蓝牙模块串口通信的设计与实现_张群.docx

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1、 蓝牙模块串口通信的设计与实现 张群 S 杨 絮 、 张 正 言 S 陆 起 涌 “ 2 (1.复旦大学电子工程系，上海 200433; 2.复旦大学无锡研宄院，江苏无锡 214131) 摘要：蓝牙技术是一种适用于近距离的无线通信技术，具有安全性高和受干扰性小的特点。通过单片 机对蓝牙模块进行开发，建立蓝牙模块与蓝牙手机之间的通信，实现蓝牙手机对单片机和蓝牙模块系统 的控制。同时，蓝牙模块具有与特定蓝牙设备绑定的功能，将其运用在嵌入式安全系统中，可大大提高 系统的安全性和稳定性。 关键词：串口通信；蓝牙协议；蓝牙固件； HCI接口 中图分类号 :TN 70 文献标志码 :A 文章编号： 100

2、6 -7167(2012)03 -0079 -04 Design and Realization of Serial Communication in Bluetooth Module ZHANG Qun , YANG Xu , ZHANG Zheng-jan , LU Qi-yong 1 (1. Department of Electronic Engineering， Fudan University， Shanghai 200433 ; 2. Wuxi Research Institute， Fudan University， Wuxi 214131， China ) Abstract:

3、 Bluetooth technology is a kind of technology suitable for short distance wireless communication and has features of high security and low interference. In the paper, a bluetooth module was developed using Signal-Chip Microcomputer and communication between bluetooth module and mobile phone with blu

4、etooth was established so that Signal-Chip Microcomputer and bluetooths system were controlled by a mobile phone. At the same time， the bluetooth module could be binded to a special bluetooth deviceand embedded in the safe system to greatly improve the system? s security and robustness. Key words: s

5、erial communication; bluetooth protocol; bluetooth firmware; HCI interface 引言 蓝牙技术是一种无线通信技术，工作在全球通用 的 2.4 GHz ISM频段，蓝牙技术采用快速确认和跳频 方案，这一特点使蓝牙具有良好的抗干扰能力和系统 稳定性。蓝牙技术能实现小范围的无线连接和微小网 自主组网的通信技术。每个蓝牙设备有全球唯一的 48 bit设备地址 14。 本文利用外围单片机通过主机控制接口对蓝牙模 收稿日期 :2011 -05 -21 作者简介：张群（ 1987 -)，男，安徽安庆人，硕士生，研宄方向：嵌 入式系统软硬件

6、设计，工业控制与自动化。 通信作者 :陆起涌 （ 1966 -)，男，江苏太仓 人，副教授，研宄方向：嵌 入式系统软硬件设计，工业控制与自动化，智能仪器仪表，物联网等 - Tel. :021 -65642766 ; E-mail: lqyong fudan. edu. cn 块进行开发，使蓝牙模块和蓝牙手机建立连接，实现蓝 牙设备与蓝牙手机之间的无线通信，以达到通过蓝牙 手机对蓝牙设备系统进行控制。 1 蓝 牙 模 块 l.i蓝牙模块硬件结构 蓝牙模块的内部体系结构如图 1所示 M。蓝牙 模块集成了基带控制器，数据存储器，程序存储器，射 频接口和与外界通信的 I/O 口。 射频模块完成混频、滤

7、波、功率放大等功能，负责 将接收到的 2.4 GHZ高频信号解调为中频信号送给蓝 牙基带控制器，并将来自蓝牙基带控制器的低中频信 号调制为 2.4 &1的高频信号发射出去。 RAM用于 通信中语音或数据的处理和暂存。 Flash用于加载蓝 牙模块低层硬件的协议以及对蓝牙模块开发的程序。 基带控制器由 MCU和 Baseband DSP组成，基带控制 器是蓝牙模块的的核心模块，实现蓝牙基带部分的所 有实时处理功能，可以使用户忽略低层硬件怎样实现 数 据处理和传输的过程。 蓝牙模块提供了对蓝牙模块进行开发的 10 口，主 要有 SPI、 PIO、 PCM、 UART/USB 4 种接口。 种类型

8、:HCI指令分组、 HCI事件分组、 HCI_ACL数据 分组和 HCI_SC0数据分组 1 2蓝牙串口开发的设计 2.1蓝牙开发模式 蓝牙模块的开发模式分为 2类 : 单微控制器模 式，即蓝牙低层传输协议和高层传输协议以及用户应 用程序都集成到蓝牙模块中，整个处理过程由蓝牙模 块里微处理器来完成 ; 双微控制器模式，即蓝牙低 层协议与用户应用程序分别由主机控制器和主机来 实现 6。 本文采用双微控制器模式，单片机通过主机控制 器接口对蓝牙模块进行开发，以实现特定的功能。结 构示意图如图 2所示。 图 2蓝牙开发模式示意图 图 1蓝牙模块内部体系结构 蓝牙模块具有的功能由出厂时处理器上加载的蓝

9、 牙协议决定的，片上运行的蓝牙协议主要分为 3类 :标 准的 HCI、 串口功能、集成应用程序。标准的 HCI即芯 片上没有加载应用协议，可通过 HCI接口对蓝牙模块 进行开发 ,实现蓝牙协议里的特定功能。串口功能将 蓝牙模块等同为 1个无线串口设备，模拟 RS232功 能，即在蓝牙模块上加载了 RFC0MM串口 仿真协议。 集成应用程序即蓝牙模块上集成某些应用功能，如蓝 牙耳机、文件传输等 4。 1.2主机控制器接口 （ HCI) 实际开发中，将对蓝牙模块进行开发的微控制器 称为蓝牙主机，蓝牙模块本身称为主机控制器， HCI是 蓝牙主机和主机控制器之间的接口，是蓝牙主机开发 蓝牙模块的唯一途

10、径 6。 当蓝牙主机与主机控制器通信时，软件程序在主 机上运行，通过 HCI接口对主机控制器进行控制 ， HCI 接口具有向主机控制器解释来自主机的程序的功能， 将上层软件解析为低层硬件可以识别的语言，以使蓝 牙模块的基带与链路控制器、链路管理器以及状态寄 存器等硬件响应特定的功能。同时主机控制器将射频 模块接收到的数据按照 HCI层通信的数据格式传送 给主机处理。所以 HCI是蓝牙应用中软件和硬件的 接口，实现蓝牙高层应用程序与蓝牙低层硬件的 通信 7+。 HCI支持 4种传输层： USB传输层、 RS232传输 层、UART传输层、 SD传输层， HCI层传输的数据有四 2.2蓝牙串口开发

11、硬件的设计 本文中采用的蓝牙芯片是 CSR公司的主流芯片 BC417143,支持蓝牙的 V2.0的协议标准，蓝牙芯片上 提供 UART接口、 SPI接口、 PCM接口、 PI0接口，工作 电压为 3. 3 V，串口波特率支持多重选择，默认是 9 600 b/s。 蓝牙芯片与蓝牙主机通过串口进行通信， 同时蓝牙芯片也可通过串口与 PC机通信， PC机可通 过 AT指令对蓝牙芯片进行控制 94。 蓝牙主机采用的是单片机，芯片是 AT89C2051,工 作电压为 5 V，具有 2 KB的可编程存储器和 128 B的 数据存储器，具有 2个定时器和可编程串行通道，单片 机与蓝牙模块通过串口进行连接 ,

12、AT89C2051与 MCS- 51兼容，采用 KC51进行开发。 24LC02是支持 IIC总线协议的 EEPR0M芯片，具 有 2Kbits的存储空间，用于通信中大数据量的存储。 单片机可以通过 10 口对其控制，实现外部存储空间的 扩展，具有连接引脚少，控制方便的优点。 实验中通过 LT1084产生蓝牙芯片 3.3v的工作电 压，通过 LM2576产生单片机 5v的工作电压。对于单 片机和蓝牙芯片 10 口工作电压的不同，在连接的 10 口间加入电阻，以确保 10 口通信的安全。实验中通过 手机与蓝牙模块通信以控制蓝牙模块端的电子锁的开 启，以验证蓝牙模块和手机之间通信的正确性。通过 单

13、片机 P1.4 口驱动继电器以控制电子锁开关，由于继 电器工作电流大，P1.4 口要经过放大电路才能驱动继 电器。 实验中的电子锁有 3个引线，其中 1个是电源线， 2个是控制线。电子锁在其 2个控制信号线短路时 开锁。 示。其中继电器 HJR14C的 4脚和 8脚接电子锁的 蓝牙芯片和单片机之间的硬件连接电路如图 3所 两个控制信号线。 图 3蓝牙芯片和单片机的硬件连接 2.3蓝牙串口开发软件的设计 蓝牙主机和主机控制器之间通过指令分组和数据 分组进行通信，主机在每执行完 1指令分组，主机控制 器都会返回 1个事件分组，向主机说明指令的执行情 况和主机控制器低层硬件的信息 11。 蓝牙模块串

14、口通信的建立主要分为 5个步骤 6: 初始化蓝牙芯片、查询周边蓝牙地址、建立连接、数据 传输、断开连接。 初始化蓝牙芯片主要有 5个指令 :HCI_ReSet、 HCI _Read_Buffer_Size、 HCI_Write_Scan_Enable、 HCI_ Write _Connection 一 Accept、 HCI_Page一 Timeout、 HCI_Set 一 Filt 查询周边蓝牙地址用到指令 HCI_Inquiry， 可查询 周边范围内的所有蓝牙地址。 建立连接用到指令 HCI_Creat_Connection， 与查询 到的指定设备地址建兑连接。 数据传输用到指令 HCI_

15、Acl_Data， 只有在连接建 立成功后，两蓝牙设备之间才可进行数据传输。 断开连接用到指令 HCI_Disconnection， 用于断开 指定设备间的连接。 以上指令分组、事件分组和数据分组的具体格式 参考 bluetooth specifications Version 2. 0 + EDR 和参 考文献 1,里面对每 1个分组的具体表达形式、参数 设置以及作用都有详细说明。 下面以对蓝牙模块复位为例说明蓝牙主机和蓝牙 模块之间的通信过程 ， bluetooth specifications Version 2.0 + EDR中定义复位蓝牙模块指令为 x 01， 0x 03,0x0C，

16、 0x00字符数组形式，同时定义在正确情况 下返回的事件分组为 0x04, Ox 0E， Ox 04, Ox 01， Ox 03, x C， x 0。 在 KC51的编程如下所示。 unsigned int hci一 reset (void) uncharreset_cmd 4 = 0x01， 0x03,0x0c， 0x00 ; /复位 指令/ unchar receive一 event 7 = 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 0x00,0x00 ;/主机接收来自蓝牙模块的复位事件/ unchar reset _ event 7 = 0x04， 0x0E， 0x04，

17、 0x01， 0x03， 0x0C， 0x00 ; /正确情况下主机应当接收到复位事件/ int i ； int sa = 0 ； TI=0; for(i=0;i4;i + + ) SBUF =reset_cmd i ； while (TI= =0); TI=0; RI=0; for(i=0;i7;i+ +) while (RI= =0); receive一 event i = SBUF; RI=0； for(i=0;i7;i+ +) ! if (receive一 event i = = reset一 event i ) sa + + ; return sa； 当返回的 sa为 7时，说明蓝牙

18、模块复位成功。对 于建立通信过程其他控制指令也是按照复位指令的格 式进行。 2.4蓝牙模块端电子锁实现过程 蓝牙模块锁端具有开锁、关锁、增加用户、删除用 户、修改密码功能。每个功能都有唯一的 ID， 开锁为 01，关锁为 02,增加开锁用户为 03，删除开锁用户为 04,修改开锁密码为 05。单片机通过 ID号使电子锁 端执行相应的操作。每 1个开锁用户有唯 1用户名和 对应的开锁密码。只有锁管理员具有增加 /删除用户 和修改密码权限。 用户开锁和关锁的数据格式为 ： ID + 用户名 + 密码。 增加、删除用户的数据格式为 :ID +主人用户名 + 主人密码 +增加 /删除用户名 +增加 /

19、删除用户密码。 修改密码的数据格式为 ： ID + 主人用户名 + 主人 密码 +需修改用户号 +新设密码。 按照上述规则，设锁管理员的用户名为 Zq， 发送 时以 ascill码值表示，密码为 123456。主人在开锁时 就应发送 : 17a71123456。 2.5蓝牙串口开发手机端环境 论文中蓝牙手机支持 Windows CE操作系统的智 能手机，可对手机进行开发。手机上的蓝牙芯片己集 成RFCOMM协议，具有仿真 RS232功能，只要建立与 RFCOMM协议接口的应用程序，就可实现手机蓝牙串 口数据发送。实验中通过在手机端编写串口调试助手 的应用软件 1243，并安装在手机中，利用串口

20、调试助 手软件可写入手机要发送的数据和显示手机蓝牙接收 的数据。串口调试助手界面大致如图 4所示。 图 4手机端串口调试助手界面 3 实 验 结 果 通过程序控制，手机在发送 17a71123456,继电 器的 4脚和 8脚短路，开启蓝牙模块端的电子锁，同时 蓝牙模块端将接收到的数值回传给手机。手机端发送 和显示的结果如图 5所示。 4 结语 本文通过外围单片机对蓝牙模块的无线串口进行 开发，实现蓝牙手机和蓝牙模块之间的通信，可通过蓝 图 5手机端收发数据显示 牙手机对蓝牙模块端的电子锁进行开启。在实验中发 现利用蓝牙设备唯一设备地址，可以使蓝牙模块与指 定的蓝牙设备连接，避免了与所有公开的蓝

21、牙设备的 连接，这样大大提髙了系统的安全性，防止可能的非法 连接。同时对需要将蓝牙模块用在嵌入式系统中，像 水电煤气抄表系统、工业现场采控制系统、 GPS导航系 统等系统中 1446,可通过 HCI接口直接对蓝牙模块进 行开发，实现相互间的无线通信，可以方便地将蓝牙技 术融入到各种可能的嵌入式应用中，大大减少软件开 发上的工作量。 参考文献 （ References): 1 金纯，林金朝 .蓝牙协议及其源代码分析 M.北京：国防工业 出版社， 2006. 2 朱刚 .蓝牙技术原理与协议 M.北京：北方交通大学出版 社，2002. 3 张禄林 .蓝牙协议及其实现 M.北京 :人民邮电出版社， 2

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