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1、第 3 章 蓝牙技术及应用,3.1 蓝牙技术简介 3.2 蓝牙技术基带与链路控制器规范 3.3 蓝牙主机控制器接口协议 3.4 蓝牙逻辑链路控制与适配协议 3.5 蓝牙服务发现协议 3.6 蓝牙串口仿真协议 3.7 蓝牙链路管理器,3.1 蓝牙技术简介 1994年，爱立信移动通信公司(Ericsson Mobile)开始研究在移动电话及其附件之间实现低功耗、低成本无线接口的可行性。随着项目的进展，爱立信公司意识到短距离无线电(Short Distance Radio，SDR)具有更广阔的应用前景，于是爱立信公司用10世纪的丹麦国王Harald Bluetooth的名字Bluetooth命名这一
2、技术，这位国王统一了当时四分五裂的北欧国家，受立信希望蓝牙技术能在世界范围内统一和发展。,1998年5月，爱立信联合诺基亚(Nokia)、英特尔(Intel)、IBM和东芝(Toshiba)4家公司一起成立蓝牙特殊利益集团(Bluetooth Interest Group,SIG)，负责蓝牙技术标准的制定、产品测试，并协调各国蓝牙的具体使用。Bluetooth SIG于1998年5月提出近距离无线数据通信技术标准。1999年7月蓝牙SIG正式公布蓝牙1.0版本规范，将蓝牙的发展推进到实用化阶段。,2000年10月，SIG非正式发布1.1版本蓝牙规范，直到2001年3月，1.1版本正式发布。蓝牙
3、规范1.0版本主要针对点对点的无线连接，比如手机与计算机、计算机与外设、手机与耳机等的无线应用。蓝牙1.1版本将点对点扩展为点对多点，并修整了前一版本的错误与模糊概念。2003年11月，蓝牙SIG公布了蓝牙1.2版本规范。,新标准在实现设备识别高速化的基础上，减少了与无线局域网(WLAN)的无线电波干扰，同时兼容1.1版本。2004年11月，蓝牙2.0标准(2.0+EDR)正式推出，从而使蓝牙的应用扩展到多媒体设备中，新标准具有更高的数据传输速率和带宽。蓝牙2.0在大量数据传输时功耗降低为原标准的一半。各版本的蓝牙技术标准可以从蓝牙国际组织的官方网站(http:/www.bluetooth.o
4、rg)免费下载。,蓝牙可以用于替代电缆来连接便携和固定设备，同时保证高等级的安全性。配备蓝牙的电子设备之间通过微微网进行无线连接与通信，微微网(Piconet)是由采用蓝牙技术的设备以特定方式组成的网络。当一个微微网建立时，只有一台为主设备，其他均为从设备，最大支持7个从设备。蓝牙技术工作于无须许可证的工业、科学与医学频段(ISM)，频率范围为2.42.4835GHz。覆盖范围根据射频等级分为三级：等级3为1m，等级2为10m，等级1为100m。,1蓝牙技术的技术特性 1) 语音和数据的多业务传输 蓝牙技术具有电路交换和分组交换两种数据传输类型，能够同时支持语音业务和数据业务的传输。基于目前P
5、STN网络的语音业务的实现是通过电路交换，即在发话者和受话者之间建立一条固定的物理链路；而基于互联网络的数据传输为分组交换数据业务，即将数据分为多个数据包，同时对数据包进行标记，通过随机路径传输到目的地之后按照标记进行再次封装还原。,蓝牙技术采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。语音编码方式为用户可选择的PCM或CVSD(连续可变斜率增量调制)两种方式，每个语音信道数据数率为64kb/s；通过两种链路模型SCO(面向链接的同步链路)和ACL(面向无连接的异步链路)传输话音和数据。ACL支持对称和非对称、分组交换和多点连接，适合于数据传输
6、；SCO链路支持对称、电路交换和点对点连接，适用于语音传输。ACL和SCO可以同时工作，每种链路可支持16种不同的数据类型。,2) 全球通用的ISM(工业、科学和医学)频段 蓝牙技术工作在全球共用的ISM频段，即2.4GHz频段。ISM频段是指用于工业、科学和医学的全球共用频段，它包括902928MHz和2.42.484GHz两个频段范围，可以免费使用而不用申请无线电频率许可。由于ISM频段为对所有无线电系统都开放的频段，为了避免与工作在该频段的其他系统(如Wi-Fi、ZigBee)或设备(微波炉)产生相互干扰。,蓝牙系统通过快速确认和跳频技术保证蓝牙链路的稳定性，跳频技术通过将通信频带划分为
7、79个调频信道，相邻频点间隔1MHz，蓝牙链路建立后发送数据时蓝牙接收和发送装置按照一定的伪随机编码序列快速地进行信道跳转，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625ms，由于其他干扰源不会按照同样的规律变化，同时跳频的瞬时带宽很窄，通过扩频技术扩展为宽频带，使可能产生的干扰降低，因此蓝牙系统链路可以稳定工作。,3) 低功耗、低成本和低辐射 蓝牙设备由于定位于短距离通信，射频功率很低，蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式：激活(Active)模式、呼吸(Sniff)模式、保持(Hold)模式和休眠(Park)模式。激活(Active)模式是正常的工作状态 ，另外三种模式是为了节能所规定的
8、低功耗模式。呼吸(Sniff)模式下的从设备周期性被激活；保持(Hold)模式下的从设备停止监听来自主设备的数据分组，但保持其激活成员地址；休眠(Park)模式下的主从设备间仍保持同步，但从设备不需要保留其激活成员地址。,这三种模式中，Sniff模式的功耗最高，对于主设备的响应最快；Park模式的功耗最低，但是对于主设备的响应最慢。 蓝牙设备的功耗能够根据使用模式自动调节，蓝牙设备的正常工作功率为1mW，发射距离为10m，当传输数据量减少或者无数据传输时，蓝牙设备将减少处于激活状态的时间，而进入低功率工作模式，这种模式将比正常工作模式节省70%的发射功率，蓝牙的最大发射距离可达100m，基本可
9、以满足常见的短距离无线通信需要。,小型化是蓝牙设备的另外一大特点。结合现代芯片制造技术，将蓝牙系统组成蓝牙模块，以USB或者RS232接口与现有设备连接，或者直接将蓝牙设备内嵌入其他信息设备中，可以降低蓝牙设备的成本和功耗。蓝牙模块中一般包括：射频单元、基带处理单元、接口单元和微处理器单元等。,2蓝牙规范 蓝牙规范目前已发展到2.0+EDR版本，但实际应用的产品还多为1.2版本。各版本的规范都是分为核心系统(Core)和应用模型(Profile)两部分。其中核心部分包括射频(RF)、链路控制(LC)、链路管理(LMP)、逻辑链路控制与适应(L2CAP)四个最底层协议以及通用的业务搜寻协议(SD
10、P)和通用接入模型(GAP)。而应用模型则是根据具体产品的不同需要而提出的各种协议组合，如串口(Serial Port Profile)、传真(FAX)、拨号网络(Dial-up Networking)等。,3.2 蓝牙技术基带与链路控制器规范 蓝牙标准的主要目标是实现一个可以适用于全世界的短距离无线通信标准，故其使用的是在大多数国家可以自由使用的ISM频段，容易被各国政府接受。此外，各个厂商生产的蓝牙设备应遵循同一个标准，使得蓝牙能够实现互联，为此物理层必须统一。本章简单介绍蓝牙的基带和链路控制器规范。,蓝牙协议标准采用了国际标准化组织(International Standard Orga
11、nization，ISO)的开放系统互连参考模型(Open System Interconnection/Reference Mode，OSI/RM)的分层思想，各个协议层只负责完成自己的职能与任务，并提供与上下各层之间的接口。蓝牙射频部分主要处理空中数据的收发。,空中接口收发的数据从何而来？射频部分何时发送，何时接收数据？某一时刻具体选择79个频点中的哪一个进行收发？蓝牙射频发射功率采用三个等级中的哪一个?这些都是蓝牙基带与链路控制器要解决的问题。本节介绍蓝牙基带与链路控制器协议规范(Baseband Link Controller Protocol Specification)，阐述了基带
12、所完成的功能及任务。,3.2.1 蓝牙基带概述 1蓝牙基带在协议堆栈中的位置 蓝牙基带在协议堆栈中的位置如图3-1所示。蓝牙设备发送数据时，基带部分将来自高层协议的数据进行信道编码，向下传给射频进行发送；接收数据时，射频将经过解调恢复空中数据并上传给基带，基带再对数据进行信道解码，向高层传输。,图3-1 蓝牙基带在协议堆栈中的位置,2基带分组编码格式 基带分组编码遵循小端格式(Little Endian)，如图3-2所示。b0是最低有效位LSB(Least Significant Bit)，MSB(Most Significant Bit)是最高有效位，LSB写在最左边，MSB写在最右边。射频
13、电路最先发送LSB，最后发送MSB。基带控制器认为来自高层协议的第一bit是b0，射频发送的第一bit也是b0。各数据段(如分组头、有效载荷等)由基带协议负责生成，都是以LSB最先发送的。例如，二进制序列b2b1b0=011中的“1”(b0)首先发送，最后才是“0”(b2)。,图3-2 蓝牙基带分组编码遵循的小端格式,3蓝牙设备编址 每个计算机网络接口卡(Network Interface Card，NIC)都由IEEE 802标准惟一地指定了一个媒体访问控制(Media Access Control，MAC)地址，用以区别网络上数据的源端和目的端。与此相类似，全世界每个蓝牙收发器都被惟一地分
14、配了一个遵循IEEE 802标准的48位蓝牙设备地址(Bluetooth Device Address，BD_ADDR)，其格式如图3-3所示。其中LAP(Lower Address Part)是低地址部分，UAP(Upper Address Part)是高地址部分，NAP(Non-significant Address Part)是无效地址部分。,图3-3 蓝牙设备地址格式,NAP和UAP共同构成了确知设备的机构惟一标识符(Organization Unique Identifier，OUI)由SIG的蓝牙地址管理机构分配给各个蓝牙设备制造商。各个蓝牙设备制造商有权对自己生产的产品进行编号，
15、编号放置在LAP中。图3-3中的NAP=0 xACDE，UAP=0 x48，LAP=0 x000080。蓝牙设备地址的地址空间为232(约42.9亿)，这样大的数字保证了全世界所有蓝牙设备的BD_ADDR都是惟一的。,4设备、微微网和散射网 无连接的多个蓝牙设备相互靠近时，若有一个设备主动向其他设备发起连接，它们就形成了一个微微网(Piconet)。主动发起连接的设备称为微微网的主设备(Master)，对主设备的连接请求进行响应的设备称为从设备(Slave)。 微微网的最简单组成形式就是两个蓝牙设备的点对点连接。微微网是实现蓝牙无线通信的最基本方式，微微网不需要类似于蜂窝网基站和无线局域网接入
16、点之类的基础网络设施。,一个微微网只有一个主设备，一个主设备最多可以同时与7个从设备同时进行通信，这些从设备称为激活从设备(Active Slave)。但是同时还可以有多个隶属于这个主设备的休眠(Parked)从设备。这些休眠从设备不进行实际有效数据的收发，但是仍然和主设备保持时钟同步，以便将来快速加入微微网。不论是激活从设备还是休眠从设备，信道参数都是由微微网的主设备进行控制的。图3-4表示的是两个独立的微微网。,图3-4 多个蓝牙设备组成微微网,散射网(Scatter Net)是多个微微网在时空上相互重叠组成的比微微网覆盖范围更大的蓝牙网络，其特点是微微网间有互联的蓝牙设备，如图3-5所示。虽然每个微微网只有一个主设备，但是从设备可以基于时分复用(Time Multiplexing)机制加入不同的微微网，而且一个微微网的主设备可以成为另一个微微网的从设备。每个微微网都有自己的跳频序列，它们之间并不跳频同步，这样就避免了同频干扰。,图3-5 多个微微网组成散射网,5蓝牙时钟 每个蓝牙设备都有一个独立运行的内部系统时钟，称为本地时钟(Local Clock)，用于决定收发
