基于單片機(jī)的藍(lán)牙接口設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)課件

1、基于單片機(jī)的藍(lán)牙接口設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)指導(dǎo)老師：姜艷殊學(xué) 生：楊東海專 業(yè)：自動(dòng)化 時(shí) 間：2011/06/25緒論結(jié)論藍(lán)牙主機(jī)控制器(HCI)藍(lán)牙技術(shù)基礎(chǔ)藍(lán)牙接口設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)內(nèi)容簡(jiǎn)介緒論藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 1994年，愛立信移動(dòng)通信公司為移動(dòng)電話和電話附件之間尋找一種低耗能、低成本的無線接口。在愛立信公司的引領(lǐng)下，世界很多廠家的研發(fā)部門加入到共同協(xié)議開發(fā)此技術(shù)的行業(yè)中。 1998年5月，由愛立信、IBM、英特爾、諾基亞和東芝五家公司共同提出了一種近距離無線數(shù)字通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其目的是實(shí)現(xiàn)最高傳輸速率可達(dá)1Mb/s(有效傳輸速率為721Kb/s)，最大傳輸距離為10m的無線通信技術(shù)

2、，即藍(lán)牙技術(shù)。并成立了國(guó)際化組織藍(lán)牙SIG (Special Interest Group)。藍(lán)牙技術(shù)特點(diǎn)藍(lán)牙技術(shù)基礎(chǔ) 藍(lán)牙技術(shù)主要面向廣義上網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語言設(shè)備，通過無線方式將它們連接。概括起來說，它主要具有以下特點(diǎn)： 1、支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接 2、工作在全球通用的2.4GHz IMS頻段 3、能傳送數(shù)據(jù)和語音 4、具有USB、UART、PCM語音接口 5、低成本、低功耗和低輻射 6、安全性，藍(lán)牙協(xié)議提供了認(rèn)證和加密 7、多用途，充分支持現(xiàn)有高層協(xié)議藍(lán)牙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的藍(lán)牙系統(tǒng)可分為五個(gè)單元 ：藍(lán)牙技術(shù)基礎(chǔ)無線射頻單元：是一個(gè)藍(lán)牙無線收發(fā)器，它是任何藍(lán)牙設(shè)備的核心 鏈路控制單元：又稱基

3、帶單元，包括3個(gè)集成芯片：連接控制器、基帶處理器以 及射頻傳輸/接收器鏈路管理單元：主要負(fù)責(zé)鏈路的軟件管理部分，它主要執(zhí)行鏈路設(shè)計(jì)、鑒權(quán)、配 置和藍(lán)牙設(shè)備建立連接所需要的其它工作。 藍(lán)牙協(xié)議軟件單元：藍(lán)牙軟件協(xié)議體系呈現(xiàn)明顯的層次性 ，不同級(jí)別不同應(yīng)用 的設(shè)備對(duì)藍(lán)牙技術(shù)在軟件方面有不同的要求 主機(jī)應(yīng)用軟件單元：針對(duì)不同的應(yīng)用需要，可采用不同的藍(lán)牙剖面，開發(fā)不同 主機(jī)應(yīng)用軟件。這些應(yīng)用軟件的開發(fā)以藍(lán)牙協(xié)議的實(shí)現(xiàn)為基 礎(chǔ)。藍(lán)牙技術(shù)基礎(chǔ)藍(lán)牙協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu) 主機(jī)控制器接口協(xié)議是位于藍(lán)牙系統(tǒng)的邏輯鏈路控制與適配協(xié)議層和鏈路管理協(xié)議層之間的一層協(xié)議。HCI為上層協(xié)議提供了進(jìn)入鏈路管理器的統(tǒng)一接口和進(jìn)入基帶

4、的統(tǒng)一方式。在HCI的主機(jī)和HCI主機(jī)控制器之間會(huì)存在若干傳輸層，這些傳輸層是透明的，只需完成傳輸數(shù)據(jù)的任務(wù)，不必清楚數(shù)據(jù)的具體格式。 藍(lán)牙的SIG規(guī)定了四種與硬件連接的物理總線方式，即四種HCI傳輸層：USB、RS232、UART和PC卡。本文正是基于藍(lán)牙HCI開發(fā)針對(duì)單片機(jī)應(yīng)用的無線通信。藍(lán)牙技術(shù)基礎(chǔ)主機(jī)控制器接口協(xié)議藍(lán)牙主機(jī)控制器接口HCI分組 HCI提供了藍(lán)牙主機(jī)與藍(lán)牙主機(jī)控制器交換信息的接口，這些信息以分組的形式進(jìn)行交互。 主機(jī)可以向主機(jī)控制器發(fā)送HCI指令分組、ACL數(shù)據(jù)分組和SCO數(shù)據(jù)分組；主機(jī)控制器可以向主機(jī)返回HCI事件分組、ACL數(shù)據(jù)分組和SCO數(shù)據(jù)分組。HCl分組的流向如

5、圖所示： 藍(lán)牙主機(jī)控制器接口HCI流量控制 在HCI層的通信過程中，不論是主機(jī)端還是主機(jī)控制器端，資源都是有限的，在處理大批量的數(shù)據(jù)的時(shí)候，如果不加控制，很有可能造成數(shù)據(jù)緩沖區(qū)溢出從而丟失數(shù)據(jù)，為了管理主機(jī)和主機(jī)控制器中這些有限的資源并控制數(shù)據(jù)流量，藍(lán)牙HCI層協(xié)議中設(shè)計(jì)了自己的流量控制機(jī)制，由主機(jī)管理主機(jī)控制器的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，主機(jī)可動(dòng)態(tài)地調(diào)整當(dāng)前連接句柄的流量。 基本上都是采用簡(jiǎn)捷而高效的停-等流控機(jī)制。 HCI層的通信過程中，主體有兩個(gè)，一個(gè)是主機(jī)，一個(gè)是主機(jī)控制器。由于一般情況下HCI以下協(xié)議是固化在主機(jī)控制器里的，是無法更改的，因此HCI的流控完全是由上層的主機(jī)來控制的，也就是必須由藍(lán)牙

6、協(xié)議的開發(fā)人員進(jìn)行控制和實(shí)現(xiàn)。 HCI的流量控制包括兩部分。HCI傳輸層藍(lán)牙主機(jī)控制器接口 HCI傳輸層是指在藍(lán)牙主機(jī)與主機(jī)控制器間相連的物理接口。HCI的物理接口包括USB、RS232、UART、PC卡4類。 UART傳輸層支持4種藍(lán)牙HCl分組：包括HCI指令分組、HCI事件分組、HCI ACL數(shù)據(jù)分組、HCI SCO數(shù)據(jù)分組。在UART傳輸層中，為了區(qū)分4種HCl分組，在分組發(fā)出前必須在分組前面增加分組指示器并在發(fā)送時(shí)先于HCl分組發(fā)出去，只有前面帶有分組指示器的HCl分組才允許發(fā)送。各HCl分組對(duì)應(yīng)的分組指示器如圖：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)藍(lán)牙接口設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 單片機(jī)端采用UART與藍(lán)牙模

7、塊連接實(shí)現(xiàn)通信，C8051F120外接液晶模塊和MMC卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和文件傳輸，其實(shí)還可以實(shí)現(xiàn)更多的功能，限于篇幅我們只研究藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸部分。 MCUC8051F120液晶模塊MMC卡藍(lán)牙模塊ROK101 008藍(lán)牙適配器CSRBluCore 04UART0PCUSB單片機(jī)端硬件設(shè)計(jì)藍(lán)牙接口設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 目前，最流行的HCI是通過通用異步收發(fā)器UART和通信串行總線USB連接的。其中UART通常更受青睞，因?yàn)槠湫阅芎蛿?shù)據(jù)吞吐率水平與USB接口相當(dāng)，且傳輸協(xié)議較為簡(jiǎn)單，減少了軟件開銷，是一種更為經(jīng)濟(jì)高效的硬件解決方案。 1602與單片機(jī)連接藍(lán)牙接口設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) D0D7為數(shù)據(jù)口，

8、與單片機(jī)的P4.0P4.7連接，VO為液晶顯示對(duì)比度調(diào)節(jié)器，RS為數(shù)據(jù)/命令選擇端(H/L)， 為讀寫選擇器，這里設(shè)成寫模式，即接低電平，LCDEN為使能信號(hào)，給一個(gè)高脈沖將數(shù)據(jù)送入液晶控制器，完成寫操作。 LM1117電平轉(zhuǎn)換PC端硬件設(shè)計(jì)藍(lán)牙接口設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) PC端硬件連接比較簡(jiǎn)單，將藍(lán)牙USB適配器直接通過USB連接到PC上即可。需要注意的是，插上適配器后，如果是在XP系統(tǒng)下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)裝載藍(lán)牙適配器驅(qū)動(dòng)程序，因?yàn)樵诖耸且_發(fā)自己的基于HCI層的應(yīng)用程序，而自動(dòng)安裝的驅(qū)動(dòng)程序是針對(duì)高級(jí)應(yīng)用開發(fā)的，覆蓋了HCI層，因此需要將其卸載，安裝針對(duì)特定適配器的硬件驅(qū)動(dòng)程序。此處使用的藍(lán)牙U

9、SB適配器是CSR BlueCore 04，安裝CSR USB Driver 1.18，安裝成功后可在“設(shè)備管理器”?！巴ㄓ么锌偩€控制器”中查找到“CSR BlueCore Bluetooth”，如圖所示： 藍(lán)牙接口設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 單片機(jī)UART接口 單片機(jī)通過UART控制藍(lán)牙模塊時(shí)，最底層的數(shù)據(jù)傳輸是通過UART實(shí)現(xiàn)的。因而需要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)UART接口函數(shù)來完成最基本的字節(jié)級(jí)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。 UART是一種同步/異步傳輸?shù)拇薪涌?，同步傳輸?shù)臑榘腚p工方式，異步傳輸?shù)臑槿p工方式，C8051F120有4中工作模式。此處選擇模式1，異步全雙工方式。 此處構(gòu)造了一個(gè)標(biāo)識(shí)單片機(jī)UART的結(jié)構(gòu)

10、體uart-dev，定義一個(gè)uart-dev類型的全局變量uart，作用域?yàn)檎麄€(gè)程序空間，唯一的標(biāo)識(shí)單片機(jī)的一個(gè)串口資源。 藍(lán)牙接口設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 單片機(jī)端軟件設(shè)計(jì) 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。軟件包括初始化、藍(lán)牙交互、處理數(shù)據(jù)三個(gè)部分。 初始化包括系統(tǒng)初始化和藍(lán)牙初始化。系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、管腳 分配、串口初始化、定時(shí)器初始化等；藍(lán)牙初始化是通過UART給藍(lán)牙模 塊發(fā)送一系列初始化指令。 藍(lán)牙交互就是初始化完成后，若本地藍(lán)牙作從設(shè)備，則等待遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備的建鏈請(qǐng)求，如果接受請(qǐng)求，則繼續(xù)等待建鏈成功，獲得一個(gè)連接句柄，從而即可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；若本地藍(lán)牙作主設(shè)備，則進(jìn)行一系列主動(dòng)查詢、建鏈、

11、發(fā)送數(shù)據(jù)、斷鏈等操作。 處理數(shù)據(jù)就是將有效數(shù)據(jù)提取出來顯示在液晶上或轉(zhuǎn)存到相應(yīng)位置等一系列后續(xù)操作。 需要注意的是，在程序的主循環(huán)中，需要實(shí)時(shí)判斷串口接收緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)則調(diào)用HCI狀態(tài)機(jī)進(jìn)行處理。程序流程如圖所示。藍(lán)牙接口設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) PC端軟件設(shè)計(jì) 在程序中構(gòu)造了一個(gè)USBStack類負(fù)責(zé)對(duì)藍(lán)牙USB適配器的控制，包括打開設(shè)備、發(fā)送HCI指令分組、收發(fā)ACL數(shù)據(jù)分組、接收HCI事件分組等。在程序的整個(gè)生命周期中，定義一個(gè)USBStack的全局變量m-bt標(biāo)識(shí)當(dāng)前的唯一的一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，程序流程所示。 藍(lán)牙設(shè)備打開以后，要對(duì)藍(lán)牙進(jìn)行初始化。類似于單片機(jī)端對(duì)藍(lán)牙模塊的初始化操作，也可靈活選擇初始化指令集和各初始化指令的參數(shù)，由于在此處只是實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的測(cè)試程序，所以對(duì)這些指令的參數(shù)的選擇只是按一般的需要進(jìn)行設(shè)置和取值。一些藍(lán)牙初始化指令集代碼見右圖。結(jié)論 結(jié)論 首先探討了藍(lán)牙技術(shù)的背景和現(xiàn)狀，對(duì)藍(lán)牙軟硬件系統(tǒng)組成進(jìn)行了剖析，隨后結(jié)合課題需要，重點(diǎn)剖析了藍(lán)牙協(xié)議體系中的主機(jī)控制器接口(HCI)協(xié)議層，并詳細(xì)分析了HCI傳輸層以及HCl分組格式，這些都是本文實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙接口的基礎(chǔ)。 針對(duì)藍(lán)牙技術(shù)在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用需要，參照藍(lán)牙HC