藍(lán)牙通信技術(shù)的模型解析與開發(fā)

2019-11-03 09:30:20

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供稿：網(wǎng)友

華東師范大學(xué)電子系張凌姚萌　　摘要：本文依據(jù)EriCSSon藍(lán)牙開發(fā)包EBDK的特點(diǎn)，從多個方面解析藍(lán)牙模塊與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信過程，并介紹軟件編程中的接口設(shè)置。

　　關(guān)鍵詞：藍(lán)牙技術(shù)；無線通信；解析

前言

　　藍(lán)牙技術(shù)是基于WPAN(Wireless Personal Area Network)的無線網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，是以短程無線電收發(fā)技術(shù)為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立了一個短程無線電的特別連接。它建立一個通用的無線電空中接口以及控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn)，使無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，使不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下在近距離范圍內(nèi)具有互用、互操作的性能，代替固定與移動通訊設(shè)備之間的電纜。利用Ericsson藍(lán)牙開發(fā)包EBDK(Ericsson Bluetooth Development Kit)，可以快速開發(fā)出建立在藍(lán)牙通信技術(shù)之上的應(yīng)用，加速產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)度。

　　藍(lán)牙系統(tǒng)模塊分析

　　從軟件和硬件來劃分，藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)可分為底層硬件模塊，中間協(xié)議層(軟件模塊)和高端應(yīng)用層三大部分。鏈路管理層(LM)，基帶層(BB)和射頻層(RF)屬于藍(lán)牙的硬件模塊。

　　中間協(xié)議層包括邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(1.2CAP)，服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)，串口仿真協(xié)議(RFCOMM)和電話通信協(xié)議(TCS)。藍(lán)牙協(xié)議棧的最上部是高端應(yīng)用層，它對應(yīng)于各種應(yīng)用模型的PRofile,是profile的一部分。

　　主控制器接口HCI(Host Controller Interface)是藍(lán)牙協(xié)議中軟硬件之間的接口。它提供一個調(diào)用下層基帶，鏈路控制層，狀態(tài)和控制寄存器等統(tǒng)一的命令接口。HCI協(xié)議以上的協(xié)議軟件實(shí)體運(yùn)行在主機(jī)上，而HCI以下的功能由藍(lán)牙設(shè)備來完成，兩者之間通過傳輸層進(jìn)行交互。HCI提供對基帶控制器和鏈路管理器的命令接口，以及對硬件狀態(tài)和控制注冊成員的訪問。該接口還提供對藍(lán)牙基帶的統(tǒng)一訪問模式。

　　EBDK硬件結(jié)構(gòu)

　　Radio模塊是藍(lán)牙硬件的射頻模擬部分，包括射頻發(fā)射器和射頻接收器，以跳頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率擴(kuò)展，進(jìn)行ISM頻段頻率信號的發(fā)送和接收。基帶模塊則對物理信道進(jìn)行管理，鏈路控制模塊進(jìn)行通信鏈路的建立、鑒權(quán)。

　　軟件功能分析

　　軟件分為兩部分：運(yùn)行在主PC上的主機(jī)軟件和在藍(lán)牙基帶設(shè)備上運(yùn)行的ROM程序。EBDK主機(jī)軟件在win98、NT PC上運(yùn)行，通過RS-232或USB連接到EBDK。

　　主機(jī)軟件功能機(jī)制

　　主機(jī)軟件有兩個主線程，一個執(zhí)行主應(yīng)用程序和傳輸數(shù)據(jù)包，另一個處理接收界面信息。左邊的圓圈代表主應(yīng)用程序線程，右邊的圓圈代表接收器線程。接收器線程采用Microsoft定義的通信事件，一旦接收到一個通信事件(通常是接收緩沖區(qū)有一序列字符)，就會產(chǎn)生一個windows消息，同時將接收到的字符序列送到包組裝器進(jìn)行數(shù)據(jù)包的組裝。主應(yīng)用程序處理windows消息隊(duì)列發(fā)現(xiàn)有輸入字符的消息后，就進(jìn)行數(shù)據(jù)包的組裝，或者接收到用戶界面的變化，對windows的控制或輸入信息轉(zhuǎn)換成的數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的整合，因?yàn)橥ǔＪ盏降臄?shù)據(jù)不是一個完整的數(shù)據(jù)包。主程序判別出數(shù)據(jù)包的類型，然后進(jìn)行圖形用戶界面的更新或發(fā)送數(shù)據(jù)包的相應(yīng)處理。

　　通信過程

　　EBDK主機(jī)軟件結(jié)構(gòu)為分層模塊化形式，每一層都進(jìn)行了封裝，其他層只有通過接口才能訪問。

　　如果用戶應(yīng)用程序發(fā)送了一序列數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在到達(dá)RS-232之前，首先會進(jìn)行包的組裝，生成通信協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包，在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前還必須檢測指令完成狀態(tài)機(jī)。指令完成狀態(tài)機(jī)指示從發(fā)送前一條指令之后系統(tǒng)是否仍在等待指令完成事件。如果狀態(tài)是空閑(IDLL)則發(fā)送數(shù)據(jù)包，如果狀態(tài)是等待指令完成(WAITING_FOR_CMD_COMF)用戶程序則被通知稍候再試。

　　在接收方向上，執(zhí)行的操作與之相反。接收來的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過包組裝器，組裝成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包格式，然后解開包，抽取包中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行指令解碼，獲得數(shù)據(jù)中包含的指令。在指令被發(fā)送到指令處理器之前，仍然要檢測指令完成事件，以確定前一條指令是否已經(jīng)被處理。之后，才被指令處理器處理，處理的結(jié)果反饋到應(yīng)用程序進(jìn)行界面的修改或通信狀態(tài)的改變處理。

　　指令通信示例

　　以一個簡單的示例來說明數(shù)據(jù)流動的全過程。

　　從EBDK的通信界面發(fā)送一條指令：

　　cmd cclk 0x2345

　　并按回車，將產(chǎn)生一個Windows事件調(diào)用字符串分析器對以空格分界的字符串進(jìn)行標(biāo)記和處理，生成一條消息字符序列。這個字符序列是對應(yīng)指令的HCI位字符流。這個字符序列被封裝到數(shù)據(jù)包中，經(jīng)過通信過程中的一系列過程發(fā)送給RS-232DLL，RS-232DLL再立即將它放到COMM口上，攜帶HCI指令的電信號從PC 的COM或USB口發(fā)出，沿著RS-232或USB線，到達(dá)EBDK的COM或USB中，穿過RS-232緩沖區(qū)buffer以及Mother Board進(jìn)入基帶連接器和基帶設(shè)備。基帶的ROM程序?qū)⑾⒔獯a并執(zhí)行。在這種情況下，它生成一個數(shù)據(jù)幀，在空中通過電磁波傳輸。這個幀通過與Radio Module的接口，以串行序列的形式從射頻天線發(fā)送出去。

　　射頻信號被附近的一個EBDK獲取，它的射頻模塊將射頻調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為一個數(shù)字信號，再以串行形式送到基帶設(shè)備。基帶控制和一個HCI數(shù)據(jù)包或事件包，再由基帶設(shè)備將該包通過RS-232(或USB)線送到PC。PC的CPU收到一個中斷指示收到一些字節(jié)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被送到緩沖器中，然后被RS-232包組裝器(Packet Builder)進(jìn)行處理。應(yīng)用程序收到一個消息指明有一個數(shù)據(jù)包要處理，最后根據(jù)抽取出來的指令，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行操作。這樣就完成了一個消息通信的過程。

　　要以程序編程實(shí)現(xiàn)上述的過程，就需要在程序中設(shè)置上述操作中的軟件接口動作機(jī)制。在C++中以一個通信類可以實(shí)現(xiàn)上述的基本操作。

　　一個基本的藍(lán)牙通信對象應(yīng)該具有以下的基本操作接口。

發(fā)送消息：

LssuoCommand：發(fā)送指令

TransmitRewData：發(fā)送數(shù)據(jù)

接收消息：

CommandCompleteSuccess：指令成功完成

CommandPending：指令延遲

CotRxPacket：收到數(shù)據(jù)包

ReadyForData：準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)

DisconnectionOccurred：發(fā)生連接中斷

GotBTAddress：獲得藍(lán)牙通信地址

而在實(shí)際通信操作中，要分為通信客戶端和通信服務(wù)器端。因此，在基本的通信對象的基礎(chǔ)上要派生出Client 和Server對象，分別就具體的操作進(jìn)行處理。

另外需要一個包組裝器專門處理數(shù)據(jù)包：

On_WMC_RXD_DATA：處理接收到數(shù)據(jù)之后的動作

PackelComplete：包接收完畢的動作

InvalidPacket：判斷包是否有效

　　在VC++中，可以利用藍(lán)牙工程模板自動生成，因此藍(lán)牙通信包軟件的開發(fā)具有易于實(shí)現(xiàn)和易與其他軟件捆綁的特點(diǎn)。

結(jié)語

　　本文分析了基于EBDK的藍(lán)牙通信的整個過程以及軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)制，可以作為藍(lán)牙通信的應(yīng)用開發(fā)的借鑒。具備了Ericsson藍(lán)牙開發(fā)工具包之后，由于藍(lán)牙軟件包具有捆綁性與易實(shí)現(xiàn)性，可以在此基礎(chǔ)上直接進(jìn)行應(yīng)用的開發(fā)，也可以從藍(lán)牙通信的軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)制上理出應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)思路。■

摘自《電子產(chǎn)品世界》

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