基于藍牙的數據互聯(lián)傳輸系統設計

摘要：在基于藍牙協(xié)議體系及藍牙通用應用框架的基礎上，研究了嵌入式藍牙數據的傳輸技術(shù)，設計了藍牙數據傳輸系統。系統采用流行的ARM處理器，并選用了CSR公司的CSR8510藍牙芯片作為藍牙通信的核心，最后設計了藍牙數據傳輸軟件?？傮w來(lái)說(shuō)，在此所設計的藍牙數據傳輸系統具有價(jià)格低，性能強，通用性好以及擴展能力強等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：藍牙；數據傳輸；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，使得計算機設備的體積進(jìn)一步縮小，功耗不斷降低。而且隨著(zhù)產(chǎn)品體積的日益減小和對應功耗的降低，使得各種移動(dòng)、便攜式產(chǎn)品越來(lái)越廣泛地被應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(wèn)題也越發(fā)突出?，F在，各種移動(dòng)設備間的無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品已經(jīng)成為眾多廠(chǎng)商正在努力開(kāi)發(fā)的目標。藍牙技術(shù)正是在這樣的一種環(huán)境下產(chǎn)生的。藍牙技術(shù)致力于構建體積小，功耗低，并能夠深度嵌入到其他設備或隨身攜帶的產(chǎn)品；使用藍牙技術(shù)可以實(shí)時(shí)處理數據、語(yǔ)音、圖像，甚至是視頻信息。
2010年7月7日藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)宣布，正式采納藍牙4．0核心規范(Bluetooth Core Specification Version 4．0)，并啟動(dòng)對應的認證計劃。會(huì )員廠(chǎng)商可以提交其產(chǎn)品進(jìn)行測試，通過(guò)藍牙4．0后將獲得藍牙4．0標準認證。該技術(shù)擁有極低的運行和待機功耗，使用一粒紐扣電池甚至可連續工作數年之久。同時(shí)還擁有低成本、跨廠(chǎng)商互操作性、3 ms低延遲、100 m以上超長(cháng)距離、AES-128加密等諸多特色，可以用于計步器、心律監視器、智能儀表、傳感器物聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域，藍牙技術(shù)將在未來(lái)的短距離無(wú)線(xiàn)通信中發(fā)揮巨大作用。
本文就基于嵌入式設備上的藍牙數據傳輸技術(shù)，重點(diǎn)研究了藍牙協(xié)議體系和應用框架，以及嵌入式藍牙數據傳輸軟件的實(shí)現。

1 藍牙協(xié)議概述
藍牙協(xié)議棧是藍牙通信規范的核心部分，如圖1所示。藍牙協(xié)議規定了藍牙設備的定位、之間的互連操作，以及如何建立連接交換數據，從而可以在藍牙設備之間進(jìn)行無(wú)縫交互式應用。藍牙協(xié)議采用了網(wǎng)絡(luò )通信中常用的分層結構，分別完成數據流的過(guò)濾和傳輸、跳頻和數據幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制、數據的拆裝、業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)、協(xié)議的復用和分用等功能。藍牙技術(shù)的一個(gè)主要任務(wù)就是能夠使使用相同藍牙協(xié)議的本地設備和遠端設備互聯(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(huà)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)現協(xié)議(SDP)；
(2)串口協(xié)議層：串口仿真協(xié)議(RFCOMM)；
(3)電話(huà)控制協(xié)議層：電話(huà)控制二元協(xié)議(TCSBinary)與AT-Command規范；
(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(wú)線(xiàn)應用環(huán)境(WAE)、無(wú)線(xiàn)應用協(xié)議(WAP)、紅外移動(dòng)通信(IrMC)、vCard、vCal。

2 藍牙數據傳輸系統設計
2．1 藍牙應用框架
在藍牙協(xié)議體系結構的基礎上，藍牙規范還定義了通用的藍牙應用框架。應用框架重點(diǎn)選擇了標準藍牙協(xié)議中的消息和操作，描述了完整的藍牙應用操作過(guò)程。應用框架的提出大大提高了不同廠(chǎng)家藍牙產(chǎn)品的互操作性，這給用戶(hù)帶來(lái)了便利。在藍牙通用應用框架中，定義了4個(gè)通用框架，它們是實(shí)現具體的藍牙應用的規范和基礎。這4個(gè)應用框架是：通用訪(fǎng)問(wèn)框架(Generic Access Profile，GAP)、串口仿真框架(Ser ial Port Proflle，SPP)、服務(wù)發(fā)現應用框架(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 系統硬件設計
系統的硬件結構示意圖如圖3所示。主控制器采用了三星公司的一款S3C2440微處理器，基于A(yíng)RM920T內核，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(xiàn)結構，具有低功耗、精簡(jiǎn)和出色的全靜態(tài)設計，所以特別適合對成本和功耗敏感的應用。除此之外，他還特別為各種外設準備了豐富的中斷控制能力，包括高達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(mén)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)。

藍牙模塊采用了CSR公司的CSR8510，它是CSR8000系列的一款，是全面滿(mǎn)足藍牙v3．0標準的系統，并提供對最新藍牙標準v4．0版本的支持。CSR8000在原CSR7000的架構上增加了藍牙低功耗射頻部分，專(zhuān)門(mén)為連接下一代10億個(gè)藍牙設備而設計的。另外，增加了數字信號處理器(DSP)，為高清語(yǔ)音配備的專(zhuān)用數字音頻信號處理器，可進(jìn)行片上音頻編碼和噪聲消除。同時(shí)對原藍牙射頻和FM部分進(jìn)行了優(yōu)化，使藍牙射頻的輸出功率達到了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)到現在的-93 dBm。其FM無(wú)需接任何外接天線(xiàn)，僅基于DSP的降噪算法就能使FM接收器實(shí)現更好的接收效果。
2．3 系統軟件設計
整個(gè)藍牙數據傳輸系統的軟件架構如圖4所示，共分為4個(gè)大的模塊：

(1)GUI模塊。采用Qt庫實(shí)現，完全面向對象設計，界面易擴展，各種功能使用插件的形式完成；主要負責界面各種按鈕的消息捕獲、處理，完成藍牙數據傳輸系統中所有功能窗口的創(chuàng )建、銷(xiāo)毀以及管理，當出現軟件有錯誤發(fā)生時(shí)，向用戶(hù)返回友好的錯誤提示。同時(shí)，在進(jìn)行數據傳輸的時(shí)候，可以實(shí)時(shí)顯示當前數據傳輸的狀態(tài)信息。
(2)Adapter Layer，軟件適配層。主要負責向GUI模塊提供底層無(wú)關(guān)的數據傳輸API接口，與GUI交換數據信息，以及響應用戶(hù)在GUI上的操作，控制下層模塊進(jìn)行實(shí)際的執行。
(3)SourceControl模塊。主要負責通過(guò)SDAP(服務(wù)發(fā)現應用框架)發(fā)現SDP和連接其他藍牙設備；通過(guò)GOBEX(通用對象交換框架)中的OBEX規范與其他的藍牙設備進(jìn)行信息交換，主要分為PUT和GET操作的控制，以及設備本身的文件操作控制；本模塊還可以進(jìn)行其他藍牙設備的身份認證和鑒權。
(4)Core Module。主要負責藍牙設備原始數據的緩存，以及調用藍牙芯片進(jìn)行加密數據的編解碼，并保證實(shí)現藍牙數據的實(shí)時(shí)通信。

3 結語(yǔ)
嵌入式移動(dòng)設備的飛速發(fā)展，使得人們進(jìn)行無(wú)線(xiàn)互聯(lián)互通的愿望越發(fā)強烈。藍牙4．0技術(shù)規范的提出，使其在更低功耗，更大覆蓋范圍，必將成為短距離無(wú)線(xiàn)通信的事實(shí)標準；相信不久的將來(lái)，基于藍牙的無(wú)線(xiàn)應用會(huì )越來(lái)越多。