 2 】： 1 工作频段：工作于2 4 g h z 的i s m 频段，无需申请许可证。大多数国家使用 7 9 个跳频点，载频为( 2 4 0 2 - k ) , v d i z ( k = 0 ，1 ，2 7 8 ) ，载频间隔1 m h z 。采用 t d d 时分双工方式： 2 传输速率( 最大字符速率) ：1 m b s ； 3 调试方式：b t = 0 5 的g f s k 调制，调制指数为0 2 8 0 3 5 ； 华中科技大学硕士学位论文 4 。采用跳频技术：跳频速率为1 6 0 0 夥秒，在建立逐接列( 包援寻呼秘粪谗) 提高为3 2 0 0 跳秒。蓝牙通过快跳频和短分缎技术减少同频于扰，保诞传输 的可靠性； 5 语音调制方式：连续可变斜率增量调制( c v s d ：c o n t i n u o u sv a r i a b l es l o p e d e l t am o d u l a t i o n ) ，抗袭落髋强，即使误码率达到4 ，话音质薰也可以接 受。 6 支终魄路交换秘分缀交抉烂务：蓝斧支持实时的滔步鬻囱遣接( s c o ) 和菲 实时毂异步无连接( a c l ) 筵黪，懿喾圭要传送语音等实爨重瞧强豹落悫，屠 畿则以数掇包为主。语音和数据可以单独或鄹时传竣。篮牙支持个努步数 据通道，或三个并发的同步话胬通邋，或同时传送异步数据和同步话费的邋 道。每个话音通道支持6 4 k b p s 的同步话音；异步通道支持7 2 3 2 5 7 6 k b p s 的非对称双工通信或4 3 3 9 k b p s 的对称龛双工通信。 7 ，支持点对点及点对多点通信：微微网( p i c o n e t ) 的建立由两螽设备的遴接开 始，最多胃峦a 台设备组成。程一个徽徽两中，只裔一台为主设备( m a s t e r ) ， 其它均为扶设备( s l a v e ) ，不阉豹主姨设备辩可戬采焉不嗣瓣链谈方式，在 一次邋信孛，链接方式瞧霹以馁意敬变。嚣几个撼亘独立戆微徽阚以特定方 式链接在一起使构成了分布式网络( s c a t t e r n e t ) 。赝有的蓝牙设蘩郄是对等 的，所以在蓝牙中没有基站的概念。 8 工作躐离：蓝牙设备分为三个功率等级，分别是：1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) 、2 5 m w ( 4 d b m ) 和i m w ( o d b m ) ，相应的有效工作范围为：1 0 0 米、1 0 米和i 米。 9 祗成本：现有酌箍矛产品审已缀出现了使整个篮牙无线模块控制在j 美元以 内。 3 2 蓝牙l a p 应用框架 在下面的几小节中，我们将依据在2 4 节中所描述的嵌入式系统的一般设计步骤 以蓝牙l a p 系统为铡谁较为详细的论述： 1 2 华中科技大学硕士学位论文 3 2 1 需求分析 局域网接入( 包括i n t e r n e t ) 是蓝牙技术在数据方面的重要应用。所谓l a p 就 是一个可以使蓝牙数据终端通过其访问l a n 的蓝牙设备，为具有蓝牙功能的各种数 据终端动态接入计算机网络提供方便，也为终端间的临时组网，资源共享提供种 高效、灵活的解决方案。嵌入式l a p 主要是用于区别基于p c 的l a p 系统。对于l a p 的一般应用方式，可以参考图3 1m ： 图3 1l a p 应用示意圈 以下是本系统需求分析的简单说明： l 、用户界面及功能性：要求使用户能够更改诸如i p 地址之类的配置数据，并 且有一定的指示灯示意系统状态： 2 ) 性能：要求可以实现稳定的全速率数据传输，通信范围应该可以覆盖一个典 型的家庭区域： 3 j 物理尺寸和外观：小，简单，美观： 4 ) 功耗：不作具体要求； 5 ) 成本：控制在人民币5 0 0 元以内。 3 2 2 规格说明 对于嵌入式蓝牙l a p 系统的规格说明，我们可以用图3 2 的框图加以说明。图 华中科技大学硕士学位论文 4 2 所示的规格说明似乎更像是一个系统体系结构的说明，但是本文认为把参考文 献【1 l 中的规格说明并入需求分析似乎更好理解一些，而规格说明则是系统各个功能 模块的组成框图。 3 2 3 系统体系结构 图3 2嵌入式蓝牙l a p 系统功能框图 体系结构是系统整体结构的一个计划，将图3 2 中的各个功能模块进一步具体 化，确定使用的嵌入式处理器，存储空间等等，而后用于设计构成整个体系结构的 构件，体系结构的构建是我们通常所认为的设计的第一个阶段。只有在设计了一个 未偏向于太多实现细节的初始体系结构之后，才能把系统框图分成针对硬件和软件 的两个部分。体系结构描述必须同时满足功能上和非功能上的要求，也就是说不汉 要满足功能上的要求，同时要注意成本，功耗等方面的要求【l i 。 有关本部分的详细内容，我们将在第四章作详细的说明。 3 _ 2 4 系统软硬件构建 体系结构描述告诉我们需要什么样的构件，构件设计使得构件与体系结构和规 格说明一致。构件通常既包括硬件，也包括软件模块。 华中科技大学硕士学位论文 在硬件方面，本系统使用的都是现有的各种标准构件，如处理器，存储器等等， 我们所要做的工作上将这些构件连接起来，使整个系统可以正常的工作。而在软件 方面则有相对较多的工作，首先是系统初始化以及操作系统的引导，还有驱动程序 的移植，更大量的工作是蓝牙协议栈的移植。 有关本部分的内容，我们将在第四章和第五章作详细的论述。 3 2 5 系统集成 只有在建立构件后才能将它们合并到一个能运转的系统，而这样一个工作并不 是简单的将所有东西都拼凑在一起。在这样一个过程中我们会发现许多的错误，按 阶段架构系统并且正确的运行测试，通常可以很容易的发现错误所在i ”。 在所有软件和硬件平台搭建完成以后，我们将整个系统组装起来进行了简单的 测试。系统集成在某种意义上也可以说是一个系统联调测试的过程，系统测试框图 如图3 - 3 所示 1 4 1 ： 3 3l a p 协议栈 p c 串口线 蓝牙l a p 圉3 3系统试验示意图 在本小结中，我们将简单介绍整个系统协议栈中有关蓝牙协议的几个核一1 1 , 的协 议。系统运行的简单过程是蓝牙设备间利用r f c o i 慨建立有关的协议层连接，如 t c p t p 连接，数据终端通过局域网接入点接入到局域网，在局域网接入点，p p p 服 务器注册在服务发现数据库中，由于p p p 是面向数据包的协议，而r f c o n 传输的是 串行数据流因此，p p p 层还必须完成数据的串行化。图3 4 是蓝牙l a p 应用框架 华中科技大学硕士学位论文 的夔牙势议结构示藤躅： # 峰p l t c a 氟a n s a p p l i c a t i o n s 丁c p 轰u o pt c p & u d p i p j p p p n e t w o r k i n g + l p p p pp p p 8 d pr f c o m mr f c o m l s d p 燃醛 t a k l a n ee 1 2 c a p l l m pl m p l l 2 c a p l l b a s e b a n db a s e b a n d d a t at e r m i n a ll a na c c e s sp o i n t 嚣3 ，4l a p 协议栈 下鬣对蓝芽诲议残审的凡个核心予镑议作篱萃介绍 n , 1 2 l ： l 。s d p ( 服务发瑗铸议：s e r v i - c ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 在蓝雾系统中，客户端只有邋过服务发现协议才姥获褥服务爨蠛敷设冬镶患、 服务信息及服务特征，才能崧此基础上建立相互阅的连接。 2 r f c 0 蛳( 电缆替代协议：r e f e r e n c ec o mm o d e l ) 电缆褥代协议生要参考了g s m 的0 7 1 0 标准。r f c o m m 在l 2 c a p 协议的基础上将 蓝矛设备仿真为标准串口，为使霜串行线传送机制的士层协议( 如p p p 和a t 命令集) 提供服务。r & o 巍豹舀的在于提供对现有谈用举行线接口的应用软件豹支持：利潮 已有的g s 瀚7 1 0 标准，支持蕴牙设备之阕杰对熹豹遴信。 3 。l 2 c 支p ( 逻辗涟鼹控截与邋应奄| 议：l o g i c a ll i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o n ) 逻辑链路控制与适应协议位予基赘协议层之上，燃于数据链路层。l 2 c a p 负囊协 调綦带与高层应用之间的适酉己，并通过协议复用、数据分段及煎组操作为高艨提供 数据业务。蓝牙基带层定义了两种a c l 链路和s c o 链路两种类型，假l 2 c a p 层只支 持a c l 链路。 4 l m p ( 链路管理协议：l i n km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 链路篱理协议静功麓由链路管理器( l m ，l i n km a n a g e r ) 宪成，它负责麓牙设 1 6 华中科技大学硕士学位论文 备双方链路的建立与参数协商以及控制。由于链路管理分组相当于控制信令，因此 它比l 2 c a p 数据分组的优先级更高。链路管理器通过连接的发起、交换和核实，执 行身份鉴权和加密等安全方面的任务，双方蓝牙设备的链路管理器之间可以通过协 商确定基带数据分组大小；链路管理器还控制无线单元的电源模式和工作周期，以 及蓝牙组件的连接状态。 蓝牙协议栈底层具有扩充的能力，其中间部分的协议可以不断变化，而上层应 用协议则可以完全保留。这种协议体系结构使蓝牙具有良好的扩展性和兼容性，使 其适合于构建小范围无线多媒体网络。 3 4 蓝牙无线通信模块 本系统使用的是w i n d i g os y s t e m s 公司的c l a s s2 b t m 0 2 c 2 系列的蓝牙模块，模 块的核心器件是c s r 公司的b c 0 2 - e x t e r n a l 蓝牙芯片，由其构成的蓝牙模块框图如 图3 5 所示： r fi n r fo u t 可迭s m 的 、a 幽存储器 1r ：艇裂卧州一= 州 吣 l 。四1 芒篁。 r fr e m v e t 姗u d s p 古 r ft 陌i 尊m 砒e r 模 基带和 块 罾吨蛩二 2 ”。 在c f i 标准中对f l a s h 存储芯片的所蠢操作都是通过芯片匏愈令月户接墨( c u i ) 来实现的，命令用户接口是微处理器与芯片内部操作之间的界灏。墨通过c u i 写入不 同的控制命令时，f l a s h 存储器从一个工作状态转移到另一个工作状态，在不同的工 作状态下就可以进行不嗣的操作了，+ 其常见的操作如下所示： t 读存储单元操作 这是f l a s h 存储器静歃省状态，在f l a s h 存储蕊片上电戳后，芯舜就处于读存储单 元状态。j 迦时霹以读取f l a s h 存髓蕊片存锗肇元熬内容，读存储攀元翁搡俸与般的 s r a m 相同。 2 擦除操作 对f l a s h 存储芯片进行擦除操作时，由于f l a s h 存储器采用段分区的阵列结构，使 得各个存储段可以被独立地撩除，当给出的地址是在模块地址范围之内且向命令用 户接口写入模块擦除命令时，相应的段就会被擦除。 3 编程搡作 砖f l a s h 存德嚣夔逐行编程操 聱，鬣可戳是箍净写入，氇可戳是指定逡址写入。 囱熙户余令接霜写入字繁缡穰愈令时，芯片叁动避嚣字节编程帮编耧校验。 除了以上所提到鲍鬻见的三转王佟方式铃，f l a s h 还有蕊冀复链、读撼识筠、攘 除挂起和擦除恢复等工作方式，只不过这几种工作方式在獠序设计时几乎不霉要考 虑什么问题，只要输入硪确的命令字即可，但是不同公司的f l a s h 存储器命令控制字 是不同的。前灏所遇到的问题，都可以通过c f i 来解决但茵先簧保证待操作的f l a s h 存赭器是一个c f i 兼容韵产品嚣“。 华中科技大学硕士学位论文 本系统所使用的f l a s h 存储器是a m d 公司的a m l 9 l v l 6 0 d b - - 7 0 e c ，其兼容c f i 标准。 图4 4 的流程图显示的是对芯片进行擦除操作的过程【2 l l ： 图4 4擦除操作流程图 图4 4 的流程图只是说明了进行擦除操作的过程，其余的操作大同小异，只是在命 令系列上有所不同，各种擦除和编程命令序列如表4 1 所示： 表4 1f l a s h 存储器命令序列表 命周总线周期 期第一周期第二周期第三周期第四周期第五周期第六周期 、 序数 地数地数地数地数地数地数 列目 址据址据址据址据址据址据 片攘除 60 0 aa a2 a 5 55 5 58 02 从a a2 a a5 50 0 b1 0 段擦除 60 0 0a a2 姓5 50 a 08 02 a aa a2 a a5 5s a3 0 编程 4a a2 5 55 5 5a 0p ap d 表4 1 中s a 表示段的起始地址，p a 和p d 分别表示编程的单元地址和要写入的数据。 m 1 1 9 l v l 6 0 d b 一共分为3 2 段，各段的大小分别为1 6 k ，8 k ，8 k ，3 2 k ，6 4 k 3 1 ，总 共是! 字节的存储空间。在本系统中，我们在u c l i n u x 下将这个f l a s h , 芯, 片分成5 个块 设备进行操作，分别为d e v r o m l ，d e v r o m 2 ，d e v r o m 3 ，d e v r o m 4 ，d e v r o m 5 ， 这5 个块设备的空间划分以及相应设备所存储的数据如表4 2 所示： 入算 | 蓦躲法 一连式 _ 华中科技大学硕士学位论文 表42系统f l a s h 存储器结构分配 设备名称空间大小存储内容 d e v r o m l1 6 kc o l i l o d e k o m 28 k u c l i n u x 核心参数 d e v r o m 38 k网络配置参数 d e v r o m 4 。 3 2 k保留 d e v r o r n 5 1 9 8 4 k ( 6 4 k + 3 1 ) 操作系统核心镜像 4 41 0 m 以太网接口 本系统提供了一个基于c i r r u sl o g i c 公司c s 8 9 0 0 a - - c 0 3 芯片的i o m 以太网接 口，它虽然与n e 2 0 0 0 不兼容，但是很适合于嵌入式系统的应用，这可以从其组成结 构框图看出，如图4 5 所示c 2 1 二j 】： c s 8 9 0 0 a 支持8 位和1 6 位访问方式。可以工作在i o 方式或存储器读写方式， 片内集成了i s a 总线接口，可以很容易得和通用的嵌入式处理器接口，同时集成了 4 k 8 的r 姐用来缓冲数据从而降低处理器的负担。 华中科技大学硕士学位论文 在c s 8 9 0 0 a 与5 3 0 7 的接口设计中，需要特别注意的是他的读写时序的控制，我 们可以先看看他的读时序图，如图4 6 所示1 2 3 , 2 5j ： 8 0 c 1 5 ：0 v h dh ：l d m s 8 t d 刚 r i o r g t 旧只 t i o r o v d 口8 t a t l o f l 5 d i r e c t l 0 n ： i no r o u t o f c h i p i n 口l r r i n 0 l r r 图4 8 1 6 位i o 方式读时序 从图4 6 我们可以看出读有效的信号必须在地址数据以后，而且这个时间t f