智能傳感器的藍牙協(xié)議棧與SoC結構解析

　　藍牙技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)數據與數字通信的開(kāi)放性規范。它以低成本、近距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎，為固定與移動(dòng)設備建立了一種完整的通信方式和技術(shù)。藍牙技術(shù)的實(shí)質(zhì)是建立通用無(wú)線(xiàn)接口及其控制軟件的標準，使移動(dòng)通信與計算機網(wǎng)絡(luò )之間能實(shí)現無(wú)縫連接，由此，為不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的便攜式設備提供了近距離（10m~100m）范圍內的互操作通道。

　　在工業(yè)控制系統和許多應用領(lǐng)域，隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，目前控制器和傳感器已經(jīng)實(shí)現了智能化。在一般的傳感器或測試儀表中，大量使用CPU 控制下的數字化技術(shù)，因此，許多控制系統或傳感器系統已經(jīng)實(shí)現了數字化傳輸。如果在數字化的控制系統和傳感器中嵌入藍牙技術(shù)，則可以實(shí)現系統數據和控制命令的無(wú)線(xiàn)傳輸，這對于許多應用領(lǐng)域都是十分重要的。

　　本文通過(guò)對藍牙協(xié)議棧結構的討論，提出一個(gè)嵌入式SoC 器件結構。這個(gè)嵌入式SoC 器件是一種具有藍牙通信功能的SoC 器件;SoC 中的CPU 對用戶(hù)開(kāi)放，用戶(hù)可以使用這種結構的SoC 器件實(shí)現智能傳感器或控制器單元。

　　1 藍牙協(xié)議棧

　　藍牙技術(shù)規范1.0 版本作了如下規定。

　　藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（Industrial ，Scientific and Medical）免付費、免申請的無(wú)線(xiàn)電頻段。

　　采用快速確認和跳頻技術(shù)，以確保鏈路的穩定。

　　采用二進(jìn)制調頻（FM）技術(shù)的跳頻收發(fā)器，抑制干擾和防止衰落。

　　采用前向糾錯（FEC）技術(shù)，抑制長(cháng)距離鏈路的隨機噪聲。

　　數據傳輸速率為1Mb/s 。

　　采用時(shí)分雙工傳輸，其基帶協(xié)議是電路交換和分組交換的結合。

　　一個(gè)跳頻頻率發(fā)送一個(gè)同步分組，每個(gè)分組占用一個(gè)時(shí)隙，也可擴展到5 個(gè)時(shí)隙。

　　支持一個(gè)異步數據通道，或3 個(gè)并發(fā)的同步語(yǔ)音通道，或一個(gè)同時(shí)傳送異步數據和同步語(yǔ)音的通道。每一個(gè)語(yǔ)音通道支持64Kbps 的同步話(huà)音。異步通道支持最大速率為721Kbps 、反向應答速率為57.6Kbps 的非對稱(chēng)連接，或者是432.6bps 的對稱(chēng)連接。

　　目前，工作在2.4GHz 頻段上的無(wú)線(xiàn)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)?？偟膩?lái)說(shuō)，IEEE802.11 比較適合于辦公室無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，HomeRF 適用于家庭中的移動(dòng)數據、語(yǔ)音設備等與主機之間的通信，而藍牙技術(shù)則可以應用于任何允許無(wú)線(xiàn)方式替代線(xiàn)纜的場(chǎng)合。

　　在實(shí)際應用中，藍牙技術(shù)的應用一般采用嵌入式技術(shù)。在應用系統中嵌入藍牙協(xié)議棧，可為系統提供一個(gè)透明的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信層。

　　藍牙技術(shù)協(xié)議棧的設計只有符合藍牙技術(shù)規范的要求，才能實(shí)現不同廠(chǎng)家產(chǎn)品的無(wú)縫對接。藍牙技術(shù)規范（specification）包括協(xié)議（protocol）和應用規范（profile）兩個(gè)部分。完整的藍牙協(xié)議棧如圖1 所示。

　　協(xié)議規范中定義了各功能元素的工作方式，提供了藍牙技術(shù)實(shí)現中功能元素間的橫向體系結構。應用規范則介紹了實(shí)現特定應用模型，描述了各層協(xié)議間的協(xié)同機制，從而提供了技術(shù)實(shí)現的縱向體系結構。藍牙協(xié)議包括核心協(xié)議層、替代電纜協(xié)議層、電話(huà)控制協(xié)議層和選用協(xié)議層。

　　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)現協(xié)議（SDP）。

　　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(shí)現數據的轉換。

　　電話(huà)替代協(xié)議。本協(xié)議包括二元電話(huà)控制規范（TCS Binary）與AT- 命令（AT-command）。用于提供音頻通信的處理規范和相應的控制命令。

　　選用協(xié)議。選用協(xié)議與用戶(hù)的應用有關(guān)，包括點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議（PPP）、用戶(hù)數據報/ 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(wú)線(xiàn)應用協(xié)議（WAP）、無(wú)線(xiàn)應用環(huán)境（WAE）、vCard 、vCal 、紅外移動(dòng)通信（IrMC）。選用協(xié)議層的具體內容由應用系統根據需要選擇。

　　除了以上協(xié)議層外，藍牙協(xié)議棧中還應包括二個(gè)接口：一個(gè)是主機控制接口（HCI），用來(lái)為基帶控制器、鏈路控制器以及訪(fǎng)問(wèn)硬件狀態(tài)和控制寄存器等提供了命令接口;另一個(gè)是與基帶處理部分直接相連的音頻接口，用以傳遞音頻數據。

　　在藍牙協(xié)議棧中，HCI 以上部分通常用軟件實(shí)現，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(huà)替代協(xié)議和選用協(xié)議;而HCI 以下部分則用硬件實(shí)現，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)議體系結構中的底層硬件模塊。

　　2 藍牙核心協(xié)議棧硬件電路結構

　　底層模塊是藍牙技術(shù)的核心模塊，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。

　?。?）射頻（RF）單元

　　RF 單元電路為藍牙技術(shù)提供了通信中的物理層，也叫作藍牙收發(fā)器。通過(guò)2.4GHz 的微波，實(shí)現數據流的過(guò)濾和傳輸。藍牙協(xié)議提供了有關(guān)藍牙收發(fā)器的各項技術(shù)指標。

　?。?）基帶層電路

　　基帶層提供了基帶數字信號處理硬件，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(guò)基帶層電路，可以建立藍牙通信網(wǎng)絡(luò )中的物理鏈路，從而形成微微網(wǎng)（piconet）?；鶐又杏袃煞N物理鏈路，一種是面向連接的同步鏈路（SCO） ，另一種是異步無(wú)連接鏈路（ACL） 。此外，基帶層還可為語(yǔ)音和數據分組提供不同水平的前向糾錯（FEC）或循環(huán)冗余度校驗（CRC）處理，并可對數據進(jìn)行加密。同時(shí)，基帶層電路還為不同類(lèi)型的數據（ 包括傳輸信息數據、鏈路管理和控制信息） 提供特定的信道。

　?。?）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(lái)對鏈路進(jìn)行設置和控制，并負責建立和撤銷(xiāo)各藍牙設備間的連接、功率控制以及認證和加密，同時(shí)還控制藍牙設備的工作狀態(tài)（保持hold 、休眠park 、呼吸sniff 和活動(dòng)active ）。鏈路管理層的主要功能由軟件完成，鏈路管理器電路提供運行于藍牙設備的處理器中的軟件。鏈路管理器之間的通信協(xié)議稱(chēng)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的接口。當藍牙模塊以USB、UART或RS232 中的任何一個(gè)接口與主機連接時(shí)，HCI 接口上層的通信協(xié)議由主機負責處理，而HCI 接口下層的通信協(xié)議則由模塊內的基帶層芯片與RF 芯片負責。根據藍牙標準，藍牙系統的基本組成包括天線(xiàn)、收發(fā)器、基帶控制器。由此可知，在天線(xiàn)、RF 收法器和基帶控制器的支持下，藍牙系統的組成可以十分靈活，即可實(shí)現多種不同的實(shí)現方案。

　　嵌入式藍牙系統是將RF 和基帶部分集成在一塊芯片上，單芯片藍牙硬件模塊結構如圖2 所示。在嵌入式藍牙器件中，硬件結構可分為鏈路管理器、鏈路控制器與RF 模塊3 部分，負責處理LMP 層、基帶層與RF 層的協(xié)議。鏈路管理器內包含處理器（CPU）、內存等組件。鏈路管理器與基帶層芯片合稱(chēng)為鏈路控制器。RF 模塊內含RF 射頻發(fā)射組件，與主機相連接的接口位于鏈路控制器上。

　　在嵌入式方案中，藍牙協(xié)議的上層軟件協(xié)議也全部固化在芯片中，芯片通過(guò)USB 或UART 接口與應用系統相連接。由于片內嵌入了CPU ，所以，嵌入式藍牙系統實(shí)際上是一個(gè)智能終端，適合于任何具有CPU 器件的系統。例如，智能傳感器中，只要增加一個(gè)單芯片藍牙器件，就可以組成一個(gè)以藍牙為通信方式的傳感器。

　　由圖2 可知，它由微處理器（CPU） 、無(wú)線(xiàn)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的關(guān)鍵模塊。其主要功能是在微處理器控制下，實(shí)現藍牙基帶部分的所有實(shí)時(shí)處理功能，包括負責對接收的bit 流進(jìn)行符號定時(shí)提取和恢復;分組頭及凈荷的循環(huán)冗余度校驗（CRC） ，分組頭及凈荷的前向糾錯碼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的接口等。CPU一般采用RISC 結構的嵌入式微處理器，如ARM7TDMI微處理器，才能滿(mǎn)足對藍牙核心協(xié)議的高速處理和大量數據bit 流的處理。Flash 存儲器用于存放基帶和鏈路管理層中的所有協(xié)議軟件。SRAM 作為CPU 的運行空間，在工作時(shí)把Flash 中的軟件調入SRAM 中處理。射頻收發(fā)器負責接收或發(fā)送高頻的通信信號。UART 和USB 接口提供到HCI 的主機控制器接口傳輸層的物理連接，是上層協(xié)議與藍牙硬件模塊進(jìn)行通信的通道。藍牙測試模塊主要提供無(wú)線(xiàn)層和基帶層的認證和一致性規范，同時(shí)還管理產(chǎn)品的生產(chǎn)和售后的測試，為可選模塊。

　　3 嵌入藍牙協(xié)議棧的SoC 結構設計

　　根據上述藍牙協(xié)議棧硬件結構可以看出，如果使用SoC 結構設計藍牙協(xié)議棧，則可以實(shí)現嵌入藍牙通信模塊，同時(shí)向用戶(hù)開(kāi)放內部CPU 的目的。在設計嵌入藍牙協(xié)議的SoC 結構時(shí)，需要考慮如下問(wèn)題。

　　數據處理能力與速度。數據處理能力主要體現在兩個(gè)方面：一個(gè)是數據緩沖存儲器的規模，另一個(gè)是對數據處理算法支持的程度。數據處理速度是一個(gè)重要的問(wèn)題。數據處理速度不僅與系統時(shí)鐘頻率有關(guān)，還與CPU 和內部總線(xiàn)的結構直接相關(guān)。

　　通信操作與系統運行的關(guān)系。在嵌入了藍牙通信棧的SoC 中，通信是系統的一個(gè)功能，SoC 還需要實(shí)現系統的其它功能。由于CPU 串行結構的特點(diǎn)，當系統需要同時(shí)啟用通信功能和其它重要功能時(shí)（ 例如實(shí)施系統的數據采集操作等） ，就需要使用適當的方法進(jìn)行協(xié)調。實(shí)際上這也就是嵌入式藍牙SoC 器件的系統實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

　　器件的功率損耗。功率損耗是SoC 設計中的一個(gè)重要問(wèn)題。除了采用相應的技術(shù)實(shí)現最低功率損耗問(wèn)題外，還必須通過(guò)系統結構設計降低系統的功率損耗。對于對功率損耗有特殊要求的系統，低功耗設計更是必不可少的內容。

　　由上述三個(gè)要求可知，在嵌入式藍牙SoC 中，如果數據處理量比較大，則需要考慮數據處理的速度問(wèn)題。用戶(hù)系統CPU 屬于串行工作方式，因此，在大數據量的通信過(guò)程中，如何完成系統的其它功能，是SoC 結構設計的一個(gè)重要方面。例如，使用藍牙技術(shù)傳輸圖像時(shí)，其中的通信系統必須保持連續工作狀態(tài)，同時(shí)，還需要SoC 中設計大量的Flash 存儲器。由于傳輸圖像必須進(jìn)行壓縮和解壓縮，所以，在保持通信連續和圖像的壓縮/ 解壓縮這兩種不同的操作中，就必須進(jìn)行充分協(xié)調，采用硬件并行處理的技術(shù)。這種情況下，CPU 就僅僅是一個(gè)操作控制器件，用來(lái)啟動(dòng)或終止某個(gè)操作。由此可知，應當針對不同類(lèi)型的應用場(chǎng)合設計相應的SoC結構。

　　對于智能傳感器，其基本功能如下。

　　信號轉換。這一部分電路的作用是把相應的物理量轉換為電壓信號，然后對其進(jìn)行放大和濾波處理。處理的結果作為數據采集電路的輸入信號。

　　數據采集。數據采集電路的功能是把信號轉換電路輸出的模擬信號轉換為數字信號（ 數據序列） ，然后把數字信號輸出給CPU ，以便進(jìn)行相應的處理。

　　數據處理。智能傳感器中的數據處理功能一般并不統一。一般情況下，需要數字濾波即可。有些智能傳感器還需要對信號進(jìn)行其它處理，例如信號幅度的判別、信號特征的提取、顯示處理等?？傊?，根據不同的應用領(lǐng)域，數據處理的要求不盡相同。

　　數據傳輸。在控制系統中，智能傳感器采集并整理好的數據，需要傳輸給系統的核心控制器或其它控制單元。由于控制系統的特點(diǎn)，數據傳輸一般需要經(jīng)過(guò)一段空間距離，因此，需要使用專(zhuān)門(mén)的電路和方式實(shí)現數據傳輸。例如，對數據進(jìn)行編碼處理后，利用電流環(huán)或RS232 等方式傳輸。在現有控制系統中，絕大多數情況下都采用有線(xiàn)傳輸方式實(shí)現傳感器與控制系統的連接。

　　對于智能傳感器來(lái)說(shuō)，傳輸數據量一般并不是很大（ 例如壓力、溫度等傳感器） ，因此，滿(mǎn)足智能傳感器需要的嵌入式藍牙SoC 器件中，并不需要很大的存儲容量;但必須考慮藍牙協(xié)議實(shí)現所必需的程序存儲空間。

　　從圖1 可以看出，藍牙協(xié)議棧的處理軟件會(huì )占用比較大的存儲器，因此，必須對其進(jìn)行簡(jiǎn)化。同時(shí)，為了保證控制系統安全可靠，還需要考慮使用用戶(hù)協(xié)議替代藍牙技術(shù)所定義的處理協(xié)議。由以上分析可以得出結論：

　　智能傳感器的數據傳輸量比較小，不需要進(jìn)行壓縮或編碼處理，可以設置在1 K 字節以下。

　　為了保證控制系統的安全可靠性，需要把上層處理協(xié)議變?yōu)橛脩?hù)層協(xié)議，由用戶(hù)自行編寫(xiě)。

　　為了設計滿(mǎn)足智能傳感器的嵌入式藍牙SoC 結構，對藍牙協(xié)議棧進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，只使用藍牙協(xié)議中的核心協(xié)議和替代電纜協(xié)議。SoC 中的藍牙協(xié)議棧由軟件和硬件兩部分組成。核心協(xié)議中的基帶協(xié)議由硬件實(shí)現，而鏈路管理和其它部分則使用軟件實(shí)現。所有有關(guān)協(xié)議的軟件存放在ROM 中，用戶(hù)使用通信棧時(shí)可直接調用。

　　需要指出的是，通信棧的設計為一個(gè)整體，因此調用時(shí)也必須整體調用。換句話(huà)說(shuō)就是，把通信?？闯墒且粋€(gè)完整的子程序模塊加以調用。根據上述結論，提出一種具有開(kāi)放使用戶(hù)協(xié)議的嵌入式藍牙SoC 模塊結構，如圖3 所示。

　　圖3 中，RF 收發(fā)器、基帶控制器和藍牙協(xié)議ROM 共同組成藍牙協(xié)議棧。藍牙協(xié)議棧在CPU 的控制下完成通信任務(wù)。簡(jiǎn)化的嵌入式藍牙協(xié)議棧結構如圖4 所示。其中用戶(hù)應用協(xié)議由用戶(hù)自行設計，以確保通信的安全性和可靠性。

　　另外，對藍牙協(xié)議棧中的LMP 進(jìn)行了相應的簡(jiǎn)化。在智能傳感器的應用中，通信鏈路一般比較簡(jiǎn)單，因此，LMP 不需要對鏈路進(jìn)行復雜的處理。本設計中，LMP 的主要功能由軟件完成。當需要使用藍牙通信發(fā)送數據或接收數據時(shí)，用戶(hù)程序只需調用LMP 軟件模塊即可。LMP 協(xié)議由兩部分組成：

　?、?軟件。通過(guò)CPU 對鏈路進(jìn)行設置和控制，實(shí)現藍牙設備連接、功率控制以及認證和加密，同時(shí)還控制藍牙設備控制器電路。

　?、?硬件。LMP 控制器電路在LMP 軟件的操作下，控制藍牙設備的工作狀態(tài)（保持hold、休眠park、呼吸sniff 和活動(dòng)active）。

　　圖3 中的CPU 通過(guò)開(kāi)放總線(xiàn)模塊向用戶(hù)開(kāi)放，用戶(hù)程序保存在用戶(hù)程序存儲器中。數據存儲器采用Flash存儲電路，用來(lái)保存藍牙通信中的發(fā)送和接收數據;同時(shí)，作為傳感器數據采集系統的數據存儲器。數據存儲器的使用分配由用戶(hù)決定，傳感器的設計者可通過(guò)用戶(hù)程序對數據存儲器進(jìn)行分塊控制使用，通過(guò)用戶(hù)程序設置相應的發(fā)送或接收數據存儲深度和起始地址，以及數據采集系統的數據存儲深度。

　　圖3 中開(kāi)放總線(xiàn)模塊提供了一個(gè)向用戶(hù)開(kāi)放的總線(xiàn)，使用戶(hù)可以充分利用CPU 、存儲器的資源。此外，圖3 中的通用通信接口和測試電路向用戶(hù)提供了局部連接和測試輸入輸出通道。

　　從以上模塊設計的結果可以看出，這種結構的智能傳感器具有完整的藍牙通信功能，同時(shí)，為用戶(hù)提供了應用處理的靈活性。例如，LMP 中的認證和加密方法與算法完全由用戶(hù)自行決定，從而提供了用戶(hù)系統的安全性和可靠性。另外，由于通用串行通信接口和測試電路的存在，為用戶(hù)系統提供了硬件測試的硬件支持。

　　根據圖3和上述分析，可以得到用于智能傳感器的嵌入式藍牙SoC 器件的電路結構，如圖5 所示。通信棧模塊調用操作流程如圖6 所示。

　　結語(yǔ)

　　把藍牙協(xié)議棧嵌入到智能傳感器中，將為控制系統提供十分靈活的組成方式;同時(shí)，通過(guò)采用相應的安全措施，可以提高系統的安全性和可靠性。本文通過(guò)對藍牙協(xié)議棧和智能傳感器工作特征的分析，設計了智能傳感器中嵌入藍牙協(xié)議棧的SoC 結構。為了滿(mǎn)足智能傳感器的應用，嵌入式藍牙SoC 中，CPU、存儲器以及相應的總線(xiàn)和外部電路應向用戶(hù)開(kāi)放。對于用戶(hù)而言，只要設計相應的傳感器前置電路，即可形成具有藍牙通信功能的智能傳感器。由于藍牙通信協(xié)議的操作功能已經(jīng)保存在ROM 中，所以用戶(hù)只需要調用相應的軟件程序即可完成藍牙通信。同時(shí)，這種SoC 中的藍牙協(xié)議棧中有關(guān)認證和加密的部分向用戶(hù)開(kāi)放，具體的認證、加密方法和算法可由用戶(hù)自行定義。此外，本文對智能傳感器嵌入式藍牙SoC 中藍牙協(xié)議棧進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。