基于藍(lán)牙的數(shù)據(jù)互聯(lián)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

摘要：在基于藍(lán)牙協(xié)議體系及藍(lán)牙通用應(yīng)用框架的基礎(chǔ)上，研究了嵌入式藍(lán)牙數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)，設(shè)計了藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采用流行的ARM處理器，并選用了CSR公司的CSR8510藍(lán)牙芯片作為藍(lán)牙通信的核心，最后設(shè)計了藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸軟件。總體來說，在此所設(shè)計的藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有價格低，性能強(qiáng)，通用性好以及擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙； 數(shù)據(jù)傳輸； CSR8510； ARM處理器

中圖分類號：TN91934； TP399文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004373X(2012)04008003

Design of data interconnection transmission system based on Bluetooth

SU Zhengyuan， YI Yan， LI Haiyan， DAI Zucheng

(Kunming University， Kunming 650214， China)

Abstract： The bluetooth data transmission technology in embedded system is researched， and Bluetooth data transmission system is designed based on Bluetooth protocol architecture and Bluetooth general application framework. The popular ARM processor is selected and CSR8510 of CSR company is taken as the core of Bluetooth communication. The Bluetooth data transmission software was designed. All in all， the system owns the advantages of low price， strong performance， high universality and good extensibility.

Keywords： Bluetooth; data transmission; CSR8510; ARM processor

收稿日期：20110815

基金項(xiàng)目：云南省教育廳科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(2010Y503)0引言

由于微電子技術(shù)與集成電路技術(shù)的進(jìn)步，使得計算機(jī)設(shè)備的體積進(jìn)一步縮小，功耗不斷降低。而且隨著產(chǎn)品體積的日益減小和對應(yīng)功耗的降低，使得各種移動、便攜式產(chǎn)品越來越廣泛地被應(yīng)用于人們的日常生活中；但由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)連接和信息交換問題也越發(fā)突出。現(xiàn)在，各種移動設(shè)備間的無線通信產(chǎn)品已經(jīng)成為眾多廠商正在努力開發(fā)的目標(biāo)。藍(lán)牙技術(shù)正是在這樣的一種環(huán)境下產(chǎn)生的。藍(lán)牙技術(shù)致力于構(gòu)建體積小，功耗低，并能夠深度嵌入到其他設(shè)備或隨身攜帶的產(chǎn)品；使用藍(lán)牙技術(shù)可以實(shí)時處理數(shù)據(jù)、語音、圖像，甚至是視頻信息。

2010年7月7日藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)宣布，正式采納藍(lán)牙4.0核心規(guī)范（Bluetooth Core Specification Version 4.0），并啟動對應(yīng)的認(rèn)證計劃。會員廠商可以提交其產(chǎn)品進(jìn)行測試，通過藍(lán)牙4.0后將獲得藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。該技術(shù)擁有極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗，使用一粒紐扣電池甚至可連續(xù)工作數(shù)年之久［1］。同時還擁有低成本、跨廠商互操作性、3 ms低延遲、100 m以上超長距離、AES128加密等諸多特色，可以用于計步器、心律監(jiān)視器、智能儀表、傳感器物聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域，藍(lán)牙技術(shù)將在未來的短距離無線通信中發(fā)揮巨大作用。

本文就基于嵌入式設(shè)備上的藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，重點(diǎn)研究了藍(lán)牙協(xié)議體系和應(yīng)用框架，以及嵌入式藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸軟件的實(shí)現(xiàn)。

1藍(lán)牙協(xié)議概述

藍(lán)牙協(xié)議棧是藍(lán)牙通信規(guī)范的核心部分，如圖1所示。藍(lán)牙協(xié)議規(guī)定了藍(lán)牙設(shè)備的定位、之間的互連操作，以及如何建立連接交換數(shù)據(jù)，從而可以在藍(lán)牙設(shè)備之間進(jìn)行無縫交互式應(yīng)用。藍(lán)牙協(xié)議采用了網(wǎng)絡(luò)通信中常用的分層結(jié)構(gòu)，分別完成數(shù)據(jù)流的過濾和傳輸、跳頻和數(shù)據(jù)幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制、數(shù)據(jù)的拆裝、業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）、協(xié)議的復(fù)用和分用等功能［2］。藍(lán)牙技術(shù)的一個主要任務(wù)就是能夠使使用相同藍(lán)牙協(xié)議的本地設(shè)備和遠(yuǎn)端設(shè)備互聯(lián)互通，而不需要額外的資源和操作。

從協(xié)議的重要性上，藍(lán)牙協(xié)議體系可以分為4個層次，即核心協(xié)議層、串口協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和可選協(xié)議層。各個層還包含了各種具體的協(xié)議［3］：

（1） 核心協(xié)議層：邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）、基帶、鏈路管理協(xié)議（LMP）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）；

（2） 串口協(xié)議層：串口仿真協(xié)議（RFCOMM）；

（3） 電話控制協(xié)議層：電話控制二元協(xié)議（TCS Binary）與ATCommand規(guī)范；

（4） 可選協(xié)議層：點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議（PPP）、對象交換協(xié)議（OBEX）、UDP/TCP/IP協(xié)議、無線應(yīng)用環(huán)境（WAE）、無線應(yīng)用協(xié)議（WAP）、紅外移動通信（IrMC）、vCard、vCal。

圖1藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)2藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

2.1藍(lán)牙應(yīng)用框架

在藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，藍(lán)牙規(guī)范還定義了通用的藍(lán)牙應(yīng)用框架。應(yīng)用框架重點(diǎn)選擇了標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙協(xié)議中的消息和操作，描述了完整的藍(lán)牙應(yīng)用操作過程。應(yīng)用框架的提出大大提高了不同廠家藍(lán)牙產(chǎn)品的互操作性，這給用戶帶來了便利。在藍(lán)牙通用應(yīng)用框架中，定義了4個通用框架，它們是實(shí)現(xiàn)具體的藍(lán)牙應(yīng)用的規(guī)范和基礎(chǔ)。這4個應(yīng)用框架是［4］:通用訪問框架（Generic Access Profile，GAP）、串口仿真框架（Serial Port Proflle，SPP）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用框架（Service Discovery Application Profile，SDAP）、通用對象交換框架（Generic Object Exchange Profile，GOEP）。這4個通用框架之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2藍(lán)牙通用應(yīng)用框架2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。主控制器采用了三星公司的一款S3C2440微處理器，基于ARM920T內(nèi)核，采用0.18 μm工藝制作CMOS宏單元和存儲單元，同時采用AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture）新型總線結(jié)構(gòu)，具有低功耗、精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計，所以特別適合對成本和功耗敏感的應(yīng)用。除此之外，他還特別為各種外設(shè)準(zhǔn)備了豐富的中斷控制能力，包括高達(dá)60個中斷源（其中，5個定時器，9個UARTs，24個外部中斷，1個看門狗定時器， 4個DMA，2個ADC， 1個LCD，1個電池故障，1個I2C，2個SPI，1個SDI，2個USB，1個NAND，2個Camera和1個AC97音頻），可以使用電平/邊沿觸發(fā)模式進(jìn)行觸發(fā)的外部中斷源，可編程決定的邊沿/電平觸發(fā)極性，這些功能為緊急中斷請求提供了快速中斷（FIQ）服務(wù)［5］。

藍(lán)牙模塊采用了CSR公司的CSR8510，它是CSR8000系列的一款，是全面滿足藍(lán)牙 v3.0標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，并提供對最新藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn) v4.0版本的支持。CSR8000在原CSR7000的架構(gòu)上增加了藍(lán)牙低功耗射頻部分，專門為連接下一代10億個藍(lán)牙設(shè)備而設(shè)計的。另外，增加了數(shù)字信號處理器（DSP），為高清語音配備的專用數(shù)字音頻信號處理器，可進(jìn)行片上音頻編碼和噪聲消除。同時對原藍(lán)牙射頻和FM部分進(jìn)行了優(yōu)化，使藍(lán)牙射頻的輸出功率達(dá)到了10 dBm，在不需要外接任何PA的情況下，芯片已經(jīng)可以達(dá)到class1的距離，即100~150 m的距離，靈敏度也從原-90 dBm改進(jìn)到現(xiàn)在的-93 dBm。其FM無需接任何外接天線，僅基于DSP的降噪算法就能使FM接收器實(shí)現(xiàn)更好的接收效果。

圖3藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖4所示，共分為4個大的模塊：

（1） GUI模塊。采用Qt庫實(shí)現(xiàn)，完全面向?qū)ο笤O(shè)計，界面易擴(kuò)展，各種功能使用插件的形式完成；主要負(fù)責(zé)界面各種按鈕的消息捕獲、處理，完成藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中所有功能窗口的創(chuàng)建、銷毀以及管理，當(dāng)出現(xiàn)軟件有錯誤發(fā)生時，向用戶返回友好的錯誤提示。同時，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，可以實(shí)時顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)信息。

圖4藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（2） Adapter Layer，軟件適配層。主要負(fù)責(zé)向GUI模塊提供底層無關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸API接口，與GUI交換數(shù)據(jù)信息，以及響應(yīng)用戶在GUI上的操作，控制下層模塊進(jìn)行實(shí)際的執(zhí)行。

（3） Source Control模塊。主要負(fù)責(zé)通過SDAP(服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用框架)發(fā)現(xiàn)SDP和連接其他藍(lán)牙設(shè)備；通過GOBEX（通用對象交換框架）中的OBEX規(guī)范與其他的藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行信息交換，主要分為PUT和GET操作的控制，以及設(shè)備本身的文件操作控制；本模塊還可以進(jìn)行其他藍(lán)牙設(shè)備的身份認(rèn)證和鑒權(quán)。

（4） Core Module。主要負(fù)責(zé)藍(lán)牙設(shè)備原始數(shù)據(jù)的緩存，以及調(diào)用藍(lán)牙芯片進(jìn)行加密數(shù)據(jù)的編解碼，并保證實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的實(shí)時通信。

3結(jié)語

嵌入式移動設(shè)備的飛速發(fā)展，使得人們進(jìn)行無線互聯(lián)互通的愿望越發(fā)強(qiáng)烈。藍(lán)牙4.0技術(shù)規(guī)范的提出，使其在更低功耗，更大覆蓋范圍，必將成為短距離無線通信的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)；相信不久的將來，基于藍(lán)牙的無線應(yīng)用會越來越多。

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