基于單片機(jī)控制的藍(lán)牙無線通信系統(tǒng)

1、基于單片機(jī)控制的藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1引言藍(lán)牙作為一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)，可以在眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計(jì)一系列軟硬件技術(shù)、方法和理論，包括：無線通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，軟件工程及軟件可靠性理論，協(xié)議測(cè)試技術(shù)，規(guī)范描述語言，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，跨平臺(tái)開發(fā)和用戶界面圖形化技術(shù)，軟硬件接口技術(shù)，高集成芯片技術(shù)等1。由于藍(lán)牙體積小，功耗低，其應(yīng)用已經(jīng)不再局限于計(jì)算機(jī)外設(shè)，幾乎可以被集成在任何型號(hào)的數(shù)字設(shè)備中，特別是在那些對(duì)傳輸速率要求不高的小型移動(dòng)設(shè)備和便攜設(shè)備中應(yīng)用廣泛。隨著現(xiàn)代化數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，我們的生活中，各種設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)交換已經(jīng)非常頻繁，特別在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制

2、和數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合中，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的無線通信尤為突出。本文基于這一問題，提出了一種由單片機(jī)控制的藍(lán)牙無線通信系統(tǒng)方案，主要是實(shí)現(xiàn)了由單片機(jī)控制藍(lán)牙系統(tǒng)，與接入藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的其他設(shè)備，如：移動(dòng)電話、PDA以及其他具有藍(lán)牙功能的無線通信設(shè)備進(jìn)行通信。2藍(lán)牙協(xié)議棧概述藍(lán)牙技術(shù)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議規(guī)范藍(lán)牙無線通信的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是由SIG制定的，它規(guī)定了藍(lán)牙應(yīng)用產(chǎn)品應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)和需要達(dá)到的要求。目前頒布的藍(lán)牙規(guī)范有1.0、1.1、2.0、2.1等幾個(gè)版本2。藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范抱愧和信息一和應(yīng)用框架兩個(gè)部分。協(xié)議規(guī)范部分定義了藍(lán)牙的各層同學(xué)那些以，應(yīng)用框架指出了如何采用這些協(xié)議實(shí)現(xiàn)具體的應(yīng)用產(chǎn)品。協(xié)議棧由上至下可分為3個(gè)部分

3、：傳輸協(xié)議、中介協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議。傳輸協(xié)議負(fù)責(zé)藍(lán)牙設(shè)備間的相互位置確認(rèn)，以及建立和管理藍(lán)牙設(shè)備間的物理和邏輯鏈路，包才LMP、L2CAPHCI;中介協(xié)議為高層應(yīng)用協(xié)議或程序在藍(lán)牙邏輯鏈路上工作提供了支持，為應(yīng)用層提供了各種標(biāo)準(zhǔn)接口,包括:RFCOMMSDPIrDA、PPPTCP/IPUDPTSC和AT指令集等；應(yīng)用協(xié)議是指那些位于藍(lán)牙協(xié)議棧之上的應(yīng)用軟甲和其中涉及的協(xié)議，包括開發(fā)驅(qū)動(dòng)和其他藍(lán)牙應(yīng)用程序等。藍(lán)牙技術(shù)的核心協(xié)議藍(lán)牙技術(shù)的核心協(xié)議分為四個(gè)部分，如下：(1)基帶協(xié)議(Baseband)基帶和鏈路控制層確保網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部藍(lán)牙設(shè)備單元之間由射頻構(gòu)成的物理連接。(2)連接管理協(xié)議(LMP)負(fù)責(zé)藍(lán)牙網(wǎng)

4、絡(luò)內(nèi)各設(shè)備之間連接的建立。(3)邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP)是一個(gè)為高層傳輸層和應(yīng)用層協(xié)議屏蔽基帶協(xié)議的適配協(xié)議，為高層應(yīng)用傳輸提供了更加有效和更有利于實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分組格式。(4)服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDB發(fā)現(xiàn)服務(wù)在藍(lán)牙技術(shù)框架中起到了至關(guān)重要的作用，它是所有用戶模式的基礎(chǔ)，是為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中藍(lán)牙設(shè)備之間相互查詢及訪問提供的服務(wù)。在藍(lán)牙系統(tǒng)中，客戶只有通過服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議，才能獲得設(shè)備信息、服務(wù)信息以及服務(wù)特征，從而在設(shè)備單元之間建立不同的SDP層連接3。HCI協(xié)議HCI(HostControllerInterface)協(xié)議，即主機(jī)控制接口協(xié)議，屬于藍(lán)牙協(xié)議棧的一部分，是藍(lán)牙規(guī)范定義的一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的接

5、口，它適用于藍(lán)牙通訊模塊的硬件部分。此定義描述了位于HCI驅(qū)動(dòng)程序（主機(jī)的一部分，也即藍(lán)牙通訊模塊的使用者）和主機(jī)控制器固件（藍(lán)牙通訊模塊本身的一部分）之間的接口。HCI固件通過訪問基帶命令、硬件狀態(tài)寄存器、控制寄存器以及時(shí)間寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)牙硬件的HCI指令。HCI傳輸層是藍(lán)牙主機(jī)與藍(lán)牙主控制器之間的物理接口。目前，藍(lán)牙HCI傳輸層的物理接口由通用串行總線（USB）、串行端口（RS232）、通用異步收發(fā)器（UART）和個(gè)人計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)卡4。本系統(tǒng)采用UART方式在藍(lán)牙設(shè)備和主控制器之間傳輸數(shù)據(jù)。UART傳輸層發(fā)目標(biāo)在于可以在同一PCB電路板上兩UART之間的串行接口上使用藍(lán)牙HCI協(xié)議。UART

6、傳輸層假定UART通信不存在線路故障，圖1為UART傳輸層。函牙上機(jī)上機(jī)櫛制群I顯了傳輸匕圖1UART傳輸層UART傳輸層采用了RS232的接口參數(shù)配置，如表1:波特率J商指定信息數(shù)據(jù)位數(shù)8奇偶校驗(yàn)位無奇偶校驗(yàn)位終止位1終止位流控制RTS/CTS流完成響應(yīng)時(shí)間3ms表1RS232接口參數(shù)配置其中，RTS/CT酸控制用于防止臨時(shí)UART緩沖區(qū)溢出，當(dāng)CTS為1時(shí)，允許藍(lán)牙主機(jī)/主機(jī)控制器發(fā)送，當(dāng)CTS為0時(shí)，禁止藍(lán)牙主機(jī)/主機(jī)控制器發(fā)送。流完成響應(yīng)時(shí)間則定義了從設(shè)置RTS為0到字節(jié)流真正結(jié)束時(shí)的最大時(shí)間。UART信號(hào)線采取置空調(diào)制解調(diào)器模式，RS232信號(hào)處于連接狀態(tài)，即本地TXD連接至U遠(yuǎn)端R

7、XD,本地RTS連接到遠(yuǎn)端CTS反之亦然。UART傳輸層同時(shí)具備糾錯(cuò)功能。如果當(dāng)藍(lán)牙主機(jī)與主機(jī)控制器在RS232通信上失去同步，則必須復(fù)位。RS232通信失去同步意味著已檢測(cè)到HCI分組指示器或者HCI分組長(zhǎng)度超出了范圍。如果藍(lán)牙主機(jī)與主機(jī)控制器在障時(shí)間，以將同步錯(cuò)誤告訴藍(lán)牙主機(jī)。撫慰，從而實(shí)現(xiàn)重新同步5。UART通信失去同步，那么主控制器將發(fā)送硬件故主控制器需要從藍(lán)牙主機(jī)接5個(gè)RESET旨令以執(zhí)行3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案通過對(duì)藍(lán)牙協(xié)議的研究，采用藍(lán)牙模塊與主控制器（單片機(jī)）相連接的模式，向單片機(jī)寫入AT指令，通過UART傳輸層控制藍(lán)牙模塊，從而達(dá)到自動(dòng)連接以及自動(dòng)收發(fā)數(shù)據(jù)功能,如圖2所示。圖2硬件系統(tǒng)

8、設(shè)計(jì)方案該方案主要完成以下幾個(gè)指標(biāo)：(1)自動(dòng)完成處在藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中的藍(lán)牙設(shè)備的連接。該模式針對(duì)事先配對(duì)好的兩個(gè)不同地址，但硬件完全相同的藍(lán)牙-單片機(jī)設(shè)備。一旦該配對(duì)設(shè)備進(jìn)入到可通信距離，可通過事先寫進(jìn)單片機(jī)的程序，由單片機(jī)控制藍(lán)牙模塊，完成配對(duì)設(shè)備的自動(dòng)連接。(2)在單片機(jī)上加載外掛FLASH可將欲傳文件或者數(shù)據(jù)通過單片機(jī)下載存儲(chǔ)在FLASH當(dāng)中，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備連接后進(jìn)行自動(dòng)傳輸，不重復(fù)發(fā)送。(3)可搜索在可通信范圍內(nèi)所有同型設(shè)備或者其他具備藍(lán)牙功能的通信設(shè)備。搜索模式可分為自動(dòng)搜索和手動(dòng)搜索。搜索結(jié)果以“設(shè)備地址+設(shè)備類型+信號(hào)強(qiáng)度”方式顯示，搜索后，可選擇具體設(shè)備進(jìn)行連接、通信。(4)可實(shí)現(xiàn)兩種

9、接收方式：一種是藍(lán)牙設(shè)備與PC機(jī)等智能終端相連，由智能終端完成接收數(shù)據(jù)的工作；另一種模式是藍(lán)牙設(shè)備無需連接任何終端或接收機(jī)，直接將接收到的數(shù)據(jù)保存在外設(shè)FLASH當(dāng)中，這種模式省去了接收終端部分，使設(shè)備簡(jiǎn)潔，便攜，可在任意時(shí)刻無需通知和觸發(fā)任何按鍵，完成自動(dòng)接收。系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：一部分是嵌入了藍(lán)牙HCI協(xié)議的藍(lán)牙模塊，另一部分是由單片機(jī)加載FLASHY片的控制/存儲(chǔ)模塊。4系統(tǒng)的硬件構(gòu)成系統(tǒng)由單片機(jī)通過串口對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行控制，完成對(duì)藍(lán)牙模塊的指令配置和數(shù)據(jù)的收發(fā)處理，如圖3所示。=VPAMBLUCTMTHriot里M而MtioaiQlPIG3卓m*事0EMIrIMPCflIHFN口用.ABD

10、IFirjLioapim圖3藍(lán)牙系統(tǒng)的硬件構(gòu)成芯片選擇(1)主機(jī)控制器(單片機(jī))芯片的選擇從實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)要求的角度出發(fā)，系統(tǒng)控制主芯片選擇C8051F020。C8051F020是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有與8051兼容的CIP-51內(nèi)核和硬件實(shí)現(xiàn)的SPkSMBus/I2C和兩個(gè)UART串行接口，即可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。C8051F340處理芯片與普通單片機(jī)相比較，具有擴(kuò)展芯片少，連線簡(jiǎn)單，資源多，運(yùn)算速度快，編程簡(jiǎn)單，易于升級(jí)維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，并且在可靠性和穩(wěn)定性上也可以得到保證。(2)藍(lán)牙模塊的選擇藍(lán)牙模塊選用的HWW-S1800是由深圳恒皓威公

11、司生產(chǎn)，采用世界領(lǐng)先的藍(lán)牙芯片供應(yīng)商CSR公司的BlueCore4芯片，標(biāo)準(zhǔn)class1藍(lán)牙2.0版本規(guī)范設(shè)計(jì)，具有信號(hào)靈敏度高、通信距離遠(yuǎn)，簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn)，可通過AT指令查看或者設(shè)置控制參數(shù)，滿足無線串口通信遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?。該型?hào)藍(lán)牙模塊支持所有藍(lán)牙協(xié)議，采用spp串口通信模式，實(shí)現(xiàn)通用串行接口與藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸之間的相互轉(zhuǎn)換；具有多從(SLAVE實(shí)體結(jié)構(gòu)，最多可同時(shí)與7個(gè)具有SPP協(xié)議的遠(yuǎn)程藍(lán)牙主(MASTER)設(shè)備；通過AT指令，可為模塊設(shè)置控制參數(shù)或發(fā)布控制命令；支持各種標(biāo)準(zhǔn)波特率，并支持硬件流傳輸控制，最高串口波特率為1382400bps；通信頻段為藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz,搭載外置藍(lán)牙天

12、線，在空曠、無遮擋地帶，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)理論傳輸最大距離可達(dá)1800米。HWW-S1800藍(lán)牙模塊主要包括三個(gè)部分：基帶控制器、藍(lán)牙傳輸適配器和工作在全球通用標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHzISM頻段的射頻模塊。其中傳輸適配器通過加入額外的功率放大器后，可使得藍(lán)牙模塊的通信范圍擴(kuò)大，在理想傳輸條件下，最大值可達(dá)到1800米。(3)FLASH芯片的選擇FLASH芯片選擇Atmel公司生產(chǎn)的AT45DB161D-SU。該FLASH存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量為16Mbit,電源電壓范圍為2.7V3.6V,最大工作電流為15mA。主控制模塊與藍(lán)牙模塊的連接作為主控制器單片機(jī)使用22.1184MHz的晶振，單片機(jī)與藍(lán)牙模塊間的通信波特率

13、為38400bps,與PC機(jī)等智能終端的通信波特率為115200bps。單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中起到了主機(jī)控制器的作用，它和藍(lán)牙模塊之間的數(shù)據(jù)通信需要通過主機(jī)控制器接口(HCI)實(shí)現(xiàn)。HCI由兩部分組成：一部分是用來連接藍(lán)牙模塊和搭載了FLASH的主控制器，另一部分是實(shí)現(xiàn)命令接口的軟件。5結(jié)語通過對(duì)藍(lán)牙協(xié)議體系的深入研究，特別是對(duì)藍(lán)牙核心協(xié)議及藍(lán)牙HCI協(xié)議的分析，本文提出了一套基于單片機(jī)控制的遠(yuǎn)距離藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以期待為低成本、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)乃{(lán)牙便攜產(chǎn)品開發(fā)提供思路。本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)控制的藍(lán)牙傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在配對(duì)狀態(tài)下兩個(gè)不同地址并且相互綁定的同型設(shè)備之間的自動(dòng)連接和通信的功能，并在收發(fā)設(shè)備兩端對(duì)等層開發(fā)了文件傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了文件自動(dòng)傳輸。在此基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)的功能可拓展為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，或者實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)自動(dòng)通信以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙模塊與單片機(jī)之間的HCI,具有一定的規(guī)范性，也可以作為通用模塊，為實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙產(chǎn)品開發(fā)提供參考案例。參考文獻(xiàn)1朱剛，談?wù)褫x，周賢偉藍(lán)牙技術(shù)原理與協(xié)議出版社