藍(lán)牙4.0 BLE協(xié)議棧的研究 TI CC2540 CC2541 OSAL

1、藍(lán)牙4.0 BLE 協(xié)議棧的研究 TI CC2540 CC2541 OSAL藍(lán)牙4.0 BLE 協(xié)議棧的研究 TI CC2540 CC2541 OSAL藍(lán)牙4.0 BLE 協(xié)議棧的研究 TI CC2540 CC2541 OSAL1.藍(lán)牙：a 是一種支持短距離通訊的無線技術(shù)，主要工作在2.4GHz頻帶。至今分為五個(gè)版本1.1，1.2,2.0,3.0,4.0（4.1），現(xiàn)在市面上流行三種設(shè)備傳統(tǒng)藍(lán)牙（Bluetooth簡稱BR），低功耗藍(lán)牙（bluetoothSmart即是Bluetooth Low Energy簡稱BLE，藍(lán)牙4.0（BluetoothSmartReady即是BR+BLE）b 藍(lán)

2、牙4.0由傳統(tǒng)藍(lán)牙，高速藍(lán)牙和藍(lán)牙低功耗三種規(guī)范合成。其中常用的有兩種模式（單模-支持（BLE）和雙模-支持（BLE+BR）。我們用的CC2540是單模芯片。c 藍(lán)牙4.0中的BLE（藍(lán)牙低功耗Bluetooth Low Energy）定義了兩個(gè)頻段2.4Ghz（16個(gè)信道896/915MHz（896M一個(gè)信道915M十個(gè)信道），共27個(gè)信道。 速度：支持1Mbps數(shù)據(jù)傳輸率下的超短數(shù)據(jù)包。所有連接都使用藍(lán)牙2.1加入的減速呼吸模式（sniff subrating）來達(dá)到超低工作循環(huán) 跳頻：藍(lán)牙規(guī)范自適應(yīng)跳頻技術(shù) 主控制：更加智能，可以休眠更長時(shí)間，只在需要執(zhí)行動(dòng)作的時(shí)候才喚醒。 延遲：可在3

3、ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)連接并設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸。 范圍：提高調(diào)制指數(shù)，最大范圍可到100m 健壯性：所有數(shù)據(jù)包都經(jīng)過24bitCRC校驗(yàn)。確保最大程度抵御干擾。 安全：使用AES128 CCM加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)包加密和認(rèn)證。 拓?fù)洌好總€(gè)數(shù)據(jù)包的每次接收都是用32位尋址，理論上可連接十億臺(tái)設(shè)備。針對(duì)一對(duì)一連接，并支持新型拓?fù)涞囊粚?duì)多連接。d 藍(lán)牙4.0總共40個(gè)信道，都分布在2.4GHz，其中0.12.39三個(gè)信道用來廣播信息。e 藍(lán)牙4.0的引起超低的功耗而備受矚目。是3.0的升級(jí)版，較3.0更加省電，成本更低，3ms低延遲，超長有效連接距離，AES-128加密；2.BLEa.藍(lán)牙4.0規(guī)范中的一種，其中mast

4、er最多有7個(gè)外設(shè)，低功耗，低延遲，低吞吐量。b六種設(shè)備狀態(tài) 待機(jī)狀態(tài)（standby）：設(shè)備沒有傳輸和發(fā)送數(shù)據(jù)，并且沒有連接到任何設(shè)備 廣播狀態(tài)（Advertiser）：周期性廣播狀態(tài) 掃描狀態(tài)（Scanner）：主動(dòng)尋找正在廣播的設(shè)備 發(fā)起鏈接狀態(tài)（Initiator）：主動(dòng)向掃描設(shè)備發(fā)起連接。 主設(shè)備（Master）:作為主設(shè)備連接到其他設(shè)備。 從設(shè)備（Slave）：作為從設(shè)備連接到其他設(shè)備。五種工作狀態(tài) 準(zhǔn)備（standby），廣播（advertising），監(jiān)聽掃描（Scanning），發(fā)起連接（Initiating），已連接（Connected）四種設(shè)備類型 Cnetral主機(jī)（常

5、作為client端）：如手機(jī)，PC Peripheral從機(jī)（常作為Service端）：如心率計(jì)，血糖計(jì) Observer觀察者： Broadcast廣播者：連接過程：Peripheral開啟廣播-Central掃描從機(jī)廣播-Peripheral接收到Central的掃描請(qǐng)求，Peripheral向Central發(fā)送掃描回應(yīng)數(shù)據(jù)-Central向Peripheral發(fā)起連接-開始通信。cBLE中的連接參數(shù)（ConnectionEvent=確認(rèn)連接應(yīng)答信號(hào)-設(shè)備大多數(shù)情況下都在Sleep狀態(tài)下，每個(gè)ConnectionEvent都由Master發(fā)起包，在由Slaver回復(fù)）參數(shù)1：Connect

6、ion Interva-l兩個(gè)ConnectionEvent之間的空閑值，單位為1.25ms，最小7.5ms，最大4s。參數(shù)2：Slave Latency-Slaver設(shè)備沒有數(shù)據(jù)要發(fā)時(shí)，跳過一定數(shù)目的ConnectionEvent的值，Rang：0-499.參數(shù)3：Supervision Timeout-超時(shí)時(shí)間，就是兩個(gè)設(shè)備在連接的這段時(shí)間沒有發(fā)生通訊而導(dǎo)致連接自動(dòng)斷開的值。Range（10ms-32s）但是必須滿足以下條件參數(shù)3=參數(shù)1*（參數(shù)2+1）。d 兼容性BLE協(xié)議結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)可分為三大層（控制層（controller）（HCI、LL、PHY）協(xié)議層（Host）（L2CAP、SM、A

7、TT、GATT、GAP）應(yīng)用層（App）（GATT Profile和GAP Role/Security Profiles）各層單元邏輯PHY 物理層：主要是射頻和電路部分LL 鏈路控制層：通過計(jì)算器的設(shè)置來控制物理層HCI 通訊層：向host和controller提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化接口，該層可以由軟件api實(shí)現(xiàn)或者用硬件接口UART SPI USB 來控制L2CAP邏輯鏈路控制和適配層：負(fù)責(zé)邏輯鏈路的連接以及事件的分發(fā)，位于基帶協(xié)議之上。L2CAP向上層提供面向連接的和無連接的數(shù)據(jù)服務(wù)。它的功能包括：協(xié)議的復(fù)用能力、分組的分割和重新組裝以及數(shù)據(jù)組提取。L2CAP允許高層協(xié)議和應(yīng)用發(fā)送和接受高達(dá)64

8、Byte的數(shù)據(jù)分組SM安全服務(wù)層：提供配對(duì)密匙的發(fā)放，實(shí)現(xiàn)安全鏈接和數(shù)據(jù)交換ATT屬性層：是BLE中一個(gè)很重要的一層，所有的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過這層，展示屬性的稱為服務(wù)器，與之配對(duì)的稱為客戶端。主機(jī)設(shè)備可以是服務(wù)器也可以是客戶端規(guī)定了Client和Server兩個(gè)角色，數(shù)據(jù)存在Service端，以Attribute形式存在，Client則以讀或?qū)懙姆绞絹韺?duì)Server端數(shù)據(jù)進(jìn)行操作GATT定義使用ATT的服務(wù)框架GATT規(guī)定了配置文件（profile）結(jié)構(gòu)。在BLE中所有的profile或者服務(wù)用到的數(shù)據(jù)塊都稱為“特性”characteristic，基于ATT層更加細(xì)化的根據(jù)性質(zhì)把傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分成特定的

9、類并標(biāo)上UUID（每類ATT也有一個(gè)獨(dú)特的UUID）GAP主要用于設(shè)備查找，連接建立，廣播發(fā)送接收的一些控制APP層：Profile定義的是特定的一個(gè)使用環(huán)境，相同的也有個(gè)UUID名詞解釋Profile：可以理解成是一種規(guī)范，藍(lán)牙組織規(guī)定了一系列的profile,如心率計(jì)，防丟器等。每個(gè)Profile中都會(huì)包含多個(gè)ServiceService：可以理解成一個(gè)服務(wù)，在ble從機(jī)中，通過多個(gè)服務(wù)（如電量信息服務(wù)，系統(tǒng)信息服務(wù)等），每個(gè)Service里面包含多個(gè)Characteristic特征值。Characteristic特征值才是bel的主體，（如：點(diǎn)量80%。會(huì)通過電量的Characteris

10、tic特征值存在從機(jī)的profile里，這樣主機(jī)可以通過這個(gè)Characteristic來讀取80%這個(gè)數(shù)據(jù)。）Characteristic：Characteristic特征值，主從機(jī)的通訊全是通過Characteristic來實(shí)現(xiàn)的，可以理解為一個(gè)標(biāo)簽，通過這個(gè)標(biāo)簽可以獲取或者寫入想要的內(nèi)容UUID：統(tǒng)一識(shí)別碼我們剛才提到的Service和Characteristic，都需要一個(gè)唯一的UUID來標(biāo)識(shí)。CC2540芯片特性內(nèi)部由一個(gè)51內(nèi)核和基本外設(shè)構(gòu)成，時(shí)鐘頻率可達(dá)32MHz，機(jī)器周期為一個(gè)時(shí)鐘周期，擁有內(nèi)部阻容振蕩器，8KBRAM，256KBFlash5通道DMA，1個(gè)16位，兩個(gè)8位定時(shí)器，紅外生成電路，32KHz有捕捉功能睡眠定時(shí)器數(shù)字信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSI），電池監(jiān)視