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蓝牙协议栈的原理和应用设计
蓝牙协议栈的原理和应用设计
这里我们讲解了蓝牙协议栈在嵌入式方面的一些原理和设计。希望对大家有所帮助。下面我们就来看看具体的内容吧。
蓝牙技术发展的时间比较长了，对于这部分的应用也非常广泛。那么今天我们就来讲解一下蓝牙协议栈在嵌入式方面的一些应用。蓝牙技术是一种无线数据与数字通信开放性规范.它以低成本、近距离无线连接为基础,为固定与移动设备建立了一种完整通信方式和技术.实质是建立通用无线接口及其控制软件标准,使移动通信与计算机网络之间能实现无缝连接,由此,为不同厂家生产便携式设备提供了近距离(10m~100m)范围内互操作通道.在工业控制系统和许多应用领域,随着电子技术发展,目前控制器和传感器已经实现了智能化.在一般传感器或测试仪表中,大量使用CPU 控制下数字化技术,因此,许多控制系统或传感器系统已经实现了数字化传输.如果在数字化控制系统和传感器中嵌入蓝牙技术,则可以实现系统数据和控制命令无线传输,这对于许多应用领域都是十分重要.
1 蓝牙协议栈
蓝牙技术规范1.0 版本作了如下规定.
① 蓝牙工作在全球通用2.4GHz ISM(Industrial ,Scientific and Medical)免付费、免申请无线电频段.
② 采用快速确认和跳频技术,以确保链路稳定.
③ 采用二进制调频(FM)技术跳频收发器,抑制干扰和防止衰落.
④ 采用前向纠错(FEC)技术,抑制长距离链路随机噪声.
⑤ 数据传输速率为1Mb/s .
⑥ 采用时分双工传输,其基带协议是电路交换和分组交换结合.
⑦ 一个跳频频率发送一个同步分组,每个分组占用一个时隙,也可扩展到5个时隙.
⑧ 支持一个异步数据通道,或3个并发同步语音通道,或一个同时传送异步数据和同步语音通道.每一个语音通道支持64Kbps 同步话音.异步通道支持最大速率为721Kbps 、反向应答速率为57.6Kbps 非对称连接,或者是432.6bps 对称连接.
目前,工作在2.4GHz 频段上无线局域网技术中,除了蓝牙技术外,还有IEEE802.11、HomeRF 和红外技术.总来说,IEEE802.11 比较适合于办公室无线网络,HomeRF 适用于家庭中移动数据、语音设备等与主机之间通信,而蓝牙技术则可以应用于任何允许无线方式替代线缆场合.
在实际应用中,蓝牙技术应用一般采用嵌入式技术.在应用系统中嵌入蓝牙协议栈,可为系统提供一个透明无线网络通信层.
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蓝牙技术协议栈设计只有符合蓝牙技术规范要求,才能实现不同厂家产品无缝对接.蓝牙技术规范(specification)包括协议(protocol)和应用规范(profile)两个部分.完整蓝牙协议栈如图1所示.
协议规范中定义了各功能元素工作方式,提供了蓝牙技术实现中功能元素间横向体系结构.应用规范则介绍了实现特定应用模型,描述了各层协议间协同机制,从而提供了技术实现纵向体系结构.
蓝牙协议包括核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和选用协议层.
① 核心协议.核心协议包括基带协议、链路管理协议(LMP)、逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)、服务发现协议(SDP).
② 替代电缆协议.替代电缆协议包括串行电路仿真协议(RFCOMM),用于实现数据转换.
③ 电话替代协议.本协议包括二元电话控制规范(TCS Binary)与AT-命令(AT-command).用于提供音频通信处理规范和相应控制命令.
④ 选用协议.选用协议与用户应用有关,包括点到点协议(PPP)、用户数据报/传输控制协议/互联网协议(UDP 和TCP/IP)、目标交换协议(OBEX)、无线应用协议(WAP)、无线应用环境(WAE)、vCard 、vCal 、红外移动通信(IrMC).选用协议层具体内容由应用系统根据需要选择.
除了以上协议层外,蓝牙协议栈中还应包括二个接口:一个是主机控制接口(HCI),用来为基带控制器、链路控制器以及访问硬件状态和控制寄存器等提供了命令接口;另一个是与基带处理部分直接相连音频接口,用以传递音频数据.
在蓝牙协议栈中,HCI 以上部分通常用软件实现,包括逻辑链路控制和适配协议L2CAP、串行仿真RFCOMM 、链路管理协议(LMP )、电话替代协议和选用协议;而HCI以下部分则用硬件实现,包括基带协议和链路管理协议(LMP),这部分也叫作蓝牙协议体系结构中底层硬件模块.
2 核心蓝牙协议栈硬件电路结构
底层模块是蓝牙技术核心模块,主要由射频(RF)单元电路、基带层(base band)电路和链路管理层(LMP,Link Manger Protocol)电路组成.
(1)射频(RF)单元
RF单元电路为蓝牙技术提供了通信中物理层,也叫作蓝牙收发器.通过2.4GHz 微波,实现数据流过滤和传输.蓝牙协议提供了有关蓝牙收发器各项技术指标.
(2)基带层电路
基带层提供了基带数字信号处理硬件,其功能是提供链路控制,因此也叫作基带及链路控制层电路.通过基带层电路,可以建立蓝牙通信网络中物理链路,从而形成微微网(piconet).基带层中有两种物理链路,一种是面向连接同步链路(SCO),另一种是异步无连接链路(ACL).此外,基带层还可为语音和数据分组提供不同水平前向纠错(FEC)或循环冗余度校验(CRC)处理,并可对数据进行加密.同时,基带层电路还为不同类型数据(包括传输信息数据、链路管理和控制信息)提供特定信道.
(3)链路管理层(LMP)电路
链路管理层电路也叫作链路管理器电路,功能是提供链路管理通信协议.链路管理协议用来对链路进行设置和控制,并负责建立和撤销各蓝牙设备间连接、功率控制以及认证和加密,同时还控制蓝牙设备工作状态(保持hold 、休眠park 、呼吸sniff 和活动active ).链路管理层主要功能由软件完成,链路管理器电路提供运行于蓝牙设备处理器中软件.链路管理器之间通信协议称为链路管理协议(LMP).
蓝牙技术整体框架以HCI(Host Controller Interface)为界,区分为硬件模块以及上层软件协议两部分.
蓝牙技术标准中,选择了USB、UART 或是RS232 作为硬件模块与主机间接口.当蓝牙模块以USB、UART或RS232中任何一个接口与主机连接时,HCI 接口上层通信协议由主机负责处理,而HCI 接口下层通信协议则由模块内基带层芯片与RF 芯片负责.
根据蓝牙标准,蓝牙系统基本组成包括天线、收发器、基带控制器.由此可知,在天线、RF收法器和基带控制器支持下,蓝牙系统组成可以十分灵活,即可实现多种不同实现方案.
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嵌入式蓝牙系统是将RF和基带部分集成在一块芯片上,单芯片蓝牙硬件模块结构如图2所示.在嵌入式蓝牙器件中,硬件结构可分为链路管理器、链路控制器与RF模块3部分,负责处理LMP层、基带层与RF层协议.链路管理器内包含处理器(CPU)、内存等组件.链路管理器与基带层芯片合称为链路控制器.RF模块内含RF射频发射组件,与主机相连接接口位于链路控制器上.
在嵌入式方案中,蓝牙协议上层软件协议也全部固化在芯片中,芯片通过USB或UART接口与应用系统相连接.由于片内嵌入了CPU,所以,嵌入式蓝牙系统实际上是一个智能终端,适合于任何具有CPU器件系统.例如,智能传感器中,只要增加一个单芯片蓝牙器件,就可以组成一个以蓝牙为通信方式传感器.
由图2可知,它由微处理器(CPU)、无线收发器(RF)、基带控制器(BB)、闪存(Flash程序存储器)、通用异步收发器UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)、通用串行接口USB(Universal Serial Bus)及蓝牙测试模块组成.其中蓝牙基带控制器是蓝牙硬件模块关键模块.其主要功能是在微处理器控制下,实现蓝牙基带部分所有实时处理功能,包括负责对接收bit流进行符号定时提取和恢复;分组头及净荷循环冗余度校验(CRC),分组头及净荷前向纠错码FEC处理,加密和解密处理等,且能提供从基带控制器到其它芯片接口等.CPU一般采用RISC结构嵌入式微处理器,如ARM7TDMI微处理器,才能足对蓝牙核心协议高速处理和大量数据bit流处理.Flash存储器用于存放基带和链路管理层中所有协议软件.SRAM作为CPU 运行空间,在工作时把Flash中软件调入SRAM中处理.射频收发器负责接收或发送高频通信信号.UART和USB接口提供到HCI主机控制器接口传输层物理连接,是上层协议与蓝牙硬件模块进行通信通道.蓝牙测试模块主要提供无线层和基带层认证和一致性规范,同时还管理产品生产和售后测试,为可选模块.【责任编辑： TEL：（010）】
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艾本蓝牙耳机告诉你音频无线发射及接收原理
一、音频发射
1、无线电波在地面、空间无处不存在，只是根据频率高低，幅度大小而形成磁场强弱，幅射距离远近而已，所以使用的方式也不同。
2、无线电波，根据频率可分为低频、高频、超高频等，频率越高，穿透力越强，而发射距离也越远（另输出功率越大，距离也越远），一般在3MHz以下分为低频，3MHz以上分为高频，现在我们只谈低频。
3、音频属于低频频率范围：20Hz-20KHz范围内，所以不能采用电磁波发射而是用磁场发射，我们就把这段频率范围内的信号进行功率放大，经负载，把电能转化为磁能，而在输出回路尽量接近接收机且与我们周围空间产生足够强的磁场，才能满足接收要求。
二、接收原理
无线接收，就是把教室内绕在墙上的线圈而产生交变磁场，经过耳机感应线圈把磁能转化成电能，即音频信号，经过放大，由扬声器转换成声能，发出声音。
三、实际应用
在我们这套设备中，其原理也一样，就是在功率放大器后面接的发射线圈（即绕在教室中的音频线）中产生交变磁场。
1、原理及操作：磁带电磁记录的内容经过放音磁头拾取转换成微弱的音频信号，经放大一定的幅度后，从卡座输出到功率发射机，再经过功率足够放大后，由负载线圈在空间产生磁场，使每个教室都有这种磁场，发射机备有信号输入输出，电源开关，话筒组，音量电位器，频响调整范围及打铃系统，操作及简单，灵活。
2、学生佩戴接收机后，内部的接收线圈感应到空中的电磁场后，形成微弱的音频信号，经适当放大后，再由扬声器转换成声能，而发出声音。
3、根据音量大小的要求，每个接收机都有音量电位器来选择音量大小
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自建WIFI热点传输应用评测: 还在用蓝牙传文件？你OUT了
你是不是遇到过这样的情况：朋友聚会的时候，手机中有好的游戏、音乐或者电影想要和朋友分享，在手边没有电脑没有数据线时你首先想到的应该就是蓝牙，但是先抛开不同设备间的蓝牙配对麻烦不说，靠蓝牙传输差不多100KB/s左右的速度一款大一点的游戏或者电影所花费的时间是难以忍受的，而且中间还不能中断。那么还有更快一些的手机间文件传输的办法呢？
有人说我还可以用手机发邮件或者微信将文件发给好友，少量的照片等小文件用这种方法当然非常简便，但是游戏或者电影产生的高额流量让人难以接受，而且如果不是使用的3G网络的话，传输速度还比不上蓝牙呢。今天小编就特意找了几款新形式的Android手机文件传输应用，这几款应用也许能帮你解决聚会时用蓝牙传游戏传视频速度慢、用邮件微信费流量的尴尬，一起来看看它们是怎么传送文件的吧：
测试应用：、、（安豆芽更名为闪传）
测试手机：小米M1（Android4.04）、BambookS1（Android2.35）
首先小编来给大家介绍一下这三款应用传输文件的原理：三者都是通过Android手机的WIFI模块自建WIFI个人热点，通过WIFI来进行文件传输，之前也有不少应用可以让多台连接在同一个WIFI网络下的手机进行文件互传，这也就意味着必须要WIFI网络的支持，而用手机自建WIFI个人热点就解决了这一限制。
相比传统的蓝牙传输来说，使用WIFI网络也更有优势：首先我们来对比一下蓝牙和WIFI的传输速度和传输距离，一般情况蓝牙的传输速度是100KB/s左右，一首MP3大概是4-6MB，传输时间需要40-60秒，如果要传几十M或者更大的文件需要的时间也就更长，而且随时都有可能中断。而WIFI的数据传输速度可达到5MB/s以上，是蓝牙速度的几十倍，发送一首MP3只需要几秒钟的时间。而且蓝牙的有效距离只有10米左右，由于手机蓝牙的功率非常小，传数据时两个手机几乎要贴在一起信号才比较稳定，而WIFI的有效距离接近100米，在室内不是很开阔的地方有效距离也有几十米，所以几乎不受距离的约束，信号也相对比较稳定。
传输前准备
首次使用的时候快牙会提示你创建一个用户名并选择一个头像（也可以直接拍照），跳过介绍之后点击“连接朋友”后你可以将自己的手机作为热点或者搜索朋友已经建好的热点加入，等待对方同意即可。被添加到“白名单”后，从第二次开始，无需创建者同意就能自行加入连接中。 快牙支持多用户连接（理论上是WIFI个人热点连接上限数5人），和别的用户建立连接之后就可以进行文件传输了。
闪传无论是从功能还是界面上和快牙都非常相似，首次使用也是需要创建用户名并选择头像，进入主界面之后点击“连接朋友”即可创建热点或者连接朋友的手机，基本过程和快牙一致。
瓦力快传：
瓦力快传的主界面相对比较简洁，选择头像并创建用户名之后点击”开始快传“后如果你和传送对象之间已经连接在同一WIFI网络下就可以直接进行文件传输了，如果没有WIFI网络的话就需要点击”选择其它网络”创建个人WIFI热点（热点名称需要与前面你的用户名一致），传送对象连接上你的个人热点即可（需密码验证）。需要注意的是每次使用的时候都得重新建立个人热点，应用并不能自动记录当前创建的个人热点。
三者传输前的准备工作都非常简单，都是选择头像用户名之后创建个人热点即可开始文件传输。不过到这里也许有朋友会说如果对方的手机上没有安装这些应用不就无法传输文件了吗？针对这一点快牙、闪传以及瓦力快传都使用了相同的解决方案：通过给对方发送一条含有简化版快牙、闪传以及瓦力快传的下载链接的邀请短信给对方，只要点击链接下载大约50KB左右的简化版应用安装并连接之后，简化版会自动从你的手机中提取完整版的安装文件安装升级，也就是说只需一个人安装，所有人都可以通过手机WIFI进行文件传输，比较人性化的一个设置。
在创建个人热点的问题上，快牙和闪传都是建立的个人开放热点，即周边的笔记本电脑或其它手机也能搜索到此网络。这就会涉及到隐私以及“蹭网”问题，快牙和闪传都使用了以下解决方案：在进入应用后看到的界面相当于资源管理器，没有共享的文件其它用户无法看到；创建个人热点之后会自动关闭数据网络及外部WIFI网络，即在传输文件期间手机无法上网，这就解决了蹭网的问题。而瓦力快传则是建立的加密个人热点，每次都得手动创建热点并且进行验证，在这一点上没有前者方便。
鉴于闪传和快牙无论是从功能还是界面上的相似程度实在太大，小编就将二者放在一起介绍了。看起来闪传就是完全山寨的快牙，二者之间的相似点实在是太多。
在需要传送文件的双方（多方）通过个人热点建立连接之后，点击主界面中的应用、音乐或者视频等项目下的相应文件即可进行传输。二者可传输的文件不局限于应用、图库及音乐库中，传送的文件类型几乎没有限制。二者的主界面中仅按功能将文件大致分类为应用、照片、影音、文件，在“文件”一项中可以看到手机存储卡中的全部内容，类似U盘间的互相复制。
在快牙中你可以将相应的文件拖动到界面上方的已连接用户头像中就可以发送文件，或者点击相应的文件在弹出的菜单中点击“传输”，快牙还有多种有趣的传输方式就留给大家慢慢去发掘吧（首次安装的应用介绍中有提示）。
而闪传的文件发送方式比较特别，在选择一个或者多个文件之后需摇晃一下手机才能完成发送，或者按住单个的文件在弹出的菜单中点击分享将文件发送给当前连接的用户，小编发现在连接了两个用户以上的时候选择相应的文件摇晃手机之后闪传只会默认发送给第一个用户，也就是说你不能选择特定的人进行传输，这种情况下你只能点击“分享”将该文件发送给当前连接的所有用户，这一点上快牙的拖动至头像发送就是很好的解决方案，毕竟有时候多人连接的情况下还有有特定的文件需要传送给特定的人的。
值得注意的是快牙还支持文件夹发送功能，在发送手机中的文件的过程中点击相应的文件夹就可以将整个文件夹中的文件发送给对方，省去了挨个选择的麻烦，而闪传和瓦力快传则不支持这项功能。
二者在“历史”中可以查看当期的所有文件发送记录，点击相应的文件就可以完成查看、分享、删除等操作，这些文件会默认保存在SD卡中相应的以应用命名的文件夹中，可以比较方便的找到。
在创立连接之后，瓦力快传同样也支持应用、音视频、图片以及手机文件夹所有文件的传送，选择相应的文件之后应用会提示你选择了几个文件，点击文件数量提示后的“传送给”按钮选择接受对象就可以将相应的文件发送到已连接的对方手机上。
传输速度实测
（注：传输速度可能因设备、系统版本、用户连接数等差异而有所不同，这里小编测得的数据仅供参考）
在传输小的文件的时候三者在速度上几乎没有什么差异，像图片等文件基本上都能达到秒传，一个20M左右的文件闪传用了15秒，快牙用了14.7秒，瓦力快传用时14.8秒，基本上没有大的差异。不过当小编发送一段117M的视频的时候三者的速度就有了明显的差异：瓦力快传用时1分59秒，快牙用时1分26秒，闪传用时1分14秒。当然如果传送一些更大的文件的时候耗时也就更久一些，整体上来说三者的传输速度都还不错，相比蓝牙来说这样的速度还是非常令人满意的。
由于使用的是开放WIFI连接，在和朋友使用快牙传送文件的过程中可能会有陌生用户加入，针对这一问题快牙使用了群主的机制，也就是说创建当前连接的用户有权限让连接中的其他用户退出，点击其头像，在弹出的菜单中选择“请TA离开”。
快牙还提供了一些小游戏供用户联机“冰球对战”游戏，邀请方点击想要邀请的朋友头像，在弹出的菜单中选择“冰球对战”，这时，对方会收到邀请对战的提示窗口，待对方选择“接受”后，双方即开始游戏。
除“冰球对战”之外，快牙还加入了“扔纸团”功能，在快牙开启状态下点击已连接用户的头像，会出现一个扔纸团的选项，点击进入纸团编辑界面，整个界面有点像一个画板。编辑功能包括调画笔颜色，粗细，橡皮擦和返回上一步。如果想画的精致一些，还能放大或缩小画板。接收者在编辑完当前纸团之后，点击回扔，即可回复给发送者，来来往往十分有趣。快牙不仅可以对当时画的纸团进行编辑，还能从照片里进行调用编辑。
除此之外快牙在陆续的更新版本中也加入了一些新的小游戏插件，让用户在传文件的同时还能享受对战的乐趣。
闪传在传送图片功能中加入了一个滑动发送功能，小编和同事在第一次用的时候都大呼惊艳，觉得非常新奇——在“发送图片”选项卡中按住你需要发送的图片，在弹出的菜单中选择“滑动发送”，对应的图片会全屏显示，用手指从左向右滑动屏幕，图片也会跟着滑动，这时候你会发现对方的手机中会缓缓出现该图片的后半部分。第一次用的时候确实让人惊奇，这项功能也说明了WIFI传输的速度之快，基本上图片等小文件都能达到实时传输的效果。
而瓦力快传相对来说就做的比较中规中矩，除了最基本的文件传送之外并没有加入一些额外的特色功能。
随着用户的增多，智能手机俨然成为了很多用户手中的游戏机、照相机、音乐播放器，朋友聚会的时候发现有好的游戏好的电影想和好友分享时，找一款传输速度快又不费流量的应用的确能省事不少，上述三款应用依托自建WIFI热点的做法使用WIFI网络来进行文件传输，既解决了蓝牙传输速度慢不稳定、手机网络传输费流量限制文件大小等问题，还解决了蓝牙不能发送Android手机中最主要的apk文件的问题，让你随时和好友分享应用和游戏。
不过使用这类应用用户也不得不面临一个问题——那就是功耗，长时间开启手机WIFI热点的时候手机发热量会大增，这也就意味着手机在高负荷工作，电池的续航能力是个问题，长时间进行大容量文件传输让Android手机本就不足的续航能力更是雪上加霜，也希望这类应用能在如何降低功耗省电上多下一番功夫吧。
总体来说，使用WIFI来进行文件传输相对传统的蓝牙传输是个很大的革新，也期待有更多的这种新应用的出现，如果你经常和朋友分享文件的话，也许可以试试。
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