第3章藍牙技術3.1藍牙技術概述3.2藍牙協議體系3.3藍牙狀態和編址3.4藍牙數據分組3.5藍牙模塊3.6藍牙應用與開發小結

3.1藍牙技術概述

3.1.1技術規范

藍牙技術從產生至今，共發展了六個規范版本，分別是V1.1、V1.2、V2.0、V2.1、V3.0和V4.0。

V1.1規范：1998年最早期版本。傳輸率約在748kb/s～810kb/s，容易受同頻率產品干擾，通信質量較差。

V1.2規范：兼容V1.1，與V1.1具有相同的傳輸速率，但增加了抗干擾跳頻功能。

V2.0規范：V1.2的改良提升版，傳輸率約在1.8Mb/s～2.1Mb/s，可同時傳輸語音、圖片和文件。

V2.1規范：2004年版本，在裝置配對流程和短距離的配對方面作了改善，可在兩個支持藍牙的手機之間互相進行配對與通信傳輸，具備更佳的省電效果。

V3.0規范：2009年版本。該規范通常被稱為藍牙高速傳輸技術，使藍牙傳輸拓展到更大的文件，傳輸速率更高，功耗更低。

V4.0規范：2010年版本。它包括三個子規范，即傳統藍牙技術、高速藍牙和新的藍牙低功耗技術。該版本改進之處主要體現在電池續航時間、節能和設備種類上，有效傳輸距離也提升為60m。以上每個規范版本均可以按通信距離再分為ClassA和ClassB：

ClassA：傳輸功率高、傳輸距離遠，但成本高、耗電量大，不適合作為個人通信產品，多用于部分商業特殊應用場合，通信距離大約在80m～100m距離之間。

ClassB：目前最流行的制式，通信距離大約在8m～30m之間，視產品的設計而定，多用于手機、藍牙耳機、藍牙適配器等個人通信產品，耗電量和體積較小，方便攜帶。3.1.2基本概念

藍牙技術涉及面廣，技術復雜，本節將介紹藍牙技術的幾個基本概念。

主/從設備：藍牙通常采用點對點的配對連接方式，主動提出通信要求的設備是主設備(主機)，被動進行通信的設備為從設備(從機)。

藍牙設備狀態：藍牙設備有待機和連接兩種主要狀態，處于連接狀態的藍牙設備可有激活、保持、呼吸和休眠4種狀態。對等網絡Ad-hoc：藍牙設備在規定的范圍和數量限制下，可以自動建立相互之間的聯系，而不需要一個接入點或者服務器，這種網絡稱為Ad-hoc網絡。由于網絡中的每臺設備在物理上都是完全相同的，因此又稱為對等網。

跳頻擴頻技術(FHSS)：收、發信機之間按照固定的數字算法產生相同的偽隨機碼，發射機通過偽隨機碼的調制，使載波工作的中心頻率不斷跳躍改變，只有匹配接收機知道發射機的跳頻方式，可以有效排除噪音和其他干擾信號，正確地接收數據。時隙：藍牙采用跳頻擴頻技術，跳頻頻率為1600跳/秒，即每個跳頻點上停留的時間為625μs，這625μs就是藍牙的一個時隙，在實際工作中可以分為單、多時隙。

藍牙時鐘：藍牙時鐘是藍牙設備內部的系統時鐘，是每一個藍牙設備必須包含的，決定了收/發器的時序和跳頻。藍牙時鐘頻率為3.2kHz，該時鐘不會被調整或關掉。

3.2藍牙協議體系

藍牙系統遵循藍牙協議體系，采用分層的結構。本節將詳細講解藍牙協議體系，以及藍牙系統的軟、硬件實現。

藍牙協議采用分層結構，遵循開放系統互連OSI(OpenSystemInterconnection)參考模型，按照各層協議在整個藍牙協議體系中所處的位置，藍牙體系可分為底層協議、中間層協議和高端應用層協議三大類，如圖3-1所示。圖3-1藍牙協議體系在圖3-1中，藍牙的協議體系層次之間的關系如下所述：

底層協議與中間層協議共同組成核心協議(Core)，絕大部分藍牙設備都要實現這些協議。

高端應用層協議又稱應用規范(Profiles)，是在核心協議基礎上構成的面向應用的協議。

還有一個主機控制接口(HostControllerInterface，HCI)，由基帶控制器、連接管理器、控制和事件寄存器等組成，是藍牙協議中軟、硬件之間的接口。

1.藍牙底層協議

藍牙底層協議用于實現藍牙信息數據流的傳輸鏈路，是藍牙協議體系的基礎，主要包括下述幾個單元：

射頻(RF)協議：主要定義頻段與信道安排、發射/接收機特性等。它通過2.4GHz頻段規范物理層無線傳輸技術，實現數據流的過濾和傳輸。基帶(BB)協議：為基帶數據分組提供同步定向連接(SynchronousConnectionOrented，SCO)和異步無連接(AsynchronousConnectionless，ACL)兩種物理鏈路，對不同數據類型都會分配一個特殊信道，用于傳遞連接管理和控制信息等。

鏈路管理協議(LMP)：主要負責藍牙設備間連接的建立、拆除和安全控制，控制無線設備的節能模式和工作周期，以及微微網內各設備單元的連接狀態。

2.藍牙中間層協議

藍牙中間層協議完成數據幀的分解與重組、服務質量控制、組提取等功能，為上層應用服務，并提供與底層協議的接口，主要包括下述幾個單元：

藍牙主機控制器接口(HCI)協議：位于L2CAP和LMP之間，為上層協議提供進入LMP和BB的統一接口和方式。HCI傳輸層包括USB、RS232、UART和PC卡。邏輯鏈路控制與適配協議(L2CAP)：主要完成數據的拆裝、服務質量控制，協議的復用、分組的分割和重組及組管理等功能。

串口仿真協議(RFCOMM)：又稱線纜替換協議，仿真RS232的控制和數據信號，可實現設備間的串行通信，為使用串行線傳送機制的上層協議提供服務。電話控制協議(TelCtrl)：包括二進制電話控制協議(TCS-BIN)和AT命令集電話控制命令。其中，TCS-BIN是在藍牙設備間建立語音和數據呼叫的控制信令。

服務發現協議(SDP)：為上層應用程序提供一種機制來發現可用的服務，是所有用戶模式的基礎。藍牙高端應用層協議

高端應用層位于藍牙協議體系的最上部分，主要包括下述幾個單元：

對象交換協議(OBEX)：只定義傳輸對象，而不指定特定的傳輸數據類型，可以是從文件到電子商務卡、從命令到數據庫等任何類型。

網絡訪問協議：包括PPP、TCP、IP和UDP協議，用于實現藍牙設備的撥號上網，或通過網絡接入點訪問因特網和本地局域網。無線應用協議(WAP)：支持移動電話瀏覽網頁、收取電子郵件和其他基于因特網的協議，可在數字蜂窩電話和其他小型無線終端上實現因特網業務。

無線應用環境(WAE)：可提供用于WAP電話和個人數字助理PDA所需的各種應用軟件。

音頻協議(AUDIO)：可在一個或多個藍牙設備之間傳遞音頻數據，并通過在基帶上直接傳輸SCO分組實現。

3.3藍牙狀態和編址

藍牙技術主要用于點對點的文件傳輸，可通過配對連接過程實現。主設備搜索周圍藍牙從設備地址，發起配對連接，輸入配對口令，通過后則可建立連接。在建立連接的過程中，藍牙設備的狀態也不斷發生變化。本節將講解藍牙設備的狀態和編址。3.3.1藍牙狀態

藍牙設備主要運行在待機(Standby)和連接(Connection)兩種狀態。從待機到連接狀態，需經歷尋呼、尋呼掃描、查詢、查詢掃描、主響應、從響應、查詢相應7個子狀態。

1.待機狀態

待機狀態是藍牙單元的默認狀態，除本地時鐘以低功率模式驅動外，其他功能都處于閑置狀態。設備每隔1.28s就周期性地“偵聽”信息，一旦設備被喚醒便處于連接狀態，將在預先設定的32個跳頻頻率上接聽信息。跳頻數目因地區而異，多數國家都采用32個跳頻頻率。

2.連接狀態

在連接建立后，藍牙設備可以處于激活(Active)、保持(Hold)、呼吸(Sniff)和休眠(Park)4種模式。其中，后3種為節能狀態，按照電源能耗由低到高依次為休眠、保持和呼吸。藍牙的4種連接狀態如表3-1所示，4種狀態之間是可以相互轉化的。

3.狀態轉換

藍牙設備由待機到連接狀態所經歷的7個子狀態的詳細描述如表3-2所示。各個子狀態之間可以相互轉換，狀態轉換過程如圖3-2所示。圖3-2狀態轉換過程從圖3-2中可以看出，藍牙從待機到連接狀態需經歷下述步驟：

(1)主設備使用識別碼(GIAC/DIAC)查詢一定范圍內的藍牙設備。

(2)處于查詢掃描狀態的藍牙設備偵聽到查詢信息后，會發送自己的地址和時鐘信息(FHS數據包)給主設備，進入查詢響應狀態。

(3)主設備在發現范圍內的藍牙設備之后，尋呼這些

設備。

(4)處于尋呼掃描狀態的從設備被該主設備尋呼到，用自己的設備訪問碼作為響應，進入從響應狀態。

(5)主設備接收到來自從設備的響應之后，傳送自己的FHS數據包作為響應，進入主響應狀態。

(6)從設備收到該FHS數據包后，主設備和從設備即進入連接狀態。3.3.2藍牙編址

藍牙有4種基本類型的設備地址：BD_ADDR、AM_ADDR、PM_ADDR、AR_ADDR。其中：

BD_ADDR：48位的藍牙設備地址。

AM_ADDR：3位激活狀態成員地址。

PM_ADDR：8位休眠狀態成員地址。

AR_ADDR：訪問請求地址，休眠狀態的從單元通過它向主單元發送訪問消息。

1.藍牙設備地址

每個藍牙設備都有一個唯一的48位藍牙設備地址BD_ADDR(BluetoothDeviceAddress)。BD_ADDR由3段構成：

LAP(低24位地址段)。

NAP(16位無效地址段)。

UAP(高8位地址段)。

NAP和UAP合在一起構成了24位地址，用作生產廠商的唯一標識碼，由藍牙權威部門分配給不同的廠商。LAP在各廠商內部分配。

2.從節點地址

從節點地址不是唯一的，從節點的狀態不同，分配的地址也不同，有下述三種：

AM_ADDR：處于激活狀態下的從節點地址，該地址位于主節點發送的數據分組的分組頭中。利用節點有無激活地址能把主節點和任何一個從節點區別開。

PM_ADDR：處于休眠狀態的成員地址，也使用3位二進制數描述8個節點的地址。從節點處于休眠狀態時就能獲得一個休眠成員地址PM_ADDR。通過BD_ADDR或PM_ADDR均能識別處于休眠狀態下的從節點。

AR_ADDR：從節點除了激活地址、休眠地址外，還有一個訪問請求地址AR_ADDR。當從節點進入休眠狀態時，將分配一個狀態請求地址，用來向主節點發送一個狀態請求消息，使休眠從節點能夠在訪問窗口內確定“從→主時隙”。

3.4藍牙數據分組

在藍牙的信道中，數據是以分組的形式進行傳輸的，即將信息進行分組打包，時間劃分為時隙，每個時隙內只發送一個數據包。藍牙的數據包與糾錯機制之間有密切的聯系。本節將介紹藍牙的數據分組技術，包括分組格式和分組類型。3.4.1分組格式

每個數據分組可以僅由識別碼組成，也可以由識別碼和分組頭組成，或者由識別碼、分組頭和有效載荷組成。識別碼和分組頭的長度是固定的，有效載荷的長度可以在0～2745比特之間變化。標準的數據分組格式如圖3-3所示。圖3-3藍牙數據分組格式其中：

識別碼：用于數據同步、DC偏移補償和身份識別。

分組頭：包含了鏈路控制(LC)信息。

有效載荷：攜帶上層的語音和數據字段。

1)識別碼

藍牙數據分組可以有多種不同的數據類型，識別碼是每個數據分組的必要組成部分。在同一個網中發送的所有分組都有相同的信道識別碼，因此可以對信道上交換的所有分組進行識別，過濾從其他網中接收到的數據包。識別碼也可用于尋呼和查詢過程，這種情況下的識別碼可單獨作為信令信息，而不需要分組頭和載荷。識別碼的格式如圖3-4所示。圖3-4識別碼格式藍牙設備單元在不同的工作模式下使用不同的識別碼，識別碼共有下述3種類型：

信道識別碼CAC：用于標識一個微微網。

設備識別碼DAC：用于指定的信令過程，比如尋呼和尋呼應答。

查詢識別碼IAC：用于查詢，分為通用查詢識別碼和專用查詢識別碼兩種，前者用于檢測指定范圍內的其他微微網設備；后者用于檢測指定范圍內的專用藍牙設備。

2)分組頭

數據包的分組頭部分包含了數據包確認、亂序數據包重排的數據包編號、流控、從單元地址和報頭錯誤檢查等鏈路控制信息，由6個字段組成，共有18位。分組頭格式如圖3-5所示。圖3-5分組頭格式為了降低開銷，它采用前向糾錯編碼方法(FEC)，在特殊情況下，分組頭的第一位在序列中發3次，即利用1/3比例前向糾錯編碼來提高發送的可靠性，形成54比特的頭序列。

分組頭各位的描述如表3-3所示。

3)有效載荷

有效載荷部分攜帶了上層的語音和數據字段。針對不同的數據鏈路，藍牙分組的有效載荷可以分為語音段載荷和數據段載荷。其中，ACL數據分組只有數據段載荷；SCO數據分組只有語音段載荷；DV分組則同時含有語音段載荷和數據段載荷。數據段載荷的一般格式如圖3-6所示。圖3-6數據段載荷格式從圖3-6可以看出，數據段載荷由有效載荷頭、有效載荷體和CRC碼3部分組成。有效載荷頭用于指示邏輯信道、邏輯信道上的流量控制和載荷的長度，根據分組所占的時隙大小，其長度也有所不同，分別為1個或2個字節。CRC碼用于數據錯誤檢測和錯誤糾正。

與數據段載荷不同的是，語音段載荷無有效載荷頭和CRC碼，只有有效載荷體。3.4.2分組類型

不同鏈路的不同分組類型由分組頭中的TYPE位唯一區分，可分為5種公共分組(為兩種鏈接方式所通用)、4種SCO分組和7種ACL分組3大類。其中，SCO分組用于同步SCO鏈接，ACL分組用于異步ACL鏈接方式。16種分組類型的詳細描述如表3-4所示。

3.5藍牙模塊

藍牙模塊又叫藍牙內嵌模塊、藍牙模組，是藍牙無線傳輸技術的重要實現。在實際的藍牙應用與開發中，一般不需關注具體的協議實現，只需結合項目任務選擇合適的藍牙模塊即可。本節將詳細介紹藍牙模塊的實現、選型，以及與本書配套的藍牙模塊的內部結構、管腳圖和外圍電路。3.5.1藍牙實現

目前多數藍牙芯片的底層硬件采用單芯片結構，利用片上系統技術將硬件模塊集嵌在單個芯片上，同時配有微處理器(CPU)、靜態隨機存儲器(SRAM)、閃存(FlashROM)、通用異步收/發器(UART)、通用串行接口(USB)、語音編/譯碼器(CODEC)、藍牙測試模塊等。一個典型的單芯片藍牙硬件模塊結構圖如圖3-7所示。圖3-7單芯片藍牙硬件模塊結構藍牙芯片可以集成到各種數字化智能終端中，方式有下述兩種：

單微控制器方式：所有藍牙協議與用戶應用程序都集成到一個模塊中，整個處理過程由一個微處理器來完成。

雙微控制器方式：藍牙底層與中高層協議分別由主機控制器和主機來實現。

在藍牙芯片的基礎上，添加微帶天線、晶振、Flash、電源電路等，并根據應用需求開發所需的應用協議、應用程序和接口驅動程序，即可構成藍牙模塊，實現某些特定用途。3.5.2選型

1.藍牙模塊性能指標

藍牙模塊的性能指標主要有下述幾個：

發射功率：標準的CLASS1模塊發射功率為20dBm，即100mW；標準的CLASS2模塊發射功率小于6dBm，即小于4mW。在發射功率參數確定后，實際發射效率與射頻電路、天線效率相關。接收靈敏度：藍牙模塊接收靈敏度小于-80dBm，適當增加前置放大器，可提高靈敏度。

通信距離：CLASS1模塊的標準通信距離(指在天線相互可視的情況下)為100m，CLASS2模塊通信距離為10m。實際藍牙模塊的通信距離與發射功率、接收靈敏度及應用環境密切相關。

功耗與電流：藍牙模塊的功耗大小與工作模式相關，在查找、通信和等待時，功耗是不同的。不同的固件，因其參數設置不同，功耗也會不同。

2.藍牙模塊種類

藍牙模塊的種類很多，可從應用、芯片、技術、性能、生產廠家等多個角度區分：

按應用分，有手機藍牙模塊、藍牙耳機模塊、藍牙語音模塊、藍牙串口模塊等。

按技術分，有藍牙數據模塊、藍牙語音模塊、藍牙遠程控制模塊。

按采用的芯片分，有ROM版模塊、EXT版模塊及FLASH版模塊。

按性能分，有CLASS1藍牙模塊和CLASS2藍牙模塊。

按生產廠家分，有市場上有CSR(現已被三星電子收購)、Brandcom、Eriosson、Philips等，目前市場上大部分產品是前兩家公司的方案。

3.藍牙模塊選擇

在選擇藍牙模塊時，除了要考慮性能指標外，還要綜合考慮成本、體積、外圍電路復雜度、應用需求等因素。

與本書配套的藍牙模塊選擇的是BLK-MD-BC04-B(以下稱本模塊)，主要用于短距離無線數據傳輸，具有成本低、體積小、功耗低、收/發靈敏度高的優點。3.5.3硬件電路

1.概述

本模塊采用英國CSR公司BlueCore4-Ext芯片，遵循V2.1+EDR藍牙規范，支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF(SONY/PHILIPSDigitalInterfaceFormat)等接口及SPP(SerialPortProfiles)藍牙串口協議，只需配備少許的外圍元件就能實現藍牙的功能。其主要特點如下：本模塊主要用于短距離的數據無線傳輸領域，可避免繁瑣的線纜連接，能直接替代串口線，可以方便地和PC的藍牙設備相連，也可以用于兩個模塊之間的數據互通，廣泛用于藍牙無線數據傳輸、工業遙控和遙測、POS系統、無線鍵盤和鼠標、樓宇自動化和安防、門禁系統、智能家居等領域。

2.管腳圖

本模塊的管腳圖如圖3-8所示。圖3-8藍牙模塊管腳圖

3.內部結構

本模塊的結構框圖如圖3-9所示。圖3-9藍牙模塊功能框圖從圖3-9可以看出，本模塊內部含有天線、2.4GHz射頻模塊(Radio)、RAM、DSP(基帶數字信號處理芯片)、MCU、晶振(藍牙時鐘)，I/O接口等，支持FLASH存儲、音頻輸入/輸出(AudioIn/Out)、UART/USB、SPI、PIO、PCM等功能。

4.外圍電路

在實驗開發板中本模塊的外圍電路如圖3-10所示。圖3-10本模塊外圍電路

3.6藍牙應用與開發

在實際開發中，藍牙模塊往往已經實現了藍牙協議棧，并提供一系列指令用于設置和操作；而對用戶而言，只需要有藍牙的基本概念，并掌握這些指令即可進行藍牙的應用開發。

實踐中，藍牙模塊大多支持AT指令集。本節將講解本模塊的AT指令結構、使用方法和應用示例。3.6.1AT指令概述

AT即Attention(注意、注意力)，AT指令的每條命令以字母“AT”開頭，因此得名。20世紀90年代初，AT指令僅被用于Modem操作，之后主要的移動電話生產廠商共同為GSM研制了一整套AT指令，并在此基礎上將其發展，加入GSM07.05標準以及GSM07.07標準，成為了完全標準化和比較健全的指令集。早期的AT指令集多用于GSM、GPRS模塊(例如本書配套的GPRS模塊)，用于配置和執行相應操作。由于其簡單和標準化，目前越來越多的模塊也開始支持AT指令集，例如本教材配套的藍牙、WiFi模塊均支持AT指令集。

AT指令以AT開頭，以回車、換行字符(\r\n)結尾，不區分大小寫。AT指令的響應在數據包中，每個指令執行成功與否都有相應的返回。其他的一些非預期信息(如有人撥號進來、線路無信號等)，模塊將有對應的一些信息提示，接收端可作相應的處理。3.6.2

AT指令示例

【示例3-1】AT指令示例。

硬件電路：在圖3-10中，將JP12的1與3、2與4用跳線短接，即本模塊與PC相連，用超級串口工具可以方便地查看AT指令的執行結果；JP13的1與2短接，即硬件設置為主/從方式；JP14的1與2短接，即從機模式。

1)查詢/設置本模塊名稱

在圖3-11中，左下方白框顯示的是PC發給本模塊的AT指令，其上方白框顯示的是本模塊發送給PC的應答。首先查詢本模塊的名稱，得到應答BOLUTEK；然后將其改為BC04-B。兩條AT指令之間由回車符隔開(\r\n)。圖3-11查詢/設置本模塊名稱

2)查詢/設置串口通信波特率

在圖3-12中，首先查詢本模塊的波特率，得到應答為4，即波特率為9600b/s；若要將其改為115200b/s，則需將參數值設置為8。圖3-12查詢/設置串口通信波特率

3)查詢串口通信模式和工作狀態

在圖3-13中，首先查詢本模塊的通信模式，得到應答<0，0>，即1位停止位，無校驗，由于在超級串口中無停止位和校驗位的下拉菜單，修改本模塊的通信模式后與PC的通信模式不匹配，將無法繼續正常通信，AT指令將無效，因此不作修改；然后查詢本模塊的工作狀態，得到應答為3，即模塊處于配對狀態。圖3-13查詢串口通信模式和工作狀態3.6.3藍牙初始化

藍牙設備進行互聯之前，應先使用AT指令對其進行初始化。初始化指令一般包含下述內容：下述內容用于實現任務描述3.D.1，采用AT指令實現藍牙模塊連接前的初始化設置。

硬件電路同示例3-1，將本模塊和PC相連，通過串口發送AT指令控制本模塊完成連接前的相關設置；采用硬件設置主/從方式，本模塊作為從機。

在超級串口上發送的AT指令和接收到的應答情況如圖3-14所示。圖3-14(a)使用AT指令依次完成了下述內容：將本模塊名稱設置為BC04-B，查詢本模塊的48位設備地址，開啟indiction上行指令，設置藍牙設備類型，設置藍牙查詢訪問碼為GIAC，以便被周圍所有的藍牙設備查詢。

圖3-14(b)使用AT指令依次完成了下述內容：設置尋呼掃描，查詢掃描參數，設置自動搜索遠端藍牙設備，查詢藍牙配對列表(無配對列表)，設置配對碼為123456，設置任意藍牙地址連接模式。3.6.4藍牙配對測試

AT指令可用于完成藍牙模塊進行連接前的相關設置，一旦藍牙設備之間配對連接，即進入數據透傳方式，AT指令將不再起控制作用，只相當于兩個設備之間的字符串通信。使用藍牙模塊與PC或手機進行通信時，PC和手機的藍牙一般作為主機，藍牙模塊作為從機。

下述內容用于實現任務描述3.D.2，實現藍牙模塊和手機之間的配對連接，進行數據收/發測試。為方便查看AT指令和相關的應答情況，本例仍將模塊與PC相連，通過超級串口發送和顯示相關的AT指令。硬件電路同描述3.D.1，具體實現步驟如下：

1)藍牙連接前的初始化設置

本模塊連接前的初始化步驟同描述3.D.1。

2)安卓藍牙串口助手安裝

安