藍牙技術(shù)發(fā)展的時間比較長了，對于這部分的應(yīng)用也非常廣泛。那么今天我們就來講解一下藍牙協(xié)議棧在嵌入式方面的一些應(yīng)用。藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與數(shù)字通信開放性規(guī)范.它以低成本、近距離無線連接為基礎(chǔ),為固定與移動設(shè)備建立了一種完整通信方式和技術(shù).藍牙技術(shù)實質(zhì)是建立通用無線接口及其控制軟件標準,使移動通信與計算機網(wǎng)絡(luò)之間能實現(xiàn)無縫連接,由此,為不同廠家生產(chǎn)便攜式設(shè)備提供了近距離(10m~100m)范圍內(nèi)互操作通道.在工業(yè)控制系統(tǒng)和許多應(yīng)用領(lǐng)域,隨著電子技術(shù)發(fā)展,目前控制器和傳感器已經(jīng)實現(xiàn)了智能化.在一般傳感器或測試儀表中,大量使用CPU 控制下數(shù)字化技術(shù),因此,許多控制系統(tǒng)或傳感器系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化傳輸.如果在數(shù)字化控制系統(tǒng)和傳感器中嵌入藍牙技術(shù),則可以實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和控制命令無線傳輸,這對于許多應(yīng)用領(lǐng)域都是十分重要.

1 藍牙協(xié)議棧

藍牙技術(shù)規(guī)范1.0 版本作了如下規(guī)定.

① 藍牙工作在全球通用2.4GHz ISM(Industrial ,Scientific and Medical)免付費、免申請無線電頻段.

② 采用快速確認和跳頻技術(shù),以確保鏈路穩(wěn)定.

③ 采用二進制調(diào)頻(FM)技術(shù)跳頻收發(fā)器,抑制干擾和防止衰落.

④ 采用前向糾錯(FEC)技術(shù),抑制長距離鏈路隨機噪聲.

⑤ 數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb/s .

⑥ 采用時分雙工傳輸,其基帶協(xié)議是電路交換和分組交換結(jié)合.

⑦ 一個跳頻頻率發(fā)送一個同步分組,每個分組占用一個時隙,也可擴展到5個時隙.

⑧ 支持一個異步數(shù)據(jù)通道,或3個并發(fā)同步語音通道,或一個同時傳送異步數(shù)據(jù)和同步語音通道.每一個語音通道支持64Kbps 同步話音.異步通道支持最大速率為721Kbps 、反向應(yīng)答速率為57.6Kbps 非對稱連接,或者是432.6bps 對稱連接.

目前,工作在2.4GHz 頻段上無線局域網(wǎng)技術(shù)中,除了藍牙技術(shù)外,還有IEEE802.11、HomeRF 和紅外技術(shù).總來說,IEEE802.11 比較適合于辦公室無線網(wǎng)絡(luò),HomeRF 適用于家庭中移動數(shù)據(jù)、語音設(shè)備等與主機之間通信,而藍牙技術(shù)則可以應(yīng)用于任何允許無線方式替代線纜場合.

在實際應(yīng)用中,藍牙技術(shù)應(yīng)用一般采用嵌入式技術(shù).在應(yīng)用系統(tǒng)中嵌入藍牙協(xié)議棧,可為系統(tǒng)提供一個透明無線網(wǎng)絡(luò)通信層.

藍牙技術(shù)協(xié)議棧設(shè)計只有符合藍牙技術(shù)規(guī)范要求,才能實現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品無縫對接.藍牙技術(shù)規(guī)范(specification)包括協(xié)議(protocol)和應(yīng)用規(guī)范(profile)兩個部分.完整藍牙協(xié)議棧如圖1所示.

協(xié)議規(guī)范中定義了各功能元素工作方式,提供了藍牙技術(shù)實現(xiàn)中功能元素間橫向體系結(jié)構(gòu).應(yīng)用規(guī)范則介紹了實現(xiàn)特定應(yīng)用模型,描述了各層協(xié)議間協(xié)同機制,從而提供了技術(shù)實現(xiàn)縱向體系結(jié)構(gòu).

藍牙協(xié)議包括核心協(xié)議層、替代電纜協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和選用協(xié)議層.

① 核心協(xié)議.核心協(xié)議包括基帶協(xié)議、鏈路管理協(xié)議(LMP)、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP).

② 替代電纜協(xié)議.替代電纜協(xié)議包括串行電路仿真協(xié)議(RFCOMM),用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換.

③ 電話替代協(xié)議.本協(xié)議包括二元電話控制規(guī)范(TCS Binary)與AT-命令(AT-command).用于提供音頻通信處理規(guī)范和相應(yīng)控制命令.

④ 選用協(xié)議.選用協(xié)議與用戶應(yīng)用有關(guān),包括點到點協(xié)議(PPP)、用戶數(shù)據(jù)報/傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(UDP 和TCP/IP)、目標交換協(xié)議(OBEX)、無線應(yīng)用協(xié)議(WAP)、無線應(yīng)用環(huán)境(WAE)、vCard 、vCal 、紅外移動通信(IrMC).選用協(xié)議層具體內(nèi)容由應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要選擇.

除了以上協(xié)議層外,藍牙協(xié)議棧中還應(yīng)包括二個接口:一個是主機控制接口(HCI),用來為基帶控制器、鏈路控制器以及訪問硬件狀態(tài)和控制寄存器等提供了命令接口;另一個是與基帶處理部分直接相連音頻接口,用以傳遞音頻數(shù)據(jù).

在藍牙協(xié)議棧中,HCI 以上部分通常用軟件實現(xiàn),包括邏輯鏈路控制和適配協(xié)議L2CAP、串行仿真RFCOMM 、鏈路管理協(xié)議(LMP )、電話替代協(xié)議和選用協(xié)議;而HCI以下部分則用硬件實現(xiàn),包括基帶協(xié)議和鏈路管理協(xié)議(LMP),這部分也叫作藍牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中底層硬件模塊.#p#

2 核心藍牙協(xié)議棧硬件電路結(jié)構(gòu)

底層模塊是藍牙技術(shù)核心模塊,主要由射頻(RF)單元電路、基帶層(base band)電路和鏈路管理層(LMP,Link Manger Protocol)電路組成.

(1)射頻(RF)單元

RF單元電路為藍牙技術(shù)提供了通信中物理層,也叫作藍牙收發(fā)器.通過2.4GHz 微波,實現(xiàn)數(shù)據(jù)流過濾和傳輸.藍牙協(xié)議提供了有關(guān)藍牙收發(fā)器各項技術(shù)指標.

(2)基帶層電路

基帶層提供了基帶數(shù)字信號處理硬件,其功能是提供鏈路控制,因此也叫作基帶及鏈路控制層電路.通過基帶層電路,可以建立藍牙通信網(wǎng)絡(luò)中物理鏈路,從而形成微微網(wǎng)(piconet).基帶層中有兩種物理鏈路,一種是面向連接同步鏈路(SCO),另一種是異步無連接鏈路(ACL).此外,基帶層還可為語音和數(shù)據(jù)分組提供不同水平前向糾錯(FEC)或循環(huán)冗余度校驗(CRC)處理,并可對數(shù)據(jù)進行加密.同時,基帶層電路還為不同類型數(shù)據(jù)(包括傳輸信息數(shù)據(jù)、鏈路管理和控制信息)提供特定信道.

(3)鏈路管理層(LMP)電路

鏈路管理層電路也叫作鏈路管理器電路,功能是提供鏈路管理通信協(xié)議.鏈路管理協(xié)議用來對鏈路進行設(shè)置和控制,并負責建立和撤銷各藍牙設(shè)備間連接、功率控制以及認證和加密,同時還控制藍牙設(shè)備工作狀態(tài)(保持hold 、休眠park 、呼吸sniff 和活動active ).鏈路管理層主要功能由軟件完成,鏈路管理器電路提供運行于藍牙設(shè)備處理器中軟件.鏈路管理器之間通信協(xié)議稱為鏈路管理協(xié)議(LMP).

藍牙技術(shù)整體框架以HCI(Host Controller Interface)為界,區(qū)分為硬件模塊以及上層軟件協(xié)議兩部分.

藍牙技術(shù)標準中,選擇了USB、UART 或是RS232 作為硬件模塊與主機間接口.當藍牙模塊以USB、UART或RS232中任何一個接口與主機連接時,HCI 接口上層通信協(xié)議由主機負責處理,而HCI 接口下層通信協(xié)議則由模塊內(nèi)基帶層芯片與RF 芯片負責.

根據(jù)藍牙標準,藍牙系統(tǒng)基本組成包括天線、收發(fā)器、基帶控制器.由此可知,在天線、RF收法器和基帶控制器支持下,藍牙系統(tǒng)組成可以十分靈活,即可實現(xiàn)多種不同實現(xiàn)方案.

嵌入式藍牙系統(tǒng)是將RF和基帶部分集成在一塊芯片上,單芯片藍牙硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示.在嵌入式藍牙器件中,硬件結(jié)構(gòu)可分為鏈路管理器、鏈路控制器與RF模塊3部分,負責處理LMP層、基帶層與RF層協(xié)議.鏈路管理器內(nèi)包含處理器(CPU)、內(nèi)存等組件.鏈路管理器與基帶層芯片合稱為鏈路控制器.RF模塊內(nèi)含RF射頻發(fā)射組件,與主機相連接接口位于鏈路控制器上.

在嵌入式方案中,藍牙協(xié)議上層軟件協(xié)議也全部固化在芯片中,芯片通過USB或UART接口與應(yīng)用系統(tǒng)相連接.由于片內(nèi)嵌入了CPU,所以,嵌入式藍牙系統(tǒng)實際上是一個智能終端,適合于任何具有CPU器件系統(tǒng).例如,智能傳感器中,只要增加一個單芯片藍牙器件,就可以組成一個以藍牙為通信方式傳感器.

由圖2可知,它由微處理器(CPU)、無線收發(fā)器(RF)、基帶控制器(BB)、閃存(Flash程序存儲器)、通用異步收發(fā)器UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)、通用串行接口USB(Universal Serial Bus)及藍牙測試模塊組成.其中藍牙基帶控制器是藍牙硬件模塊關(guān)鍵模塊.其主要功能是在微處理器控制下,實現(xiàn)藍牙基帶部分所有實時處理功能,包括負責對接收bit流進行符號定時提取和恢復(fù);分組頭及凈荷循環(huán)冗余度校驗(CRC),分組頭及凈荷前向糾錯碼FEC處理,加密和解密處理等,且能提供從基帶控制器到其它芯片接口等.CPU一般采用RISC結(jié)構(gòu)嵌入式微處理器,如ARM7TDMI微處理器,才能足對藍牙核心協(xié)議高速處理和大量數(shù)據(jù)bit流處理.Flash存儲器用于存放基帶和鏈路管理層中所有協(xié)議軟件.SRAM作為CPU 運行空間,在工作時把Flash中軟件調(diào)入SRAM中處理.射頻收發(fā)器負責接收或發(fā)送高頻通信信號.UART和USB接口提供到HCI主機控制器接口傳輸層物理連接,是上層協(xié)議與藍牙硬件模塊進行通信通道.藍牙測試模塊主要提供無線層和基帶層認證和一致性規(guī)范,同時還管理產(chǎn)品生產(chǎn)和售后測試,為可選模塊.