藍(lán)牙技術(shù)運(yùn)用及介紹

1、藍(lán)牙技術(shù)及應(yīng)用引言藍(lán)牙”(Bluetooth)技術(shù)是由世界著名的5家大公司愛立信(Ericsson)、諾基亞(Nokia、東芝(Toshiba)、國際商用機(jī)器公司(IBM)和英特爾(Intel),于1998年5月聯(lián)合宣布的一種無線通信新技術(shù)，借用了一千多年前一位丹麥皇帝哈拉德布魯斯(HaraldBluetooth)的名字命名的。它是針對目前相距很近的便攜式器件之間的鏈接主要是用紅外線鏈路(infraredlink,簡稱IrDA)進(jìn)行而提出的。應(yīng)用紅外線收發(fā)器鏈接雖然能免去電線或電纜的連接，但是使用起來有許多不便，不僅距離只限于12m,而且必須在視線上直接對準(zhǔn)，中間不能有任何阻擋，同時(shí)只限于在兩

2、個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行鏈接，不能同時(shí)鏈接更多的設(shè)備。另一方面，人們對無線電通信技術(shù)很熟悉,無線電技術(shù)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信,可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信以至宇宙太空的通信。“藍(lán)牙”技術(shù)的目的是利用短距離、低成本的無線多媒體通訊技術(shù)在小范圍內(nèi)將各種移動(dòng)通訊設(shè)備、固定通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其終端設(shè)備、各種數(shù)字系統(tǒng)(包括數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z影機(jī)等)甚至家用電器連接起來,實(shí)現(xiàn)無縫的資源共享。1999年7月，藍(lán)牙正式公布了藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范BluetoothVersion1.0。藍(lán)牙已成為通訊領(lǐng)域目前的一個(gè)新熱點(diǎn)，極有可能在不遠(yuǎn)的將來成為小范圍無線多媒體通訊的國際標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙的技術(shù)特點(diǎn)藍(lán)牙技術(shù)利用短距離、低成本的無線連接替代了電纜連接,從而

3、為現(xiàn)存的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和小型的外圍設(shè)備接口提供了統(tǒng)一的連接。它具有許多優(yōu)越的技術(shù)性能,以下介紹一些主要的技術(shù)特點(diǎn)。射頻特性藍(lán)牙設(shè)備的工作頻段選在全世界范圍內(nèi)都可以自由使用的2.4GHz的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段，這樣用戶不必經(jīng)過申請便可以在24002500MHz范圍內(nèi)選用適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙無線電收發(fā)器頻段。頻道采用23個(gè)或79個(gè)，頻道間隔均為1MHz，采用時(shí)分雙工方式。調(diào)制方式為BT=0.5的GFSK，調(diào)制指數(shù)為0.280.35。藍(lán)牙的無線發(fā)射機(jī)采用FM調(diào)制方式,從而能降低設(shè)備的復(fù)雜性。最大發(fā)射功率分為三個(gè)等級,100mW(20dBm),2.5mW(4dBm),1mW(0dBm),在420dBm范圍內(nèi)

4、要求采用功率控制,因此,藍(lán)牙設(shè)備之間的有效通訊距離大約為10100m。TDMA結(jié)構(gòu)藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸率為1Mb/s，采用數(shù)據(jù)包的形式按時(shí)隙傳送每時(shí)隙0.625。藍(lán)牙系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)的同步定向聯(lián)接和非實(shí)時(shí)的異步不定向聯(lián)接,藍(lán)牙技術(shù)支持一個(gè)異步數(shù)據(jù)通道,3個(gè)并發(fā)的同步語音通道或一個(gè)同時(shí)傳送異步數(shù)據(jù)和同步語音通道。每一個(gè)語音通道支持64KB/S的同步語音,異步通道支持最大速率為721KB/S,反向應(yīng)答速度為57.6KB/s的非對稱連接,或者是速率為432.6KB/S的對稱連接。使用跳頻技術(shù)跳頻是藍(lán)牙使用的關(guān)鍵技術(shù)之一。對應(yīng)單時(shí)隙包,藍(lán)牙的跳頻速率為1600跳/秒；對于多時(shí)隙包,跳頻速率有所降低；但在建鏈時(shí)則

5、提高為3200跳/秒。使用這樣高的調(diào)頻速率,藍(lán)牙系統(tǒng)具有足夠高的抗干擾能力,且硬件設(shè)備簡單、性能優(yōu)越。藍(lán)牙設(shè)備的組網(wǎng)藍(lán)牙根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的概念提供點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)的無線連接,在任意一個(gè)有效通訊范圍內(nèi),所有的設(shè)備都是平等的,并且遵循相同的工作方式?；赥DMA原理和藍(lán)牙設(shè)備的平等性,任一藍(lán)牙設(shè)備在主從網(wǎng)絡(luò)(Piconet)和分散網(wǎng)絡(luò)(Scatternet)中，既可作主設(shè)備(Master),又可作從設(shè)備(Slaver),還可同時(shí)既是主設(shè)備(Master),又是從設(shè)備(Slaver)。因此在藍(lán)牙系統(tǒng)中沒有從站的概念，另外所有的設(shè)備都是可移動(dòng)的，組網(wǎng)十分方便。軟件的層次結(jié)構(gòu)和許多通訊系統(tǒng)一樣，藍(lán)牙的通訊協(xié)議采

6、用層次式結(jié)構(gòu)，其程序?qū)懺谝粋€(gè)9mn9mm的微芯片中。其底層為各類應(yīng)用所通用,高層則視具體應(yīng)用而有所不同,大體分為計(jì)算機(jī)背景和非計(jì)算機(jī)背景兩種方式,前者通過主機(jī)控制接口HCI(HostControlInterface)實(shí)現(xiàn)高、低層的連接。后者則不需要HCI。層次結(jié)構(gòu)使其設(shè)備具有最大的通用性和靈活性。根據(jù)通訊協(xié)議,各種藍(lán)牙設(shè)備無論在任何地方,都可以通過人工或自動(dòng)查詢來發(fā)現(xiàn)其它藍(lán)牙設(shè)備,從而構(gòu)成主從網(wǎng)和分散網(wǎng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)提供的各種功能,使用起來十分方便。藍(lán)牙系統(tǒng)的功能模塊層協(xié)議和對像交換格式。Bluetooth1.0標(biāo)準(zhǔn)由兩個(gè)文件組成。一個(gè)叫FoundationCore，它規(guī)定的是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。另藍(lán)牙系統(tǒng)

7、的基本功能模塊如圖1所示。它的功能模塊包括天線單元、鏈路控制器、鏈路管理、軟件功能。3.1無線技術(shù)規(guī)范圖1藍(lán)牙系統(tǒng)的基本功能模塊藍(lán)牙天線屬于微帶天線，藍(lán)牙無線接口是基于常規(guī)無線發(fā)射功率Odbm設(shè)計(jì)的，符合美國聯(lián)通訊委員會(huì)（FCC）的ISM頻段的規(guī)定。擴(kuò)展頻譜技術(shù)的應(yīng)用使得功率可增至lOOdbm，可滿足不同國家的需要。在日本、西班牙、法國，由于當(dāng)?shù)匾?guī)定的頻段相對較窄，可用內(nèi)部軟件來轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。3.2基帶技術(shù)規(guī)范基帶描述了設(shè)備的數(shù)字信號處理部分，即藍(lán)牙鏈路控制器，它完成基帶協(xié)議和其它底層的鏈路規(guī)程。主要包括以下幾個(gè)方面：（1）網(wǎng)絡(luò)連接的建立。（2）鏈路類型和分組類型。鏈路類型決定了哪種分組模式能在特

8、定的鏈路上使用，藍(lán)牙基帶技術(shù)支持兩種鏈路類型：即同步面向連接類型SCO（主要用于語音）和異步非連接類型ACL（主要用于分組數(shù)據(jù)）。（3）糾錯(cuò)基帶控制器采用3種糾錯(cuò)方式：1/3速率前向糾錯(cuò)編碼（FEC）、2/3速率前向糾錯(cuò)編碼（FEC）、對數(shù)據(jù)的自動(dòng)請求重傳（ACL）。（4）鑒權(quán)和加密藍(lán)牙基帶部分在物理層為用戶提供保護(hù)和信息保密機(jī)制。鑒權(quán)基于“請求一響應(yīng)”運(yùn)算法則。鑒權(quán)是藍(lán)牙系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它允許用戶為個(gè)人的藍(lán)牙設(shè)備建立一個(gè)信任域，比如只允許主人自己的筆記本電腦通過主人自己的移動(dòng)電話通信。加密被用來保護(hù)連接的個(gè)人信息。密鑰由程序的高層來管理。網(wǎng)絡(luò)傳送協(xié)議和應(yīng)用程序可以為用戶提供一個(gè)較強(qiáng)的安全機(jī)

9、制。3.3鏈路管理協(xié)議鏈路管理（LM）軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設(shè)置、鑒權(quán)、鏈路硬件配置和其它一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現(xiàn)其它遠(yuǎn)端LM并通過LMP（鍵路管理協(xié)議）與之通信。LM模塊提供如下服務(wù)：（1）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。（2）請求名稱。（3）鏈路地址查詢。（4）建立連接。（5）鑒權(quán)。（6）鏈路模式協(xié)商和建立。（7）決定幀的類型。（8）將設(shè)備設(shè)為sniff模式。master只能有規(guī)律地在特定的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。（9）將設(shè)備設(shè)為hold模式。工作在hold模式的設(shè)備為了節(jié)能在一個(gè)較長的周期內(nèi)停止接收數(shù)據(jù)，平均每激活一次鏈路，這由LM定義，LC（鏈路控制器）具體操作。（10）當(dāng)設(shè)備不需要傳送或接收數(shù)據(jù)但仍需保持同步

10、時(shí)將設(shè)備設(shè)為暫停模式。處于暫停模式的設(shè)備周期性地激活并跟蹤同步，同時(shí)檢查page消息。（11）建立網(wǎng)絡(luò)連接。3.4軟件（協(xié)議）單元藍(lán)牙基帶協(xié)議結(jié)合電路開關(guān)和分組交換機(jī)，適用于語音和數(shù)據(jù)傳輸。Bluetooth軟件構(gòu)架規(guī)范要求與Bluetooth相順從的設(shè)備支持基本水平的互操作性。這種順從水平由不同的應(yīng)用來決定。藍(lán)牙設(shè)備需要支持一些基本互操作特性要求。對某些設(shè)備，這種要求涉及到無線模塊、空中協(xié)議以及應(yīng)用一個(gè)叫FoundationProfile,它規(guī)定的是相互運(yùn)作性準(zhǔn)則。藍(lán)牙設(shè)備必須能夠彼此識(shí)別并裝載與之相應(yīng)的軟件以支持設(shè)備更高層次的性能。藍(lán)牙的軟件（協(xié)議）單元是一個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)，不與任何操作系

11、統(tǒng)捆綁，軟件（協(xié)議）結(jié)構(gòu)需有如下功能：（1）設(shè)置及故障診斷工具；（2）能自動(dòng)識(shí)別其它設(shè)備；（3）取代電纜連接；（4）與外設(shè)通信；（5）音頻通信與呼叫控制；（6）商用卡的交易與號簿網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。4藍(lán)牙系統(tǒng)的應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種電話系統(tǒng)、無線電纜、無線公文包、各類數(shù)字電子設(shè)備、電子商務(wù)等領(lǐng)域。跳線和TDMA等技術(shù)的應(yīng)用使得藍(lán)牙的射頻電路較為簡單，通訊協(xié)議的大部分內(nèi)容可以用專用集成電路和軟件來實(shí)現(xiàn)，因此從技術(shù)上保證了藍(lán)牙設(shè)備的高性能和低成本。以摩托羅拉藍(lán)牙解決方案為例，摩托羅拉在先進(jìn)射頻技術(shù)方面素有經(jīng)驗(yàn)。摩托羅拉藍(lán)牙解決方案可利用UART、RS-232、USB或SPI連接主處理器，而主處理器可通過

12、這些接口處理藍(lán)牙協(xié)議上的堆棧及主控制器的接口等功能；而這個(gè)藍(lán)牙解決方案則負(fù)責(zé)執(zhí)行下堆棧（主控制器接口、鏈路管理程序協(xié)議、基帶及射頻）其余的功能。并采用摩托羅拉的MCOREtm32位精簡指令集運(yùn)算（SISC）處理器內(nèi)核，內(nèi)含一個(gè)高度靈活的外圍設(shè)備集，適用于多種不同的嵌入式藍(lán)牙應(yīng)用方案。圖2為一個(gè)采用摩托羅拉解決方案用于蜂窩式電話的例子。通用異步收發(fā)器是連接蜂窩式電話基帶處理器與摩托羅拉解決方案的接口，而SSI則為語音通訊提供支持。|i11:通用異步1I11圖2應(yīng)用于蜂窩電話的典型藍(lán)牙解決方案圖3為設(shè)計(jì)高度靈活的藍(lán)牙解決方案，適用于多種不同的應(yīng)用方案。系統(tǒng)加設(shè)各種接口所需的外置功能，為個(gè)別用戶編寫的應(yīng)用代碼可存儲(chǔ)于外置式快閃存儲(chǔ)器