基于藍牙的數(shù)據(jù)互聯(lián)傳輸系統(tǒng)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(shù)據(jù)的傳輸技術，設計了藍牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸軟件。總體來說，在此所設計的藍牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有價格低，性能強，通用性好以及擴展能力強等優(yōu)點。
關鍵詞：藍牙；數(shù)據(jù)傳輸；CSR8510；ARM處理器

0 引言
由于微電子技術與集成電路技術的進步，使得計算機設備的體積進一步縮小，功耗不斷降低。而且隨著產(chǎn)品體積的日益減小和對應功耗的降低，使得各種移動、便攜式產(chǎn)品越來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)絡連接和信息交換問題也越發(fā)突出?，F(xiàn)在，各種移動設備間的無線通信產(chǎn)品已經(jīng)成為眾多廠商正在努力開發(fā)的目標。藍牙技術正是在這樣的一種環(huán)境下產(chǎn)生的。藍牙技術致力于構建體積小，功耗低，并能夠深度嵌入到其他設備或隨身攜帶的產(chǎn)品；使用藍牙技術可以實時處理數(shù)據(jù)、語音、圖像，甚至是視頻信息。
2010年7月7日藍牙技術聯(lián)盟(Bluetooth SIG)宣布，正式采納藍牙4．0核心規(guī)范(Bluetooth Core Specification Version 4．0)，并啟動對應的認證計劃。會員廠商可以提交其產(chǎn)品進行測試，通過藍牙4．0后將獲得藍牙4．0標準認證。該技術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(xù)工作數(shù)年之久。同時還擁有低成本、跨廠商互操作性、3 ms低延遲、100 m以上超長距離、AES-128加密等諸多特色，可以用于計步器、心律監(jiān)視器、智能儀表、傳感器物聯(lián)網(wǎng)等眾多領域，藍牙技術將在未來的短距離無線通信中發(fā)揮巨大作用。
本文就基于嵌入式設備上的藍牙數(shù)據(jù)傳輸技術，重點研究了藍牙協(xié)議體系和應用框架，以及嵌入式藍牙數(shù)據(jù)傳輸軟件的實現(xiàn)。

1 藍牙協(xié)議概述
藍牙協(xié)議棧是藍牙通信規(guī)范的核心部分，如圖1所示。藍牙協(xié)議規(guī)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(shù)據(jù)，從而可以在藍牙設備之間進行無縫交互式應用。藍牙協(xié)議采用了網(wǎng)絡通信中常用的分層結構，分別完成數(shù)據(jù)流的過濾和傳輸、跳頻和數(shù)據(jù)幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制、數(shù)據(jù)的拆裝、業(yè)務質量(QoS)、協(xié)議的復用和分用等功能。藍牙技術的一個主要任務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個層次，即核心協(xié)議層、串口協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和可選協(xié)議層。各個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)、服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)；
(2)串口協(xié)議層：串口仿真協(xié)議(RFCOMM)；
(3)電話控制協(xié)議層：電話控制二元協(xié)議(TCSBinary)與AT-Command規(guī)范；
(4)可選協(xié)議層：點到點協(xié)議(PPP)、對象交換協(xié)議(OBEX)、UDP／TCP／IP協(xié)議、無線應用環(huán)境(WAE)、無線應用協(xié)議(WAP)、紅外移動通信(IrMC)、vCard、vCal。

2 藍牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)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(guī)范還定義了通用的藍牙應用框架。應用框架重點選擇了標準藍牙協(xié)議中的消息和操作，描述了完整的藍牙應用操作過程。應用框架的提出大大提高了不同廠家藍牙產(chǎn)品的互操作性，這給用戶帶來了便利。在藍牙通用應用框架中，定義了4個通用框架，它們是實現(xiàn)具體的藍牙應用的規(guī)范和基礎。這4個應用框架是：通用訪問框架(Generic Access Profile，GAP)、串口仿真框架(Ser ial Port Proflle，SPP)、服務發(fā)現(xiàn)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個通用框架之間的關系如圖2所示。

2．2 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)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ARM920T內核，采用0．18μm工藝制作CMOS宏單元和存儲單元，同時采用AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)新型總線結構，具有低功耗、精簡和出色的全靜態(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個中斷源(其中，5個定時器，9個UARTs，24個外部中斷，1個看門狗定時器，4個DMA，2個ADC，1個LCD，1個電池故障，1個I2C，2個SPI，1個SDI，2個USB，1個NAND，2個Camera和1個AC97音頻)，可以使用電平／邊沿觸發(fā)模式進行觸發(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。

藍牙模塊采用了CSR公司的CSR8510，它是CSR8000系列的一款，是全面滿足藍牙v3．0標準的系統(tǒng)，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，專門為連接下一代10億個藍牙設備而設計的。另外，增加了數(shù)字信號處理器(DSP)，為高清語音配備的專用數(shù)字音頻信號處理器，可進行片上音頻編碼和噪聲消除。同時對原藍牙射頻和FM部分進行了優(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改進到現(xiàn)在的-93 dBm。其FM無需接任何外接天線，僅基于DSP的降噪算法就能使FM接收器實現(xiàn)更好的接收效果。
2．3 系統(tǒng)軟件設計
整個藍牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟件架構如圖4所示，共分為4個大的模塊：

(1)GUI模塊。采用Qt庫實現(xiàn)，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(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中所有功能窗口的創(chuàng)建、銷毀以及管理，當出現(xiàn)軟件有錯誤發(fā)生時，向用戶返回友好的錯誤提示。同時，在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，可以實時顯示當前數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)信息。
(2)Adapter Layer，軟件適配層。主要負責向GUI模塊提供底層無關的數(shù)據(jù)傳輸API接口，與GUI交換數(shù)據(jù)信息，以及響應用戶在GUI上的操作，控制下層模塊進行實際的執(zhí)行。
(3)SourceControl模塊。主要負責通過SDAP(服務發(fā)現(xiàn)應用框架)發(fā)現(xiàn)SDP和連接其他藍牙設備；通過GOBEX(通用對象交換框架)中的OBEX規(guī)范與其他的藍牙設備進行信息交換，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(shù)據(jù)的緩存，以及調用藍牙芯片進行加密數(shù)據(jù)的編解碼，并保證實現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)的實時通信。

3 結語
嵌入式移動設備的飛速發(fā)展，使得人們進行無線互聯(lián)互通的愿望越發(fā)強烈。藍牙4．0技術規(guī)范的提出，使其在更低功耗，更大覆蓋范圍，必將成為短距離無線通信的事實標準；相信不久的將來，基于藍牙的無線應用會越來越多。