蓝牙技术简述_王学群.docx

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1、上海同济大学电 子与信息学院 王 学 群 蒋 平 杨 宇 浩 摘要 该文介绍蓝牙系统，对蓝牙系统的协议体系、发展技术现状、发展前景进行了比较详尽 的阐述，以机器人无线通信为例，比较详尽的描述了蓝牙技术在嵌入式系统中的应用。同时，将它与 现行的其它无线网络技术进行比较，突出其在短距离无线通信上的地位。 关键词 无线通信蓝牙协议嵌入式系统 IEEE8 02. 1 1 HomeRF 1概述 当今世界通信技术迅猛发展，蓝牙 (Bluetooth) 技术作为一种短距离无线通信标准，正有力的推动 3G移动通信技术的发展。蓝牙是由 L.M. Ericsson 注册登记的商标，并且将其使用权转让给了 SIG

2、(Special Interest Group)的成员，最初主要解 决移动电话边界设备的连接问题，而随着时间的推 移，蓝牙技术的运用范围越来越广，不仅适用于移动 电话，还可运用于计算机、打印机、 PDA,甚至 Internet接入和各种家用电器之间的智能数据通信。 蓝牙采用跳频 （ Frequency-hopping)和 TDMA等技术 将无线通信与数据通信连接在一起，它必将在 SIM频 段运用上占越来越重要的位置。 2蓝牙系统的结构 蓝牙协议体系结构简图如图 1所示。 蓝牙采用跳频展频技术 （ FHSS),理论跳频速率 为 1600跳 /秒。从协议体系结构上说，蓝牙系统 共可分为四部分：无线

3、与基带部分 （ Radio & Baseband)、 链路管理、逻辑链路控制与自适应协 议层 （ Link Manager & L2CAP)、 主机控制器接口 层（ Host Controller Interface)和应用框架与 支持层 （ Appl ication Frame & Support),无线 图 1蓝牙协议体系结构简图 与基带部分主要规定硬件设备的功能，负责射频处 理和基频调制的功能，蓝牙工作在 2.4GHz ISM(即 工业、科学、医学 ） 频段，数据率为 IMb/s，采 用时分双工传输方案，它特别设计了快速确认和跳 频方案以确保链路稳定，为了抑制干扰和防止衰落 跳频收发器采

4、用 GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)调制，调制系数介于 0. 28 0. 35之间， GFSK调制方式既加大了频谱的带外衰减，同时也 得到了恒包络特性；链路管理、逻辑链路控制与 自适应协议部分主要完成底层通信协议（ 如物理 层、 MAC层）的功能，链路管理负责基带连接 设 定及管理，其中的逻辑链路控制与自适应协议 46 2002 Radio Engineering Vol.32NO.10 *唓忒得到教 t邶优嚎啧年教师资助针刑资助 和服务质量等功能；主机控制器接口层提供蓝牙与 主机设备之间连接接口的控制命令；应用框架与支 持层主要为各种应用提供应用软件

5、所需要的通信协 议与应用接口，如 REC0腦等。 蓝牙上层可与多个可 选协议连接如： PPP、 UDP/TCP/IP、 0BEX(对象交 换协议 ） 、 WAP、 VCard、 VCal、 IrMC、WAE (无 自 1999 年 BSIG(Bluetooth Special Interest Group, 蓝牙特殊兴趣组） 公布了蓝牙技术规范 的 1.0版本以来，具有蓝牙功能的产品纷纷出台。 一个典型的蓝牙系统包括带收发信器的 RF部 分，链路控制部分，链路管理部分，以及与主机 联系的接口，如图 3所示。 线运用环境 ）， 这些协议位于 REC0MM层之上，根据具体应用选 定相应协 议。 并

6、不是所有应用程序都利用 全部协议。相反，应用程序往往 只利用协议栈中某些部分。不同 运用可运行于不同协议栈，但每 一个协议栈都使用同一公共蓝牙 数据链路和物理层。 蓝牙系统提供点对点连接方 式或一点对多点的连接方式。一点对多点的连接方 式中多个蓝牙单元之间共享一条信道。共享同一个信 道的单元集形成一个匹克网 （ Piconet)。其中，一个 蓝牙单元作为匹克网的主单元，其余为从单元。一个 匹克网中最多有 7个从单元。另外更多的从单元可被 锁定于某一主单元，而处于休眠状态。这些从单元的 激活与休眠状态完全由主单元控制。几个匹克网可以 被连接在一起，靠跳频 （ Frequency-Hopping)

7、顺序识 别每一个匹克网，同一匹克网所有用户都与这个跳频 顺序同步。几个匹克网可以被连接在一起，构成 Scatternet。如图 2 所示。 蓝牙系统的软件大体可划分低层协议和上层协 议两部分，低层协议的程序以目标码的格式存放 在存放底层程序的存储器中，上层协议的源程序 需要主机的处理器来支持，主机通过主机控制器接 口 （ HCI)和低层协议协调。 多数元件供应商己经采用了上述的多芯片方法 进行系统设计，虽然 这种方法能简化芯片设计，但其 元件数量较多、线路板较大，且其实现成本较高，在 上述的蓝牙射频系统中，要包含较多的昂贵的 RF及 IF滤波器，因此，上述电路渐渐不为客户所采用。而 像 Nat

8、ional Semi conductor 公司 、 Conexant 公 司 、 Broadcom 公司 、 CSR (Cambridge Silicon Radio)公司等一些生产商已采用了一种单芯片的现 代技术，它大大减少了外部元器件数量以降低了成 本。尤值得称道的是自二代芯片后，天线驱动、滤波 等许多外围器件已被集成到芯片内，大大 简化了外围 设计，如图4所示。 _ 嵌入式蓝牙系统是将 RF和基带部分集成在一块 |芯片 h,其软件上层协议也全部固化在芯片中，芯 片通过 USB或 UART接 U与主机相连接，主机的处理 器不关心蓝牙系统繁重的协议处理问题。嵌入式蓝 牙系统可看作是 -个智能

9、终端，可以简化整机设计 r作，避免建立软件协议所遇到的许多具体困难。 CSR公司推出两种方案： Bluecore 01和 Bluecore 02。芯片中包括频率合成器、 AGC、 通道滤波器 等 RF部件，以及基带部分的 16位微控制器、 UART 接口等，并装有L2CAP(第二层控制和适配协 议 ） 、 RFC0MM (射频通信协议）和 SDP (服务发现协 议）等蓝牙的上层协议。 01芯片须外接快闪 ROM, 而 02芯片上已集成有 ROM。 Bluecore 03是针对 具体应用分别设计的，并提供专门的应用程序包 (Profile)。 集成度的提高大大方便了应甩厂商 :的开发过程。最近，

10、 Ericsson Microel- ectronics公司推出第四代蓝牙芯片，它的体积 更小，内部还集成了 4M到 8M的闪存。 RF是实 现蓝牙功能的瓶颈之一，对于缺少 RF设计能力和 经验的 I:程技术人员的公司来说，迅速发展的蓝 !牙模块 /芯片，为他们提供了多种选择。 i 4蓝牙技术嵌入式系统中应用举例 | 蓝牙以其低功耗、低成本、小尺寸以及能够实 ；现无处不在的连接的灵活特点，必然受到人们越来越 !多的关注。而其在嵌入式系统中应用尤显得重要，现 ；在市场上销售的各种开发平台，大多数只提供基于 WINDOW系统的 DEM0程序（包括 HCI驱动等 ）， 但脱 离开 WINDOW或 P

11、C机开发难度就大为增加，许多厂 |商在提供蓝牙开发方案时只提供基于 WINDOW操作系 统的驱动程序或 API程序，对于其它的操作系统，并 !不提供这种底层的程序，给蓝 牙技术的普及和基于其 他系统的开发造成了很大困难。这里，我们将举一个 图 5机器人控制端（如 PC机）与蓝牙模块接口 图 6机器人与蓝牙糢块接口 机器人应用的例子供大家参考，希望对大家今后的 开发有所帮助。 图 5、图 6是点对点双 CPU通信的模型 ， N 样，可实现点对多点的模型。 PC主机通过 RS232 口 与蓝牙模块相连，作为控制端，可以传输数据及语 音等信号 ： 另一端，机器人通过单片机，由 RS232 口与蓝牙模

12、块连接，机器人发送给单片机数据总线 的数据流中含有传感器数据、声纳数据等。这样 ， PC 机通过蓝牙模块与远端的受控者 -机器人进行无线 通信。此例是采用双 CPU方案的典型例子。其软件 架构如图 7所示。 图 7 采用双 CPU的典型案例的软件架构 MYCOM是一个管理实体，负责协调在初始 化、配置、串口驱动等过程中所涉 及的一系列操 作；协议各层与同位体协议完成通信。机器人相应 的应用程序存储于机器人的存储器内，由控制端的 主机（如 PC机）发送控制信号触发启动，然后 MY+C0M程序的作用下，完成初始化等操作，再由 相应的控制指令驱动电机，完成相应的动作。 MY_C0M主要实现如下几种功

13、能： 串口的打开与关闭及串口参数设置； 蓝牙模块的初始化操作； 机器人的初始化操作； *对 HCI层的发送指令及返回事件自动分析、 处理。 由于蓝牙可以直接实现基于 HCI 层上的应用， 48 2002 Radio Engineering Vol.32NO.10 图 8蓝牙在工业应用中的某些简单数据流通信的一般流程图 故工业应用中的某些简单数据流的传输，可完全直 接建立在 HCI层之上，其建立通信一般流程如图 8 所示。 5蓝牙技术与现行的其它无线网络技术 目前实现无线网络的几种技术，有蓝牙无线接 入技术 、 IEEE 802. 1 1连接技术以及家庭网络的 HomeRF技术等。 IEEE80

14、2. 11是 IEEE最初制 定的一个无线局域 网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中， 用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存 取 ， 速 率 最 高 只 能 达 到 2 M b / s。而后出现的 IEEE802. lib带宽最高可达 11Mbps,比 两 年 前 刚 批 准的 IEEE 802. 11标准快 5倍，可根据实际情况采 用 5. 5Mbps、 2Mbps和 1Mbps带宽，实际的工作 速度在 5Mb/s左右，目前， 3Com等公司都有基于 该标准的无线网卡。而新出现的 IEEE802. 11a传输 速率更尚。 HoraeRF主要为家庭网络设计，是 IEEE802.

15、11 与 DECT的结合，旨在降低语音数据成本。为了实现 对数据包的高效传输， HomeRF采用了 IEEE802. 1 1 标准中的 CSMA/CA模式，它与 CSMA/CD类似，以 竞争的方式来获取对信道的控制权，在一个时间点 上只能有一个接入点在网络中传输数据。 这三种技术的主要差别在于： IEEE802. 1 1系 列只规定了 0S I模型的底层技术它能支持1 llMb/s或更高的数据速率，但是它进行无线数据 通信，数据设备先要安装有无线网卡；而 HomeRF利 用跳频扩谱方式，可应用于家庭中的移动数据和语 音设备与主机之间的通信；蓝牙是一项最新标准， 对于 IEEE802. 11来说

16、，它的出现不是为了竞争而 是相互补充。蓝牙比 1EEE802.11更具移动性，比 如， IEEE802.il限制在办公室和校园内，蓝牙能 把 - 个设备连接到 LAN和 WAN,甚至支持全球漫游。 此外，蓝牙采用的 FHSS技术比 IEEEE802. 11采用 的 DSSS技术在成本和体积上有明显的优势，适用于 更多的场合。客观地说，这两种技术各有所长，从长 远看，随着产品市场的不断发展，它们将走向融合， 新制定的 802. 15就是一个未来趋势的体现。 下转笫 53页 2002卑 无 栈 电 工 裎 篥 32卷 篥 10期 49 经过了一次内循环后，即可在某一类中发现一 个或几个子网。经过外

17、循环后可把所有分类中的 IP 地址分别按子网划分，且由路由器端口地址可得到网 络拓扑信息。 尽管该算法所使用的工具在网络中大多情况下 是可用的，但仍有极少数情况下它们受到网络管理的 限制，而且算法假设一个子网中分配的可用地址在实 际中全部使用，所以算法仍有一定的局限性，下一步 的工作是进一步改善算法的效率、通用性及正确性。 4结论 以上算法的独到之处是采用异步方式发送 Ping 请求包，这样可大大提高网络拓扑发现算法的效率； 其次，将发现的所有 IP地址分类，这一步并不会花 太多时间，然后再进 入拓扑发现主程序，在拓扑发现 的过程中大大缩短了发现的时间，从而进一步提高了 网络拓扑发现算法的效率

18、。通过对算法时间复杂度的 上掊第 49页 6发展前景 蓝牙技术是一项数据传输方式上的革新，可 以实现局域网范围内的无线通信，打破了数据传输 都在固定电缆上进行的常规。它使有限范围内的数 据交互变得简单，方便。在开始一段时间里，怀疑 论者一直质疑蓝牙的可能性，因为没有任何实质性 的产品产生。到 2000年底，爱立信计划推出新的与 蓝牙连接的移动电话和麦克风。东芝公司也把蓝牙 加入它的新型台式电脑。而且爱立信公司还与德克 萨斯的一所社区大学联合研制蓝牙心率监视器。到 去年下半年为止，已有多款蓝牙手机问世，国外许 多蓝牙家电产品也已上市。到目前为止获得专利保 护的蓝牙产品不下 400种。由于价格未达

19、到预期的 目标以及技术等原因，业界对蓝牙技术的热情有些 降温，转而关注 IEEE802,但从移动产品和 PC机系 统外设连接等方面，蓝牙技术有不可比拟的优势。而 且 从 技 术 上 ，蓝 牙 技 术 也 处 在 不 断 完 善 的 过 程 ， (SIG在新的蓝牙规范中设法将 AFH (自适应跳频 ） 概 念的引入就是一个例证）要知道 IEEE802b发展至今 已有十多年的历史，而蓝牙技术从 SIG组建至今并 分析可得，算法时间复杂度将为原来的 1/M倍，即效 率提高了 M倍。 K 参考文献 1 原算法见 R.Siamwalla， R， Sharma, and S. Keshav. Discov

20、ering Internet Topology, submitted to IEEE INFOCOM99 2 Y u r i Breitbart， Minos Garofalakis, Cliff Martin.Topology Discovery in Heterogeneous IP Networks. Information Sciences Research Center, Bell Labs, IEEE 2000 3 Rame s h Govindan， Hongsuda Tangmunarunkit.Heuristics for Internet Map Discovery. US

21、C/Information Sciences Institute, IEEE 2000 4 贾佳、郝洪明等编著 .网 上 警 戒 一 防 范 黑 客 技 术 . 电子 工业出版社 ， 2 0 0 2 . 1 5 Douglas E. Comer著 .用 TCP / IP进行网际互联（三卷 ） . 电子工业出版社， 2 0 0 1 . 5 未经历多少时日。过早定论一种技术不行或一种技 术能取代另一种技术的说法实不可取。 目前，蓝牙晶片各个公司价格不一，价格大约在 15 20美元，距蓝牙市场目标价位还有一段距离。据 权威人士预测蓝牙价位将在 2004年至 2005年前后 可降至 5美元。而一旦蓝牙

22、晶片价格滑落至 5美元后， 随着技术的发展完善，市场成长速度定会呈指数形式 增长。相信，再经过三至五年技术及市场的开拓，蓝 牙必将大量涌入千家万户。 X 参考文献 1 刘海文，石振华 .蓝 牙 技 术 及 其 系 统 原 理 .电 信 技 术 2 Specification of Bluetooth System,Specification Volume 1, core.Version 1.0 B.December first 1999 3 Specificati on of Bluetooth System. Specification Volume 2, profi1es.Version 1.0 B.December first 1999 4 Will Wake. WireJess net formats bracing for collision.EE Times, Feb, 28, 2000 5 金纯等 .蓝牙技术 .2 0 0 1. 3 6 Nathan J.Muller著，周正等译 .蓝牙揭密 .人 民 邮 电 出 版社 ， 2 0 0 1 7 胡汉才著 .单片机原理及系统设计清华大学出版社， 2001.1 2002奍 克 钱 电 工 趕 篥 32朱 篥 10期 53