蓝牙技术及其硬件设计

现代通信技术

蓝牙技术及其硬件设计

清华大学自动化系(北京100084)何荣森王宏宝张跃

摘要文章从蓝牙技术提出的背景和其优越性出发,分析了它的协议体系结构及其各个协议之间的关系。最后,通过给出一个蓝牙模块的硬件设计方案,详细说明了如何在实际的新产品中应用这一最新技术。

关键词蓝牙蓝牙技术蓝牙协议体系蓝牙模块

1蓝牙技术的提出和其优越性

蓝牙技术是由蓝牙特别兴趣集团(SIG:Sepecial Interest Group)于1998年发起提出的。SIG最初是由IBM、Intel、Nokia、Ericsson、Toshiba等公司组成。但是目前,加入SIG的企业已经达到两千多家,短短两年时间,SIG成员几乎覆盖了全球通信、网络、芯片、外设、软件等行业所有人们熟知的大企业,其发展势头异常迅猛。当然这是由于蓝牙技术的下列性质所决定的。

(1)无线性

蓝牙技术最初是以取消连接各种电器之间的连线为目标的。蓝牙技术主要面向网络中的各种数据及语音设备,如PC、拨号网络、笔记本电脑、HPC、PDA、打印机、传真机、数码相机、移动电话、高品质耳机等。蓝牙通过无线的方式将它们连成一个围绕个人的网络,省去了用户接线的烦恼,在各种便携设备之间实现无缝的资源共享。

(2)蓝牙技术的开放性

与生俱来的开放性赋予了蓝牙强大的生命力。从它诞生之日起,蓝牙就是一个由厂商们自己发起的技术协议,完全公开,而并非某一家独有和保密。只要是SIG的成员,都有权无偿使用蓝牙的新技术,而且蓝牙技术标准制订后,任何厂商都可以无偿地拿来生产产品,只要产品通过SIG组织的测试并符合蓝牙标准后,品牌即可投入市场。

(3)蓝牙产品的互操作性和兼容性

蓝牙产品在满足蓝牙规范的前提下,还必须通过SIG的认证程序(qualification program),只有通过了认证程序,才能走向市场。这就保证了即使是不同公司的蓝牙产品,也可实现互操作和数据共享,达到完全兼容的目的。

(4)蓝牙协议和其他无线协议的区别

这里主要谈谈蓝牙和IEEE-802.11的区别。IEEE-802.11是应用于高端的无线局域网技术,其传输距离可达50m到数百米,传输速度为2~ 11M bit/s。而有别于IEEE-802.11的蓝牙则主要用于短距离传输(一般为10m,功率放大可以达到100m)数据和语音(1Mbit/s),而且功耗非常低。尽管蓝牙工作在全球通用的2.4GH z ISM(即工业、科学、医学)频段,和IEEE-802.11相同,但最近一些测试结果表明,IEEE-802.11与蓝牙技术在某些情况下可以共存。这主要是因为,蓝牙特别设计了快速跳频及前向纠错方案以保证链路稳定和传输可靠,有很强的抗干扰能力。

(5)对人体安全影响不大

随着无线技术的深入人心,辐射也成了消费者非常关心的问题。由世界卫生组织、IEEE等专家组成的小组表示,检测中并未发现蓝牙产品的辐射对人体有影响。蓝牙产品的输出功率仅为1mW,是微波炉使用功率的百万分之一,也仅仅是移动电话功率的一小部分,而且,这些输出中只有一小部分被人体吸收。

2蓝牙协议体系结构

蓝牙技术的一个主要目的就是使符合该规范的各种设备能够互通,这就要求本地设备和远端设备使用相同的协议。当然,不同的应用,其使用的协议栈可能不同。但是,它们都必须使用蓝牙技术规范中的物理层和数据链路层。完整的蓝牙协议体系结构如图1所示。当然,不是任何应用都必须使用所有全部协议,可以只采用部分协议,例如语音通信

时,就只需经过基带协议(Baseband)就行,而不用通过L2CAP

。图1 蓝牙协议体系结构

图1中的蓝牙协议体系又可以分为以下4层:

核心协议 Baseband,L M P,L 2CAP,SDP 电缆替代协议 RFCOM M

电话控制协议 T CS Binary ,AT -commands 选用协议 PPP ,U DP /T CP/IP,

OBEX ,

WAP ,

vCard,vCal,IrM C,WA E

除了上述协议层外,规范还定义了主机控制器接口(HCI),它为基带控制器、连接控制器、硬件状态和控制寄存器等提供命令接口。

这些协议又可以分为蓝牙专有协议和非专有协议,这样区分主要是在蓝牙专有协议的基础上尽可能地采用和借鉴现有的各种高层协议(也就是非专有协议),使得现有的各种应用能移植到蓝牙上来,如U DP/TCP/IP 等。蓝牙核心协议都是蓝牙专有的协议,绝大部分蓝牙设备都需要这些协议。而RFCOMM 和T CS -binary 协议是SIG 分别在ETSI T S 07.10和ITU -Recommendation Q.931协议的基础上制订的。选用协议则主要是各种已经广泛使用的高层协议。总之,电缆替代协议、电话控制协议和选用协议在核心协议的基础上构成了面向应用的协议。下面,就对各个协议作一个简单介绍。2.1 蓝牙核心协议2.1.1 基带协议(Baseband)

在说基带协议时,我们先来看看蓝牙的网络拓扑结构如图2所示。它首先由一个个微微网(p-i conet)构成。一个微微网中,只有一个蓝牙设备是主设备(master),但是可以有7个从设备(slave),它们是由3位的MAC 地址区分的。主设备的时钟和跳频序列用于同步同一个微微网中的从设备。多个独立的非同步的微微网又可以形成分布式网络(scatternet),一个微微网中的主/从设备可以是另外一个微微网中的主/从设备,但是各个微微网通过使

用不同的跳频序列来加以区分。

图2 网络拓扑结构

基带协议就是确保各个蓝牙设备之间的物理射频连接,以形成微微网。蓝牙的射频系统是一个跳频系统,其任一分组在指定时隙、指定频率上发送,

它使用查询(inquiry)和寻呼(page)进程同步不同设备间的发送频率和时钟,可为基带数据分组提供两种物理连接方式:同步面向连接(SCO)和异步非连接(ACL)。SCO 既能传输语音分组(采用CVSD 编码),也能传输数据分组;而ACL 只能传输数据分

组。所有的语音和数据分组都附有不同级别的前向纠错(FEC)或循环冗余校验(CRC)编码,并可进行加密,以保证传输可靠。此外,对于不同的数据类型都会分配一个特殊的信道,可以传递连接管理信息和控制信息等。

2.1.2 连接管理协议(LM P)

连接管理协议负责蓝牙各设备间连接的建立。首先,它通过连接的发起、交换、核实,以进行身份认证和加密等安全措施;其次它通过设备间协商以确定基带数据分组的大小;另外,它还可以控制无线部分的电源模式和工作周期,以及微微网内各设备的连接状态。

2.1.3 逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)

逻辑链路控制和适配协议是基带的上层协议,可以认为它是与LMP 并行工作的,它们的区别在于当数据不经过LM P 时,则L2CAP 将采用多路技术、分割和重组技术、群提取技术等为上层提供数据服务。虽然基带协议提供了SCO 和ACL 两种连接类型,但是L2CAP 只支持ACL,并允许高层协议以64K 字节的速度收发数据分组。2.1.4 服务发现协议(SDP)

服务发现协议是蓝牙技术框架中非常重要的一个部分,它是所有用户模式的基础。使用SDP,可以查询到设备信息和服务类型,之后,蓝牙设备之间的连接才能建立。因此,你不能奢望通过蓝牙耳机打