（通信与信息系统专业论文）基于蓝牙hci协议的无线鼠标的研究(1).pdf

哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 摘要 蓝牙 b l u e t o o t h 作为一种低功耗 低成本 短距离的无线连接技术标 准 是由爱立信 e r i c s s o n 国际商用机器 i b m 英特尔 i n t e l 诺基 亚 n o k i a 和东芝 t o s h i b a 5 家公司共同倡导的一种全球无线技术标 准 蓝牙特殊兴趣小组 s p e c i a li n t e r e s tg r o u p s i g 自1 9 9 8 年5 月成立 以来 加盟的公司已超过2 5 0 0 个 蓝牙技术的设计初衷就是将智能移动电 话与笔记本电脑 掌上电脑以及各种数字信息的外部设备用无线方式连接起 来 进而形成一种个人周围领域的网络 使得在其范围之内各种信息化的移 动便携设备都能实现无线的资源共享 随着蓝牙技术的逐渐成熟与发展 它 的触角已经深入到了众多领域 蓝牙产品也是层出不穷 本课题主要研究蓝牙核心协议 实现基于蓝牙协议的无线数据传输 蓝 牙核心协议包括基带规范 b a s e b a n d 链路管理协议 l m p 逻辑链路控 制与适配协议 l 2 c a p 和业务发现协议 s d p 除上述协议层外 规范 还定义了主机控制器接口 h c i 它为基带控制器 连接管理器 硬件状 态和控制寄存器提供命令接口 h c i 接口是庞大复杂的蓝牙协议体系中唯一 必须掌握的部分 也是本课题要解决的关键问题 本课题重点实现在c 8 0 5 1 f 0 2 3 单片机中嵌入蓝牙主机控制器接口协议 h c i 通过串口实现对蓝牙模块的控制 完成数据的收发处理 从而构 建一个点对点的蓝牙系统 另外对鼠标底层通信原理与协议深入分析 利用 a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机构成串行鼠标 将鼠标编码数据经蓝牙系统传输给计算 机 经上位机的解码实现无线鼠标功能 关键词蓝牙 核心协议 h c i 无线鼠标 兰玺鎏三兰当 篓 兰堡丝塞 a b s t r a c t b l u e t o o t hi sal o wp o w e r l o wc o s tt e c h n o l o g ys p e c i a lf o rs h o r td i s t a n c e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i tw o r k so nt h eo p e ni s mb a n d i tc a ns a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t sv a r i a b l ec o m m u n i c a t i o n s u c ha sv o i c eo rd a t a a n dc a nb eu s e di n p c m o b i l ep h o n ea n dp d a e t c w i t hb l u e t o o t h u s e r sc a ni n t e r c o n n e c tt h e s e d e v i c e s e a s i l y a n d q u i c k l y w i t h o u tc a b l e s n o ws i gh a sm o r et h a n2 5 0 0 m e m b e r s a n dm o s t o ft h e ma r et h ei e a d e r si nt h e c o m p u t e r f i e l d c o m m u n i c a t i o nf i e l d e t c b l u e t o o t hi sp r o m i s i n gf o rs om a n yc o m p a n i e sp a y i n g a t t e n t i o nt oi t t h i st h e s i sa n a l y z e st h ec o r eo fb l u e t o o t hp r o t o c o la n di n t r o d u c e st h ek e y t e c h n o l o g yo fi m p l e m e n t a t i o n t h e c o r eo f s p e c i f i c a t i o no f t h eb l u e t o o t hs y s t e m d i v i d ei n t op a r tb a s e b a n d p a r tl i n km a n a g e r p r o t o c o l p a r tl 2 c a p a n dp a r ts d p e t c t h eh c ip r o v i d e sau n i f o r l r lc o m m a n di n t e r f a c et ot h eb a s e b a n dc o n t r o l l e r 1 i n km a n a g e ra n da l s ot oh a r d w a r es t a t u sr e g i s t e r s t h em a i na i mo ft h i st h e s i s i ss e t u p a p o i n t t o p o i n t w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a p p l i c a t i o n s y s t e mo fb l u e t o o t hu s i n ge m b e dt h eh c i p r o t o c o li na nc 8 0 5 1f 0 2 3m i c r o c o n t r o l l e r t h i ss y s t e mc a nt r a n s f e rt h ea c ld a t a a n o t h e ra i mo ft h i st h e s i si sc o n s t r u c tas e r i a lm o u s es y s t e mu s i n ge m b e d t h es e r i a lp r o t o c o lf o rm o u s ei na nm i c r o c o n t r o l l e ro fa t 8 9 c 2 0 51 t h ec o d e so f m o u s ea r et r a n s f e r r e dt ot h ep ct h r o u 曲t h ea p p l i c a t i o ns y s t e mo fb l u e t o o t h d e c o d e db yt h es o f to ft h ep c t h e naw i r e l e s sm o u s es y s t e mc a nb eb u i l du p t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r eo ft h eb l u e t o o t hi nb r i e ff i r s t l y t h e n a n a l y z e s h c ii nd e t a i l s a l s o g i v e s s o m es t r u c t u r e sa n dm o d u l e so f i m p l e m e n t a t i o n f i n a l l y i td e s c r i b e st h ew i r e l e s sm o u s em o d u l e k e y w o r d sb l u e t o o t h t h ec o r eo fs p e c i f i c a t i o no ft h eb l u e t o o t hs y s t e m h c i w i r e l e s sm o u s e i i 眙尔滨t 业大学t 学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 本课题来源于黑龙江省科技攻关项目 本课题的目的是研究蓝牙核心协议 具体是利用嵌入了蓝牙协议的单片机 通过串口实现对蓝牙模块的控制 完成数据的收发处理 课题的关键是在单片 机中嵌入蓝牙主机控制器接口协议 h c i 另外对鼠标底层通信原理与协议深 入分析 利用a t 8 9 c 2 0 5 l 单片机构成串行鼠标 将鼠标编码数据经蓝牙系统 传输给计算机 实现无线鼠标功能 1 2 蓝牙技术特点 蓝牙是一种短距无线技术规范 它最初的目标是取代现有的掌上电脑 移 动电话等各种数字设备上的有线电缆连接 在制定蓝牙规范之初 就建立了统 一全球的目标 向全球公开发布 工作频段为全球统一开放的2 4 g h z 工业 科学和医学频段 i s m 1 从目前的应用来看 由于蓝牙体积小耗能低 其 应用已不局限于计算机外设 几乎可以被集成于任何数字设备之中 特别是那 些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备 2 总体来说蓝牙技术的特 点可归纳如下几点 1 全球范围适用 蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频段 全球大多数国家 i s m 频段的范围是2 4 2 4 8 3 5 g h z 使用该频段无需向各国的无线电资源管理 部门申请许可证 3 2 同时可传输语音和数据 蓝牙采用电路交换和分组交换技术 支持异步 数据信道 三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道 蓝牙有两 种链路类型 异步无连接 a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s s a c l 链路和同步 面向连接 s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n o r i e n t e d s c o 链路 a c l 链路支持对称 或非对称 分组交换和多点连接 适用于传输数据 s c o 链路支持对称 电路 交换和点到点连接 适用于传输语音 3 可以建立i 临时性的对等连接 a d h o cc o n n e c t i o n 根据蓝牙设备在网 络中的角色可分为主设备 m a s t e r 与从设备 s l a v e 主设备是组网连接主 哈尔滨丁业大学t 学颂十 学位论文 动发起连接请求的蓝牙设备 而连接响应方则为从设备 几个蓝牙设备连接成 一个微微网时 其中只有一个主设备其余均为从设备 4 微微网是蓝牙最基本 的一种网络形式 最简单的微微网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的 通信连接 通过时分复用技术 一个蓝牙便可以同时与几个不同的微微网保持 同步口 微微网络的覆盖范围若有重叠 它们之间便会形成一个散劓网 s c a t t e m e t 4 具有很好的抗干扰能力 工作在i s m 频段的无线电设备有很多种如家 用微波炉 无线局域网 w l a n 和h o m e r f 等产品 为了很好地抵抗来自这 些设备的干扰 蓝牙采取了跳频方式来扩展频谱 将2 4 0 2 一 2 4 8 g h z 频段分 成7 9 个频点 相邻频点间隔1 m h z 蓝牙设备在某个频点发送数据之后 再 跳到另一个频点发送 而频点的排列顺序是伪随机的 每秒钟频率改变1 6 0 0 次 每个频率持续6 2 5 1 t s l 6 j 5 蓝牙模块体积很小 可以方便地集成到各种设备中由于个人移动设备 的体积较小 嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小 如爱立信公司的蓝牙模 块r o k l 0 4 0 0 1 的外形尺寸仅为1 5 5 m m 1 0 5 m m 2 1 m m 6 低功耗 蓝牙设备在通信连接状态下 有四种工作状态 激活 a c t i v e 模式 呼吸 s n i f r 模式 保持 h o l d 模式和休眠 p a r k 模 式 a c t i v e 模式是正常的工作状态 另外三种模式是为了节能所规定的低功耗 模式 s n i f f 模式下的从设备周期性地被激活 h o l d 模式下的从设备停止监听 来自主设备的数据组 但保持其激活成员地址 p a r k 模式下的主从设备间仍保 持同步 但从设备不需要保留其激活成员地址 这三种节能模式中 s n i f f 模式 的功耗最高 对主设备的响应最快 p a r k 模式的功耗 对于主设备的响应最 慢 7 开放的接口标准 s i g 为了推广蓝牙技术的使用 将蓝牙的技术标准全 部公开 全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发 只要最 终通过s i g 的蓝牙产品兼容性测试 就可以推向市场 这样一来 s i g 就要以 通过提供技术服务和出售芯片等业务获利 同时大量蓝牙应用程序也可以得到 大规模推广v j 8 成本较低 蓝牙产品刚面世的时候 价格昂贵 随着市场需求的扩大 各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和模块 蓝牙产品的价格也飞速下降 目 前 蓝牙芯片的量产价格已经突破5 美元 而且还有进 步下滑的趋势 引 哈尔滨工业人学工学确 学位论文 1 3 蓝牙技术发展现状 蓝牙技术从诞生之日在不断的发展和完善 虽然在发展中遇到了很多困 难 但自蓝牙规范1 o 版推出之后 蓝牙技术的推广与应用得到了迅猛发展 目前最新的蓝牙规范版本是2 0 e n h a n c e d d a t a r a t e e d r 1 3 1 蓝牙规范的新版本 短距离无线规格蓝牙的标准化团体蓝牙特别兴趣小组 s i g 于当地时间 2 0 0 4 年1 1 月8 日宣布批准最新规格 b l u e t o o t hc o r es p e c i f i c a t i o nv e r s i o n2 0 e n h a n c e dd a t ar a t e e d r 数据传输速度提高到以往的3 倍 并减小了耗 电量 v e r s i o n2 0 e d r 建立了可同时使用多个功能和设备的环境 以提高传 输大容量数据时的性能 由于耗电量减小 可使新一代蓝牙设备的使用时问 最艮可延长到目前的两倍例 v e r s i o n 2 0 e d r 的主要特点如下 1 数据传输速度提高到3 倍 最多提高到1 0 倍 2 增大可使用带宽 简化多链路方法 3 向下兼容原有的规格 4 加强误比特率 b e r 的性能 b l u e t o o t hs i g 预计2 0 0 5 年基于新规格的产品将在市场问世 首先将应用 于个人电脑行业 以后将渗透到音频和图像相关设备中 b l u e t o o t hs i g 还表示 美国b r o a d c o m 英国c s r 以及美国r fm i c r o d e v i c e s 已测试完成支持新规格芯片的原型 b r o a d c o m 和c s r 的芯片可立即 使用 r fm i c r od e v i c e s 则计划在2 0 0 5 年第1 季度发布 1 3 2 对于蓝牙技术在中国的前景的展望 在国内形成蓝牙产业化是不容易的 需要多方面的合作 首先 国家是明 确提出支持蓝牙技术在中国发展并且科技部已经把蓝牙技术的研究与应用列入 8 6 3 计划 我国现在实行市场经济条件下的宏观调控政策 对于蓝牙的发展政 府可以介入进行组织和牵线 投入一部分资金吸引一些厂商来购买加工芯片 并且进行风险投资 协调一些大的电器公司比如海尔 海信 康佳 t c l 等将 蓝牙芯片运用到自己的产品中并且组织技术人员进行科研攻关 由于蓝牙协议 的开放性只要是加入s i g 的成员就能使用该协议的规定而无须交纳费用 在我 国也有一些企业具备了这些资格 另外作为政府也可以在蓝牙普及过程中做出 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 推动作用 比如购买蓝牙基础设备和在一些公共地带安装蓝牙基站以满足短距 离通信的要求 尤其是在人口密集蜂窝通信的信号不稳定的情况下更是能发挥 很大作用 移动和联通公司应该都看到这一点 蓝牙普及率提高后进入良性发 展轨道其他很多行业都能投资这方面 比如股票交易 比如a t m 柜员机 比 如天气和出行参考 比如教育资源的共享等等 虽然在现在国内企业特别是国 有企业还存在很多弊病 政策和机制还需要进一步改革 但是相信只要能够协 调一致 联合合作 重点发展 多渠道并重 蓝牙产业走一l 规模化道路还是很 有希望和前景的 1 4 其他短距离无线通信的现状 除蓝牙技术外 其他较为成功的短距离无线通信技术还有红外 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域网技术 红外 i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网技术和h o m e r f 技术的诞生都早于蓝牙 并且经过许 多年的发展 已经日渐成熟 各项技术指标也不断得到提升 蓝牙 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术和h o m e r f 工作在同一频段 它们之间存在着一 定的竞争和相互影响 1 4 1 红外通信技术 红外 i n f r a r 酣r e d 通信技术是通过波长为8 5 0 n m 的红外光传输数据 由于红外光线直线传输 易受遮挡 只支持点对点视距连接 收发装置的光路 夹角一般在3 0 内 常用通信距离为1 3 m j 红外技术的实现和操作都相对简单 成本低廉 可应用于各种场合 比如 两台笔记本电脑相互交换文件或p d a 之间交换电子名片 这在展览或会议现 场 都可以很方便地实现 另外 红外通信由于短距离和小角度等原因 具有 很好的安全性 并且几乎无干扰 而且 红外通信的传媒速度较高 最高可达 1 6 m b p s 蓝牙在其规范中专门定义了i r d a 互操作性协议 支持i r d a 的o b e x 协 议以及其他基于o b e x 的对象交换方面的应用 这是因为红外技术的发展和这 方面的应用已经相当成熟 但是 红外技术由于传输媒质本身的限制 其应用 前景不如蓝牙技术 哈尔演t 业大学t 学硕 卜学位论文 1 4 2i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术 i e e e 8 0 2 11 是电气电子工程师协会 i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s i e e e 8 0 2 工作组制定的无线局域网 w i r e l e s s l o c a la r e a n e t w o r k w l a n 标准 主要用于实现小范围内的移动组网和无线接入 i e e e 在8 0 2 1 1 的基础上相继推出了8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 b 两个标准 8 0 2 1 l a 工 作在5 g h z 的u n i i 频带 8 0 2 1 l b 工作在与蓝牙一样的2 4 g h zi s m 频带 8 0 2 1 1 b 只支持数据传输 传输速度最高可达11 m b p s 并且可根据环境中的射 频状况 在1 1 m b p s 5 5 m b p s 2 m b p s 和1 m b p s 之间切换 传输距离高达 3 0 0 m i l2 1 8 0 2 1 1 b 的传输速率和安全性比蓝牙高许多 因而在局域网的无线按入应 用方面具有一定的优势 基于8 0 2 1 1 b 技术的无线网络接入点 可以很好地同 时支持多个无线用户终端 主要为笔记本电脑 接入本地局域网以及访问互联 网 但是 8 0 2 1 l b 技术在体积 功耗和成本上无法与蓝牙相比 因而目前除 了作为网络接入之外 在其他对于低功耗 低成本等要求高的领域和设备上的 应用还很少 比如移动电话和p d a 口 可以说 蓝牙可以应用于那些8 0 2 1 l b 无法胜任的广阔的领域 与之相互补充 1 4 3h o m e r f 家用无线局域网技术 h o m e r f 技术建立在共享无线访问协议 s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c o l s w a p 之上 l 该协议主要针对家庭无线局域网 同时支持数据和语音通 信 其数据通信采用简化的i e e e8 0 2 1 1 协议标准 语音通信部分采用数字增 强型无绳电话 d i g i t a le n h a n c e dc o r d l e s st e l e p h o n e d e c t 标准 使用时分 多址 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t d m a 技术 h o m e r f 同样工作在 2 4 g h z 频段 采用跳频技术 每秒跳频5 0 次 最大功率为1 0 0 m w 有效范 围约5 0 m h o m e r f 的传输速率为1 m b p s 和2 m b p s 最多可支持6 个全双式 的语音信道 i 支持h o m e r f 的企业有惠普 h p 康柏 c o m p a q 摩托罗拉 m o t o r o l a 和西门子 s i m e n s 等8 0 多家公司 在出售到家庭的9 5 的无线 计算机产品都是基于h o m e r f 技术 可见h o m e r f 技术非常适用于家庭网络 环境 h o m e r f 技术侧重于p c 及其外设所组成的无线局域网 主要针对低成本 的家庭语音与数据的无线连接u 不仅可以组成家庭范围内的局域网 还可以 将家中的各种电器设备通过相应的网络接入点与公用交换电话网以及互联网相 连 当h o m e r f 技术采用p c m c i a 卡的形式实现时 其成本虽然比8 0 2 1 1 b 相 对低 但还是无法与蓝牙相比 h o m e r f 与8 0 2 1 1 b 一样面向特定应用领域 与蓝牙技术并不冲突i l 7 1 从现在来看 以上三种技术都有各自的优势和应用领域 并且在很大程度 上与蓝牙技术相互补充 蓝牙技术的优势是显而易见的 在今后的发展中 不 敢说它可以取代其他的无线技术 但无疑拥有更加广泛的应用前景 1 5 主要研究内容 本课题的主要研究内容是 1 蓝牙协议栈的结构及各协议的运行机制 蓝牙核一t s 协议 基带规范 b b 链路管理协议 l m p 逻辑链路控制与适配协议 l 2 c a p 和业务 发现协议 s d p 2 重点研究蓝牙主机控制器接口协议 h c i 3 设计主控制器接口的驱动程序 实现单片机对蓝牙模块的控制 访问 与信息处理 实现两个蓝牙设备之间的无线连接 4 利用a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机构成串行鼠标 将鼠标编码数据经蓝牙系统传 输给计算机 实现无线鼠标功能 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章蓝牙技术的协议标准 蓝牙技术规范 s p e c i f i c a t i o n o f t h eb l u e t o o t hs y s t e m 就是蓝牙无线通信的 协议标准 是由蓝牙特别兴趣小组 s i g 制订 它规定了蓝牙应用产品应遵 循的标准和需要达到的要求 到目前为止 已颁布的蓝牙规范有1 0 1 2 0 等几个版本 j 蓝牙技术规范包括核心协议 c o r e 和应用框架 p r o f i l e 两个文件 协 议规范部分定义了蓝牙的各层通信协议 应用框架指出了如何采用这些协议实 现具体的应用产品 由于新的产品应用模型和市场需求总是不断出现 因而蓝 牙的应用框架也不断得到扩充 在本课题中只是重点研究蓝牙技术规范中的核 心协议 2 1 蓝牙技术的协议规范 蓝牙协议规范遵循开放系统互连参考模型 从低到高地定义了蓝牙协议堆 栈的各个层次 下图2 一l 主要描述了蓝牙协议的结构 s i g 在蓝牙协议堆栈的高层尽量利用已有的成熟协议 还有一些仂 议是 s i g 基于其他协议修改而成的 如串口仿真 r f c o m m 和电话控制协议 t e l e p h o n ec o n t r o lp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n t c s 协议部分分为四层 第一层为核心协议 包括b a s e b a n d l m p l 2 c a p s d p 第二层为电缆替代协议层 r f c o m m 第三层为电话传送控制协议层 包括t c s b i n a r y a t 命令集 最后一层为可选协议 包括p p p u d p t c p i p o b e x 等 除上述协议层外 规范还定义了主机控制器接口 h c i 它为基带控制器 连接管理器 硬件状态和控制寄存器提供命令接 口 在蓝牙体系结构图中 h c i 并不是严格意义上的通信协议 它可以位于 l 2 c a p 之上 也可以位于其之下 蓝牙核心协议由s i g 制定的蓝牙专利协议 组成 绝大部分蓝牙设备需要核心协议 加上无线部分 而其它协议根据应 用的需要而定 2 1 1 核心协议 2 1 1 1 基带 b a s e b a n d 协议基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备单 元之间由射频构成的物理连接 蓝牙的射频系统是一个跳频系统 其任 分组 哈尔滨工业大学工学硕l 学位论文 幽2 1 蓝牙协议结构幽 在指定时隙 指定频率上发送 它使用查询和寻呼进程同步不同设备i 的发送 频率和时钟 可为基带数据分组提供两种物理连接方式 面向连接 s c o 和 无连接 a c l 而且在同一射频上可实现多路数据传送 l 采用跳频系统增强了抗干扰性 可由以下数学分析得之 跳频系统的载波频 率受到了一个伪随机序列的控制而不断伪随机地跳变 可以看成是载频按照一 定规律变化的多频频移键控 设信源产生的双极性数字信号为日o g o 一胛 其中吼为宽度l r 1n 7 的二进制信源序列 取值 l 或一1 g 口 f 薹箍 1 受p n 码序列控制的 频率合成器产生的频率为 其对应角频率0 3 2 硝 那么已调射频信号 s t 口o c o s 0 t 接收端接收到信号 o s f 一 f i o s j o 其中 o 为信道白噪声 j o 为干扰信号 墨o 为其他网络的跳频信号 l 接收端频率合成器在与发送端相同的p n 码控制下产生频率 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 厂 e j 一 一 厶十一 工为接收机中频 混频器中s o 与本振信号 相乘得到中频信号 o r c o s 2 3 纠 分别令 s o s o c o s 国 弦 门 o 船o c o s 掰 o j c o s 甜 s j o s r c o s m 弘 则 s 1o d f c o s 白 c o s 脚 寺d f c o s 2 如 去口o c o s 上 经中频滤波器后只剩固定中频信号 f 去n0 c o s 0 经过解调就可 z 恢复 对于分量 r 由于n 为高斯白噪声 经过混频 噪声分量与非跳频系 统一一样没变化 也就是说 跳频系统对白噪声没有处理增益 对于干扰分量 o 由于不知道跳频频率的变化规律 经过混频 被搬移 到中频频带以外 不能进入解调器 也就不能形成干扰 达到了抗干扰的目 的 其他网络跳频信号s f 有不同的跳频图案 由于组网设计的时候已经考虑 到了不同网络的互相干扰问题 使得不同网络的跳频序列相互正交 跳频图没 有得叠 也就不能形成干扰 跳频扩谱技术主动躲避干扰 具有较强的抗干扰能力 频谱利用率高 根 据不同的跳频码序列实现码分多址 易于组网 解决了直接序列扩频 d s s s 存在的远近效应问题 跳频系统采用快速跳频和纠错编码技术 起 到了频率分集的作用 降低了系统误码率 提高了抗干扰能力 跳频码速率比 的低得多 同步时间短 入网快 1 9 2 1 1 2 连接管理协议 l m p 连接管理协议 l m p 负责蓝牙各设备间连接 的建立 它通过连接的发起 交换 核实 进行身份验证和加密 通过协商确 定基带数据分组大小它还控制无线设备的电源模式和工作周期 以及微微网内 设备单元的连接状态 2 1 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 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 nl a y e rp r o t o c o l 简称l 2 c a p 是一个为高 层传输层和应用层协议屏蔽基带协议的适配协议 l 2 c a p 位于基带协议层之 上 属于数据链路层 l 2 c a p 为高层提供数据服务 允许高层和应用层协议 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 收发大小6 4 k b 字节的l 2 c a p 数据分组 p a c k e t 2 0 1 l 2 c a p 只支持基带面 向无连接的异步传输 a c l 不支持面向连接的同步传输 s c o s c o 链路 主要用预留的带宽进行实时语音传输 l 2 c a p 主要为上层提供以 卜 功能 1 协议复用 p r o t o c o lm u l t i p l e x i n g 多个高层协议共一个公共的物理 连接 从逻辑看每个协议都有自己的通道 但由于基带协议不能识别任何高层 协议 所以l 2 c a p 必须支持上层协议复用 它应能区别诸如s d p r f c o m m t c s 等高层协议 正确地收发相应的分组 2 分段和重组 s e g m e n ta n dr e a s s e m b l y 与其它有线的物理连接相 比 蓝牙的基带分组的大小有一定的限制 最大的基带分组只能传输3 4 1 字节 的信息 而这限制了高层协议有效地利用带宽以传输更大的分组 l 2 c a p 允 许高层和应用层协议收发大小为6 4 k b 字节的l 2 c a p 数据分组 所以 l 2 c a p 必须在传往基带前将其分组进行分段 以适应基带的要求 同样的 在接收方 l 2 c a p 必须能将多个基带分组重组为一个l 2 c a p 分组传往高层 3 服务质量 q o s q u a l i t yo f s e r v i c e 在l 2 c a p 的建立连接过程中允 许改变两台设备问的服务质量 每个l 2 c a p 实体应确保服务质量的实现并管 理所使用的资源 4 组管理 g r o u pm a n a g e r 很多协议支持组地址的概念 蓝牙的基 带协议支持微微网 即一一组设备使用同一时钟同步跳频 l 2 c a p 的组提取功 能可以有效地将协议的组映射为基带的微微网 以避免高层协议为了有效地管 理组而必须与基带协议直接联系 值得注意的是 l 2 c a p 只是利用基带的机 制来提供可靠的信道 其本身不提供任何重传校验功能 它能正确地传送分组 也是建立在基带能有序地传送同一分组的不同分段基础上的 2 1 1 4 服务发现协议 s i p 发现服务在蓝牙技术框架中起到至关重要的作 用 它是所有用户模式的基础 使用s d p 可以查询到设备信息和服务类型 从而在蓝牙设备间建立相应的连接 s d p 提供的功能主要有 基于服务的特定 属性发现服务 基于服务类发现服务提供浏览服务服功能 2 1 1 2 1 2 电缆替代协议 r f c o m m r f c o m m 是基于e t s l0 7 1 0 规范的串行线仿真协议 电缆替代 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上层协议 如o b e x 提供服务 哈尔滨工业大学t 学硕i 学位论文 2 1 3 电话控制协议 包括二元电话控制协议 t c sb i n a r y 或t c sb i n 和a t 命令集电话控制 协议 2 1 4 其他协议 点对点协议 p p p 在蓝牙技术中 p p p 位于r f c o m m 上层 完成点对 点的连接 t c p u d p f i pt c p u d p i p 协议是由i e t f 互联网工作组 制定的 广泛 应用于互联网通信的协议 在蓝牙设备中使用这些协议是为了与互联网相连接 的设备进行通信1 2 对象交换协议 o b e x i r o b e x 简写为o b e x 是由红外数据协会 i r d a 制定的会话层协议 它采用简单的自发的方式交换目标 o b e x 是 种类似于h t t p 的协议 它假设传输层是可靠的 采用客户机朋r 务器模式 独立于传输机制和传输应用程序接口 a p i 无线应用协议 w a p 无线应用协议是由无线应用协议论坛制定的 它融 合了各种广域无线网络技术 其目的是将互联网内容和电话债券的业务传送到 数字蜂窝电话和其它无线终端上 选用w a p 可以充分利用为无线应用环境 w a e 开发的高层应用软件 2 2 蓝牙技术的应用框架 为使用蓝牙技术的应用完成交互操作而做的一系列基本标准 针对不同的 应用p r o f i l e 规定了蓝牙协议栈的各层强制 可选的功能和调度流程 以保证蓝 牙设备间的通信 如g e n e r i ca c c e s sp r o f i l e g a p 一般访问应用规范定义了 蓝牙设备如何发现和建立与其他设备的安全 或不安全 连接 它处理一些一 般模式的业务 如询问 命名和搜索 和一些安全性问题 如认证 同时还 处理一些有关连接的业务 如链路建立 信道和连接建立 g a p 规定的是一 些一般性的运行任务 因此 它具有强制性 并作为所有其它蓝牙应用规范的 基础 s e r v i c ed i s c o v e r ya p p l i c a t i o np r o f i l e s d a p 业务搜索应用规范针对 在设备或微微网中所使用的 业务的调查进行定义 它负责对已知或特定业 务的搜索 及进行一些一般性的业务搜索和浏览 s e r i a lp o r tp r o f i l e s p p 定 义了如何在两个蓝牙设备上建立虚拟串口并使用蓝牙进行连接 晴尔滨t 业大学t 学硕l 学位论文 2 3 本章小结 本章介绍了蓝牙技术协议规范结构 重点介绍了其核心协议 包括基带规 范 b a s e b a n d 链路管理协议 l m p 逻辑链路控制与适配协议 l 2 c a p 和业务发现协议 s d p 对其他协议作了简单描述 为后面章中如何实现 h c i 做了铺垫 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章主机控制接口协议 在蓝牙的实现方案中 蓝牙射频 基带 与链路控制器 链路管理器层是 以硬件 固件出现的 l 2 c a p 层及以上的协议 因自身任务的复杂性 多样 性 则以主机软件方式实现 二者之间的消息和数据的接口是h c i 蓝牙标准 对h c i 定义如下 h c i 是一个调用和访问基带控制器和链路控制器以及硬件状 态和控制寄存器的命令接口 这一接口提供了一个访问蓝牙基带功能的统一方 法 对于大多数应用来说 h c i 层是最值得注意的 目的是实现主机设备与蓝 牙模块之间的互操作 即h c i 是蓝牙协议中软硬件之间的接口 蓝牙为应用提 供的无线传输功能 在用户看来 就是h c i 规范中的对应指令所体现的功能 h c i 接口是庞大复杂的蓝牙协议体系中唯一必须掌握的部分 也是本课题要重 点解决的问题 3 1h c i 概述 蓝牙技术集成到各种数字设备中的方式有两种 一种是单微控制器方式 即所有的蓝牙低层传输协议 包括蓝牙射频 基带 与链路控制器 链路管理 器 与高层传输协议 包括逻辑链路控制与适配协议 服务发现协议 串口仿 真协议 网络封装协议等 以及用户应用程序都集成到一个模块当中 整个处 理过程由一个微处理器来完成 另一种是双微控制器方式 即蓝牙协议与用户 应用程序分别由主机和主控制器来实现 低层传输协议一般通过蓝牙硬件模块 实现 模块内部嵌入式的微处理器称为主机控制器 高层传输协议和用户应用 程序在写入的个人计算机或嵌入的单片机 d s p 等上运行 称为主机 主机 和主机控制器之间通过标准的物理总线接口 如通用串行总线u s b 串行端口 r s 2 3 2 来连接 川 在蓝牙的主机 主控制器连接模型当中 h c i 层以上的协议在主机上运 行 而h c i 层以下的协议由蓝牙主机控制器硬件来完成 它们通过h c i 传输 层进行通信 主机和主机控制器中都有h c i 它们具有相同的接口标准 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 2 蓝牙主机控制器接口数据分组 3 2 1h c l 分组类型及原则 主机和主机控制器之间是通过h c i 收发分组的方式进行信息交换的 h c l 分组有三种类型 指令分组 c o m m a n dp a c k e t 事件分组 e v e n tp a c k e t 和 数据分组 d a t ap a c k e t 指令分组只从主机发向主控制器 事件分组只不过 从主机控制器发向主机 用以说明指令分组的执行情况 数据分组在主机和主 机控制器间双向传输 指令分组分为链路控制指令 链路策略指令 主机控制与基带指令 信息 参数指令 状态参数指令和测试指令 事件分组分为通用事件 包括指令完成事件和指令状态事件 测试事 件 出错事件 如缓存刷新和数据缓冲区溢出 三种 数据分组分为异步无连接 a s y n c h r o n i z a t i o nc o n n e c t i o n l e s s a c l 数据 分组和同步面向连接 s y n c h r o n i z a t i o n c o n n e c t i o no r i e n t e d s c o 数据分组 h c l 分组的构成遵循以下原则 1 数据值采用二进制大端格式 b i g e d i a n 除非特别指出 2 负值参数采用两进制补码表示 3 如果参数数组的一个集合定义为p a r a m e t e r a i p a r a m e t e r b i 的格 式 那么参数数组顺序如下 p a r a m e t e r a 0 p a r a m e t e r b 0 p a r a m e t e r a 1 p a r a m e t e r b 1 p a r a m e t e r a n p a r a m e t e r b n 4 复字节参数按小端格式 l i t t l e e d i a n 进行收发 除非特别指出 5 非数组指令 指令参数数组元素都具有固定长度 参数和非数组参 数的长度都包含在一条指令里 并为每一指令或事件定义事件 参数数组内元 素数量可以不定 3 2 2h c i 指令分组 h c i 指令分组的格式如图3 1 所示 2 3 h c i 指令分组由操作码 o p c o d e 参数总长 p a r a m e t e rt o t a ll e n g t h 和参数列表 p a r a m e t e r s 三 部分组成 o p c o d e 由指令操作码段落 o p c o d ec o m m a n df i e l d o c f 和操 作码组段 o p c o d eg r o u pf i e l d o g f 组成 o p c o d e 占1 6 位 高6 位为 o g f 低1 0 位为o c f 哈尔滨工业大学工学颁士学位论文 o1 01 62 4 操作码 操作码指令段 o c f 操作码组段 o g f 三数暑芳 i字 j ar参am数eparameter t o t a p a r a m e t e r l e n g t h 节 l参数 i j j 参数n 一1 p a r a m e t e r n 1 l参数n p a r a m e t e r n 图3 1h c i 指令分组格式 当主机控制器完成大多数指令时 就向主机发送指令完成事件 25 1 当然 其中一些指令在它们完成后并不接收指令完成事件 相反 当主控制器收到一 个h c i 指令准备执行时 它将向主机返回一个指令状态事件 然后 当与该指 令相关联的动作执行的 对应于该发出指令不能执行时 则不返回对应于该发 出指令的事件 如果指令的参数有错 或者当前状态不允许执行该指令 主机 控制器就在返回的指令状态事件的状态参数中加上错误码 当一个需要返回指 令完成事件的指令发生错误时 在返回的指令完成事件中返回的参数字段可以 不包含任何参数 但第一个参数即状态参数必须返回出错原因 如果状态参数 后有连接句柄或蓝牙地址之类的参数也要返回 这样主机可以知道错误的指令 对应于哪一个实体 此时的连接句柄和蓝牙地址就是指令参数中的值 对于那 些不返回指令完成事件的指令 它们返回的事件中的参数有效性要依据状态参 数中的错误原因来判断 指令完成事件和指令状态事件都有一个参数叫h c i 指 令分组 n u mh c ic o m m a n dp a c k e t s 它指出了当前主机可以发往主机控制 器的指令分组的数目 主机控制器在前一条指令完成之前可以开始执行新的指 令 所以指令的完成的顺序并不完全等同于它们开始的顺序 主机控制器可以 接收不包括h c i 指令头在内的2 5 5 字节的指令分组 各类h c i 命令的功能如下 链路控制命令允许主机控制器控制与其它蓝牙设备的连接 使用链路控制 命令时 由链路管理器控制如何建立与维护微微网及散射网 这些命令指示链 路管理器生成 修改与远端蓝牙设备的链路层连接 查询范围内蓝牙设备 以 及其它的链路管理命令 链路策略命令为主机提供影响链路管理器管理微微网的方式的途径 当使 用链路策略命令 链路管理器依据可调整的策略参数继续控制微微网和散射网 的建立与维护 这些策略命令可以改变链路管理器的行为 从而也将导致与其 它蓝牙设备链路层连接的改变 哈尔滨工业火学工学硕士学位论文 使用链路策略命令 链路管理器依据可调整的策略参数继续控制微微网和 散射网的建立与维护 这些策略命令可以改变链路管理器的行为 从而也将导 致与其它蓝牙设备链路层连接的改变 主机控制器及基带命令提供对蓝牙硬件的各种能力的访问和控制 这些参 数提供对蓝牙设备控制和对主机控制器 链路管理器和基带的能力的控制 主 机可以使用这些命令改变本地设备的运行状态 信息参数是由蓝牙硬件厂商固定的 这些参数提供有关蓝牙设备以及主机 控制器 链路管理器和基带能力的信息 主机不能修改这些参数 主机控制器修改所有的状态参数 这些参数提供有关主机控制器 链路管 理器和基带的当前状态信息 主机设备无法修改任何参数但可以对特别指定的 参数进行复位 测试命令提供了对蓝牙硬件各种功能进行测试的能力 3 2 3h c i 事件分组 h c i 事件分组是主机控制器当有事件时用来通知主机的 主机必须能接收 不包括头在内的最长