蓝牙通讯程序设计.doc

通 信 原 理课程设计 课题： 蓝牙通信程序设计 学号： 084221033 姓名： 蓝牙通信程序设计目录蓝牙通信程序设计2目录21.引言：3课题背景及意义32.蓝牙技术与蓝牙系统结构简介:32.1 蓝牙技术简介32.2 蓝牙协议（HCI）介绍32.3 蓝牙系统结构简介52.4 MT1020A基带控制器和PH2401无线收发器介绍53.USB蓝牙适配器介绍74. Visual Stdio 2008环境下的PDA Windows应用程序设计84.1 MT1020A端的软件设计84.1.1初始化84.1.2 蓝牙交互84.1.3 处理数据94.2 PDA端的软件设计114.2.1配置资源参数114.2.2 打开串口资源124.2.3 PDA通信读写操作134.2.4关闭串口144.3 PC端的软件设计144.3.1 驱动程序流程图144.3.2 蓝牙适配器驱动程序接口函数的调用155. VS 2008环境下Windows应用程序的封装与PDA上应用程序的安装和调试166.结束语161. 引言：课题背景及意义随着微电子技术、通信技术和计算机技术的发展，计算机发展已经进入移动时代。以掌上电脑（PDA）为代表的移动式计算系统已日益普及。特别是工业高度发展的今天，对工业现场的通信与数据实时处理要求越来越高。在环境恶劣与布线不便的工业场所，设备间无线通讯与PDA辅助处理成了工业现场的最佳选择。蓝牙是一种低成本、高可靠性的无线传输技术，蓝牙通信是实现PDA与工业接入点通信的首要环节。蓝牙技术是用微波无线通信技术取代数据电缆来完成点对点或点对多点短距离通信的一种新型无线通信技术。而蓝牙芯片则是蓝牙技术的基础和关键。2.蓝牙技术与蓝牙系统结构简介:2.1 蓝牙技术简介蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。截止2009年4月，蓝牙共有五个版本 V1.1/1.2/2.0/2.1/3.0。以通讯距离来在不同版本可再分为 Class A(1)/Class B(2)。 蓝牙2.2 蓝牙协议（HCI）介绍蓝牙SIG 开发了蓝牙协议规范, 已发布版本包括1.0,1.0b,1.1 和2.0。蓝牙协议规范允许开发人员开发基于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, 目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作。蓝牙协议栈体系结构如图1 所示。蓝牙1.0 标准由两个文件组成。一个是核心部分（FoundationCore），它规定的是设计标准。另一个叫协议子集部分（FoundationProfile），它规定的是运作性准则。蓝牙协议可以分为4 层，即核心协议层、电缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其它协议层。由于篇幅的限制，本文只介绍核心协议。蓝牙的核心协议包括基带（baseband）、链路管理（LMP）、逻辑链路控制与适应协议（SDP）等四部分。基带层：蓝牙采用跳频扩频技术，每秒1600 跳，从时间域看即每个时隙长度是625s，即每个时隙从79 个信道中选择一个。蓝牙既支持电路型数据，也支持分组型数据；既支持点对点连接，也支持点对多点连接。在一个微微网络（Pieconet）中，一个单元作为主节点，其他作为从节点，最多可以有7 个从节点；但是允许有更多从节点与主节点保持在Park 状态。从节点对信道的接入由主节点控制。微微网络在覆盖上可以有重叠：每个网络有各自的跳频方案，一个网络的主节点可以同时作为另一个网络的从节点；一个从节点可以属于多个网络。主节点向从节点发送数据只能占用偶时隙，反之从节点只能在奇时隙才能向主节点发送数据。一个分组（Packet，实际上更习惯的说法是帧，因为在基带层其地位类似于OSI的第2 层、部分涉及物理层，分组的确切用法在第3 层，但是蓝牙基带层规范中采用Packet术语）的传送最多可以占用5 个时隙，在一个分组的传送期内，维持初始时隙所占用的信道而不再跳频。链路管理（LMP）负责蓝牙组件间连接的建立。通过连接的发起、交换、核实，进行身份鉴权和加密等安全方面的任务；通过协商确定基带数据分组大小；它还控制无线单元的电源模式和工作周期，以及微微网内蓝牙组件的连接状态。逻辑链路控制与适应协议（L2CAP）位于基带协议层之上，属于数据链路层，是一个为高层传输和应用层协议屏蔽基带协议的适配协议。其完成数据的拆装、基带与高协议间的适配，并通过协议复用、分用及重组操作为高层提供数据业务和分类提取，它允许高层协议和应用接收或发送长过64K 字节的L2CAP 数据包。业务搜寻协议（SDP）是极其重要的部分，它是所使用模式的基础。通过SDH，可以查询设备信息、业务及业务特征，并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备间的连接。SDP支持3 种查询方式：按业务类别搜寻、按业务属性搜寻和业务浏览（browsing）。2.3 蓝牙系统结构简介MT1020基带控制器和PH2401无线收发器分别由MITEL公司和PHILSAR公司提供,两者配合可构成完整的低功耗的蓝牙模块,提供高至HCI（主机控制接口）层的功能。它们在蓝牙系统中的位置如图2所示。MT1020基带控制器负责蓝牙基带部分的功能,完成基带以及链路的管理,包括对SCO（同步）和ACL（异步）连接方式的支持、差错控制、物理层的认证与加密、链路管理等;PH2401实现数据的无线接收和发送;虚线以上部分由用户根据不同的应用需求来实现，分为用户主机端和用户PDA端。特别值得一提的是,在该蓝牙模块解决方案中,即将推出的改进型基带控制器MT1020B可提供20K的用户ROM,使用户可以利用其内嵌的低功耗、高性能的32位ARM7TDMI内核,从而简化用户设计,实现最低楞耗、最高集成度的蓝牙产品。2.4 MT1020A基带控制器和PH2401无线收发器介绍工业现场接入点通过传感器将信号传入MT1020A中再经PH2401无线收发器将信号发射给上位机处理，本章主要介绍基带控制器与无线收发器的结构与原理。2.4.1 MT1020A基带控制器的结构与原理MT1020A是MITEL公司推出的低成本、微功耗蓝牙基带控制器芯片。它和其它的无线收发器一起可以构成一个完整的低功耗小于蓝牙技术系统。MT1020A采用CMOS工艺制作,是低功耗无线通信应用系统中理想的蓝牙基带微处理器件。它的引脚排列如图3所示：MT1020A采用1111球形焊珠阵列121脚SSBGA封装形式。图3为其引脚排列图。MT1020由嵌入式微处理器和蓝牙基带外设组成,如图4示。在该芯片中,系统内部时钟可以低至5MHz、内核供电电压为2V、硬件解码、支持DMA传输,所有这些使得该芯片具有超低功耗。MT1020A的基带外围电路主要由主机接口、总线接口、蓝牙链路控制器、12kB缓冲RAM、队列管理器、音频编解码器以及音频和其它通信接口电路功能块组成。该部分可用最小的软硬件开销完成各种重要的蓝牙系统操作。基带外围电路中的总线接口主要用于完成微处理器与基带外围电路之间的各种通信,而外围电路内部各部分之间的数据传输则使用外围电路中的BT总线来完成。键路控制器用来完成与外部无线收发器之间的通信,以实现数据发送时的装配、加同步字、帧头和CRC校验以及数字接收时的解码和检错等。缓冲RAM是专门存储蓝牙数据包和变量的存储器,容量为12kB。队列管理器可实现缓冲RAM与链路控制器以及主机接口与音频或其它通信接口之间的DMA传输。音频解码器是一个全双工的解码器,内含麦克风放大器和耳机驱动器,其中的数字转换器可进行线性PCM、A律PCM、律PCM和CVSD间的相互转换。2.4.2 PH2401无线收发器与嵌入式控制内核功能介绍PH2401单片无线收发器用砷化镓工艺制造,具有高集成度、超低功耗、体积小等优点,专门优化用于2.4GHz无线个人系统,完全兼容蓝牙规范“Bluetoooth V1.0”。 它工作于2.4GHz的ISM频段,以每秒1600次的速度在79个频道（2.402GHz-2.408GHz）上快速跳频,最大位传输速率可达1Mbit/s。PH2401采用调制指数为0.3的高斯频移键控制（GFSK）调制方式,信道带宽为1MHz,频偏在140kHz-175kHz之间,满足蓝牙2级和3级操作, 送功率可在-10dBm-+2dBm之间编程设定,发射范围为10-100m。接收器由RF-IF下变频器、自动增益控制(AGC)、滤波器、双通道模/数转换器及调制器组成。基带控制器通过串行总线与PH2401接口。通过对其内部寄存器的读写实现跳频、调谐等其它控制。工业现场，MT1020A和PH2401所组成的蓝牙系统框图如图5所示：蓝牙系统的具体接线：本文用该芯片的串行异步收发器1，也就是E3（U1txd）：UART1数据发送端，和F3（U1rxd）：UART1数据接收端与工业现场接入点的传感器信号或控制仪表相连;用蓝牙外围电路的无线接口J6（Ri_spi_misod）：（无线电串行接口数据输入）L6（Ri_spi_misod）：（无线电串行接口数据输出）与PH1024无线收发器相连;用C11（Gpio）：通用I/O口， D9（Gpio）：通用I/O口， D10（Gpio）：通用I/O口， E8（Gpio_）：通用I/O口或芯片USB唤醒输出引脚，这四个通用I/O端口连接一个液晶显示屏，以显示接收到的数据。其它再具体的接线本文限于篇幅不再赘述。3.USB蓝牙适配器介绍蓝牙USB 适配器采用CSR BlueCore 04,可去市场购买，价格大概在三十到四十元左右，用时先向PC机里面装相应的驱动程序，再将USB适配器插入PC机的USB接口中即可与MT1020A端和PDA端进行通信。至此工业现场通信的三方通信硬件平台的搭建已基本完成，三方通信框图如图6所示： 蓝牙适配器图片4. Visual Stdio 2008环境下的PDA Windows应用程序设计4.1 MT1020A端的软件设计单片机端的软件在Keil 平台下进行嵌入式C 编程实现, 传输层采用UART,单片机通过UART 控制蓝牙模块。软件包括初始化, 蓝牙交互, 处理数据三个模块。4.1.1初始化初始化包括系统初始化和蓝牙初始化。系统初始化包括CPU 时钟初始化, 管脚分配, 串口初始化等,蓝牙初始化是通过UART 给蓝牙模块发送一系列初始化命令, 蓝牙模块返回事件, 交互完成一系列的复位, 鉴权, 读地址等初始化操作。初始化程序主函数如下：main.cmain( ) 主函数sys_init( ) 系统初始化, 包括设置看门狗, 初始化时钟, 键盘及液晶, 配置端口bt_init( ) 蓝牙初始化uart.cuart_init( ) 串口0 初始化, 包括设工作方式, 开中断, 设波特率, 开定时器1限于篇幅，具体主程序的编写不再赘述。4.1.2 蓝牙交互通信就是初始化完成后若本地蓝牙作从设备, 则等待远端蓝牙设备的建链请求, 如果接受请求, 则继续等待建链成功, 获得一个连接句柄, 从而进行数据交换, 若本地蓝牙作主设备, 则通过一系列主动查询, 建链, 发送数据, 断链等操作处理数据就是将数据显示在与单片机相连的LCD 上等一系列后续操作。程序流程图如图8示。蓝牙交互部分的程序主函数如下：bt_inquiry( ) 搜索附近蓝牙设备bt_create_connection( .) 与指定蓝牙设备建立连接bt_send_acl_data( .) 发送ACL 数据bt_disconnection( .) 与指定蓝牙设备断开连接4.1.3 处理数据数据结构方面, 程序按照HCI 规范构造了HCI指令分组cmd_pkt, HCI 事件分组event_pkt 和HCIACL 数据分组acl_pkt 的数据结构, 并设计了用于标识当前蓝牙设备的hci_device 结构体, 包括蓝牙设备配置信息hci_info, 蓝牙连接信息hci_con 和用于存储返回分组信息的接收缓冲区hci_buf1000, 具体如图9所示。软件采用前后台的方式实现, 前台运行主程序,后台定时循环调用HCI 状态机。HCI 状态机是一个子程序, 用来专门处理蓝牙模块返回的HCI 事件分组和HCI 数据分组。状态机通过分析HCI 事件分组来决定相应操作, 获取相关信息, 通过分析HCI 数据分组, 来接收实际传输数据并存储到接收缓冲区。具体的HCI 状态机的处理流程如图10所示：HCI 状态机初始状态置为IDLE_STATE, 根据HCI UART 传输层格式规范, 按字段取蓝牙模块返回的各个字节, 每个字节为一个十六进制数, 不同的数代表不同的含义。第一个字节为分组指示器, 标识分组的类型。ACL 数据分组为ACL_PKT( 0x02) , SCO数据分组为SCO_PKT( 0x03) , 事件分组为EVT_PKT( 0x04) , 另外指令分组为CMD_PKT( 0x01) , 蓝牙模块只返回ACL, SCO 和事件分组。取出第一个字节判断出分组类型。若为事件分组, 则状态机转换为EVENT_HDR_STATE 状态, 继续取字节, 读出事件码和参数长度后, 转换到EVENT_DATA_STATE 状态, 表示再来的字节即为事件参数, 读取事件参数,并调用process_event ( ) 处理事件, 完成后回到IDLE_STATE 状态。若为ACL 数据分组, 则先转换为ACL_HDR_STATE 状态, 取出连接句柄, 转换为ACL_DATA_STATE 状态, 处理后续来的数据, 即为实际接收到的数据, 完成后回到IDLE_STATE 状态。若为SCO 数据分组, 类同ACL 数据分组的处理过程。HCI 状态机要通过系统预先设定的一个定时器定时循环调用, 虽然HCI 从UART 得到的数据流是一块一块的, 有可能刚好是一个分组, 有可能是几个分组, 还可能是一个分组的部分数据, 但状态机对接收到的一块数据流的处理是连续进行的, 数据流的间断只会造成状态机的暂时等待, 而不会影响其正确处理返回分组。如中途出现分组丢失或错误的字段, 状态机会报错并重新置回初始态。状态机数据处理部分的程序主函数如下：hci.chci_state_machine( ) hci 状态机, 定时器3 定时10ms 中断调用hci_buf_put_ch( ) uart0 中断接收蓝牙模块返回数据, 放入hci_data_buf1000hci_buf_get_ch( ) 从hci_data_buf1000读取一个字符待状态机分析hci_reset( .) 复位命令, 组合命令分组, 调用send_cmd( ) 发送给蓝牙模块 类同hci_reset, hci 共4 大类命令: 链路管理/ 链路策略/ 主机控制器/ 信息参数get_opcode( .) 将ogf 和ocf 组合成操作码opcodele_u16_to_u16( .) 实现反位序即大小模式转换send_cmd( .) 将指定长度的hci 指令送入指令发送缓冲区并调用uart_send_str()发送出去uart.cuart_send_ch(.) 发送一个字符uart_send_str(.) 发送一个指定长度的字符串4.2 PDA端的软件设计C # 环境下单片机与PDA 无线通信的实现目前,国内PDA 基本采用Windows Mobile 操作系统。Windows Mobile 系统是Microsoft 公司为智能移动终端设备设计的嵌入式操作系统,基于Windows Mobile 操作系统的智能终端设备分Smart Phone 和Pocket PC 两大类。其中,Smart Phone 为智能手机系统, Pocket PC 为个人掌上电脑。现在,很多Pocket PC 也加入电话功能成为Pocket PC Phone。Windows Mobile 2003 中内置. Net Compact Framework CF ,方便开发人员对Windows 智能移动终端设备的开发。Microsoft 也为Windows CE 提供了很多设备开发工具,如近年来发展迅速的Visual Studio 2008 中的Visual C # 。Visual C # 2008 为开发在基于Windows CE的智能设备(如Pocket PC 和Smart phone) 上运行的软件提供丰富的集成支持,可以使用开发PC 程序时所使用的相同代码编辑器、设计器和调试器界面,它还提供仿真程序,让我们可以在开发计算机上运行和调试编写的代码;Visual C # 2008 中的SerialPort 类控制串口资源非常方便,因此,本文选用Visual C # 2008 来编写蓝牙串口通信程序。蓝牙串口通信的基本流程包括配置资源参数、打开串口资源、通信读写操作和关闭串口资源。4.2.1配置资源参数在Windows CE 系统中,串口与其他通信设备是作为文件进行处理的。本文对蓝牙串口进行操作用到了C #2008 中的SerialPort 类,此类在. NET Framework 2. 0 版本中是新增的,用于控制串口文件资源。初始化SerialPort类实例和配置资源参数方法如下:namespace BlueTooth_RS232_ public partial class FormMain : Form /窗体 public FormMain() InitializeComponent(); /窗体初始化 private ComPort comPort = new ComPort(); /COM端口实例化 private void FormMain_Load(object sender, EventArgs e) this.SetMenu(Port); /设置菜单 private void SetMenu(ComPort comPort) switch (comPort.PortName) /选择COM端口 case COM1: this.menuCOM1.Checked = true; this.menuCOM2.Checked = false; this.menuCOM3.Checked = false; this.menuCOM4.Checked = false; this.menuCOM5.Checked = false; this.menuCOM6.Checked = false; this.menuCOM7.Checked = false; this.menuCOM8.Checked = false; break; default: this.menuCOM1.Checked = true; /默认值设为COM1 this.menuCOM2.Checked = false; this.menuCOM3.Checked = false; this.menuCOM4.Checked = false; this.menuCOM5.Checked = false; this.menuCOM6.Checked = false; this.menuCOM7.Checked = false; this.menuCOM8.Checked = false; break; 波特率、停止位、校验位等参数的设置方法和com端的设置基本类似，限于篇幅，不再赘述。4.2.2 打开串口资源打开串口资源在串口参数配置正确的情况下,只需调用SerialPort类的Open 方法即可打开串口连接。方法如下:try if (!this.serialPort.IsOpen) this.serialPort.Open(); /打开串口 4.2.3 PDA通信读写操作在成功设置通信参数并打开串口连接后,可采取事件触发的方式对数据进行接收与发送处理。本文使用SerialPort 类的DataReceived 事件方法来处理SerialPort 对象的数据接收事件,同时还要用到SerialDataReceivedEvent Handler 委托来处理SerialPort 对象的DataReceived 事件,使用SerialPort类中的DataWrite事件方法来处理数据的发送。由于MT1020A端、PC端与PDA端所发送或接收的信号均为二进制所转化成的ASCII码，所以发送与接收信号时存在一个数据的编码与解码的过程12。具体方法如下:private StringBuilder buffer = new StringBuilder(); /缓存实例化 private void serialPort_DataReceived(object sender, System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs e) byte recBytes = new bytethis.serialPort.BytesToRead; this.serialPort.Read(recBytes, 0, recBytes.Length); /读取ASCII码数据 string recString = ASCIIEncoding.ASCII.GetString(recBytes, 0, recBytes.Length);/数据解码 this.buffer.Append(recString); /将数据重载入缓存 private void timer_Tick(object sender, EventArgs e) /将数据从缓存传送到接收区 if (this.cBox.Checked) /如果该项选中，则转化为unicode字符显示 char chars = this.buffer.ToString().ToCharArray() ; for (int i = 0; i chars.Length; i+) this.textReceive.Text += (byte)charsi).ToString(X) + ; else this.textReceive.Text += this.buffer.ToString(); /如果不选中该项则为字符串显示 this.buffer.Remove(0, this.buffer.Length); /清空缓存 private void textSend_GotFocus(object sender, EventArgs e) this.inputPanel.Enabled = true; private void btnSend_Click(object sender, EventArgs e) /发送串口数据 string sendString = this.textSend.Text; byte sendBytes = new bytesendString.Length; ASCIIEncoding.ASCII.GetBytes(sendString,0,sendString.Length,sendBytes,0);/将数据转换成ASCII码 this.serialPort.Write(sendBytes, 0, sendBytes.Length); /将ASCII码写入串口 4.2.4关闭串口为了省电,掌上电脑串口通常关闭。SerialPort 类的Close 方法可以关闭端口连接。方法如下:try if (this.serialPort.IsOpen) this.serialPort.Close(); /关闭串口 4.3 PC端的软件设计PC 端硬件连接比较简单, 将蓝牙USB 适配器直接通过USB 连接到PC 上即可, 需要注意的是, 插上适配器后, 如果是在XP 系统下, 系统会自动装载蓝牙适配器驱动程序, 因为在此是要开发自己的简单应用程序, 而自动安装的驱动程序是针对高级应用开发的, 覆盖了HCI 层, 因此需要将其卸载, 安装针对特定适配器的HCI 驱动程序。此处使用的是CSRBlueCore 04, 安装CSR USB Driver 1.18, 安装成功后可在“设备管理器”-“通用串行总线控制器”中查找到“CSR BlueCore Bluetooth”。4.3.1 驱动程序流程图程序流程图如图12所示：4.3.2 蓝牙适配器驱动程序接口函数的调用操作系统采用Windows XP, 蓝牙USB 适配器采用CSR BlueCore 04, 蓝牙USB 适配器驱动程序采用csrbc1.18。此驱动程序提供了一系列的控制字, 通过这些控制字可以直接在HCI 层上控制蓝牙适配器。编程环境为VC+ 6.0。驱动程序的接口采用WindowsAPI 函数。PC端函数表如下： CBTHCIDlg.cppOnOpenLocalBT( ) 打开本地蓝牙设备,若成功则开启两个后台线程,监测HCI 事件和ACL 数据OnBTInit( ) 蓝牙初始化, 包括复位, 设置鉴权, 连接超时, 读本地地址等一系列操作OnInquiry( ) 搜索附近蓝牙设备OnCreateConnect