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

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(jì)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(jì)了藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸軟件?？傮w來說，在此所設(shè)計(jì)的藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有價(jià)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

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(jì)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(shí)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(jì)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。同時(shí)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(jì)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。藍(lán)牙技術(shù)的一個(gè)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(gè)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(gè)層還包含了各種具體的協(xié)議：
    (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(TCSBinary)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。
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2 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(gè)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(gè)應(yīng)用框架是：通用訪問框架(Generic Access Profile，GAP)、串口仿真框架(Ser ial 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 Exc hange Profile，GOEP)。這4個(gè)通用框架之間的關(guān)系如圖2所示。

2．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    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0．18μm工藝制作CMOS宏單元和存儲單元，同時(shí)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(jì)，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(gè)中斷源(其中，5個(gè)定時(shí)器，9個(gè)UARTs，24個(gè)外部中斷，1個(gè)看門狗定時(shí)器，4個(gè)DMA，2個(gè)ADC，1個(gè)LCD，1個(gè)電池故障，1個(gè)I2C，2個(gè)SPI，1個(gè)SDI，2個(gè)USB，1個(gè)NAND，2個(gè)Camera和1個(gè)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)。

    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(gè)藍(lán)牙設(shè)備而設(shè)計(jì)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(shí)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classl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。[!--empirenews.page--]
2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    整個(gè)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(gè)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(jì)，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(cuò)誤發(fā)生時(shí)，向用戶返回友好的錯(cuò)誤提示。同時(shí)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)信息。
    (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)SourceControl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(shí)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。