基于HCI实现蓝牙模块与单片机的通讯.pdf

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1、2003年 8 月Aug.2003汕头大学学报(自然科学版)Journal of Shantou University(Natural Science)第 18 卷第 3 期Vol.18 No.3基于 HCI 实现蓝牙模块与单片机的通讯柳平,张志(汕头大学电子工程系,汕头515063)摘要:通过HCI可以方便地实现设备与蓝牙模块接口,从而无需深入研究复杂的蓝牙协议细节就可以得到蓝牙无线连接技术的种种优点.文章在简要介绍蓝牙结构体系的基础上,论述了 HCI 在蓝牙体系中的地位,并给出一个应用背景极其广泛的单片机 UART 与蓝牙模块接口的实现示例.关键词:蓝牙模块;HCI;UART 接口中图分类

2、号:TN929文献标识码:A文章编号:1001-4217(2003)03-0048-05收稿日期:2003-02-24作者简介:柳平(1960),男,江苏徐州人,副教授.0引言随着蓝牙特别兴趣组织 SIG 和 IEEE 等标准制订机构的持续开发推动,以及蓝牙芯片制造成本的不断降低,蓝牙技术正在逐步走向实际应用.作为新一代短距离无线通信的国际标准,蓝牙技术具有许多优点:如全球统一,开放,具备互操作性,可交叉开发等.在许多应用场合下,射频、基带和链路管理器是封装在一起的,形成一个具有蓝牙无线通信功能的蓝牙模块,用以取代多种电缆接口.HCI(Host Controllor Interface 主机控

3、制器接口)提供了主机与蓝牙模块之间的统一操作接口.此时,应用者需要熟悉的仅仅是蓝牙体系的 HCI,它使得蓝牙模块象普通的可编程外围器件一样易于使用.1蓝牙协议体系结构与 HCI在逻辑上蓝牙协议栈可分为底层传输协议组、中间协议组和高层应用组 1,如图 1 所示.底层协议组包括无线、基带、链路管理、逻辑链路控制与适配协议以及主机控制器接口(HCI)的协议,主要用于使蓝牙设备能彼此识别相互位置,并且在物理链路基础上建立、配置、维持、管理逻辑链路,以便于上层协议使用.中间协议组包含一些已有标准协议和一些 SIG 专门开发的协议,即串口仿真协议(RFCOMM)、服务发现协议(SDP)、IrDA 互操作协

4、议(IrOBEX)、电话通信协议(T CS)等,它们为应用层提供一些抽象的标准接口.应用层包含一些对应于各种应用模型的应用协议子集及用户开发的实际应用协议.图 1蓝牙协议体系在蓝牙的实现方案中,一般 RF、BB、LM 层是以硬件、固件出现的,L2CAP 层及以上的协议,因自身任务的复杂性、多样性,则以主机软件方式实现.二者之间的消息和数据的接口是 HCI.蓝牙标准对 HCI 定义如下:HCI 是一个调用和访问基带控制器和链路控制器以及硬件状态和控制寄存器的命令接口,这一接口提供了一个访问蓝牙基带功能的统一方法.对于大多数应用来说,HCI 层是最值得注意的.HCI 层的唯一但却重要的目的是实现主

5、机设备与蓝牙模块之间的互操作,即,HCI 是蓝牙协议中软硬件之间的接口.蓝牙为应用提供的无线传输功能,在用户看来,就是 HCI 规范中的对应指令所体现的功能.有理由预言,今后蓝牙技术的应用,除了用量极大、对成本要求极严格的场合,都将如同当前各种功能性模块一样,以可编程接口器件的形式实现.HCI 接口是庞大复杂的蓝牙协议体系中唯一必须掌握的部分,这对应用者来说是十分方便的.HCI 以上的协议软件运行在主机上,通过HCI 驱动程序访问蓝牙模块里的主机控制器;蓝牙模块的 HCI 固件根据接收的上层的服务命令,调用下层的协议功能,完成数据传送的相关任务,并产生返回事件,用来指示接口的状态.从蓝牙模块外

6、看 HCI 所见到的是 HCI 传输层.HCI 的传输层定义了数据、命令、事件三类消息,规定了数据如何在蓝牙模块和蓝牙主机间进行传输,以及每一类消息数据如何封装和通过接口硬件进行复用.HCI 传输层引用了三个已有的串行协议:UART 协议、RS232 协议和 USB 协议.此外,还有第四个传输层协议:PC 卡传输层协议.四个传输层协议各不相同,应用者需要根据应用场合的需求,选择合适的传输层.UART 和 RS232 传输层都采用 UART 异步串行通信方式在蓝牙模块和蓝牙主机间进行数据传输.两者间的区别在于它们所适用的环境.UART 传输层没有规定信号特殊的电气特性(可以直接采用 TT L 电

7、平),也没有定义波特率协商机制.RS232 传输层则规定了信号电气特性,并采用了更为完善的链路协议,适用于蓝牙模块和主机接口位于不同实体进行通信的情况.49第 3 期柳平等:基于 HCI 实现蓝牙模块与单片机的通讯2蓝牙 HCI 与单片机串口的通信机制下面以 ROK 101 008 模块与单片机通过UART 接口为例,介绍通过HCI 实现ACL数据传输过程,系统结构如图 2 所示.ROK 101 008 是爱立信公司的集成了基带和射频模块的点对点连接蓝牙模块.对于异步数据传输,ROK 101 008 模块提供I2C、UART 接口.UART 提供 TXD、RXD、RT S、CTS 四个信号,这

8、里以二线制与 8051 单片机的UART 连接,即,使 RT S、CTS 始终有效.这里需要提及的是,虽然蓝牙建立连接时有主、从机之分,但连接建立以后,主、从机的地位对于数据传输没有影响.图 2系统结构图在 HCI UART 传输层可以传送 4 种分组:命令(command)、ACL 数据、SCO 数据以及事件(event).各分组以分组指示符(Packet Indicator)区别.ROK 101 008 模块的HCI UART 传输层的命令、事件分组格式与蓝牙规范描述的完全一致.需要注意的是,在HCI ACL 数据分组里传输的数据,必须是 L2CAP 格式的,例如 ACL 数据分组0201

9、20050001000000AA:02为HCI 分组符,表示 HCI ACL 数据分组;01为当前所用连接的句柄;20为 PB、BC 标志以及句柄高位;0500 表示 HCI 数据长度(真实长度为 0005);0100 0000为L2CAP 报头,即数据长度和信道 ID;AA才是我们实际所传输的数据.各数据分组以Endian 格式传输,即多字节参数数据最右边的字节最先传送.传送数据之前,先要建立逻辑连接.主、从机首先发出 HCI 命令,使各自的蓝牙模块准备好,然后由主机模块发起查询,从机模块响应,就可以建立一个用于异步数据传输的逻辑链路.完整的主、从单片机通过蓝牙模块进行ACL 数据传输过程如

10、图 3 所示.每条命令正确执行后都有相应的命令状态事件返回.单片机发出命令后,需要接收返回事件判断该命令是否完成,程序框图中为了简明起见而略去.读蓝牙设备地址后,两机开始交互建立连接.首先主机发出查询命令 HCIInquiry,将收到该模块的命令状态事件包、从机模块的地址号包以及响应从机数事件包.从机蓝牙模块以其地址号响应,此响应是由该模块的底层传输协议完成的,不需要单片机参与.然后主机发出建立连接命令 HCICreateConnection 之后将收到本模块返回的命令状态事件包和从模块发来的连接完成事件包 ConnectionComplete.同时,从模块也收到主模块发来的连接完成事件.至此

11、,主从机之间就成功建立了一条 ACL 传输链路,可以按前述数据包格式发送数据.程序中,把各命令的 HCI 命令数据包(含 HCI 分组指示头,操作码命令字段 OCF,操作码组字段 OGF,参数)存入一个二维数组,发送时,由发送命令子50汕头大学学报(自然科学版)第 18 卷图 3程序框图51第 3 期柳平等:基于 HCI 实现蓝牙模块与单片机的通讯程序从数组取出相应数据,经必要的参数装配,按Endian 格式向 UART 发送即可.接收由蓝牙模块来的返回事件包,按应用要求分析该事件,判断模块执行命令情况.一般来说,成功的命令状态事件最后一字节为 0,在普通数据传输场合,可以籍此作简单的判断.3

12、实验结果理解蓝牙的基本概念之后,通过 HCI 接口控制蓝牙模块,就可以方便的应用蓝牙技术.本文通过HCI UART 传输层操作蓝牙模块,完成了某医疗设备蓝牙数据传输的全过程.通信速率为57.6kb/s,这是受单片机UART 接口速率限制的原因.在实验室室内的普通条件下,传输距离 10 米,大批量数据传输稳定可靠.4结论蓝牙技术在计算机外围设备、消费类电子产品、工业领域等行业中,有广泛的应用前景.把复杂的蓝牙基带、射频部分封装为一个模块,形成主控制器-外围器件的应用模式,代表了为数众多的应用场合.蓝牙的数据传输速率可以达到数百 kb/s,针对不同的应用要求,可以选择UART、USB、I2C 甚至

13、 PC 卡传输接口方式,但无疑 UART 方式是最容易实现、最有代表性的.通过对 HCI UART 传输方式的研究与介绍,可以掌握基本的蓝牙知识和应用能力.参考文献:1 Bluetooth SIG.Specification of the Bluetooth System,Version 1.0B DB,Dec,1999.Implementation of the Interface Between Bluetooth Moduleand Single-chip Controller Based on HCILIU Ping,ZHA NG Zhi(Department of Electroni

14、c Engineering,Shantou U niversity,Shantou 515063,China)Abstract:HCI makes it very convenient to interface with Bluetooth module so as to ob-tain the advantage of Bluetooth wireless connection with no more need to study thosecomplicated details of Bluetooth specifications.In this paper is made a brie

15、f introductionto the structure of Bluetooth,followed by a discussion about the important role of HCIin Bluetooth protocol,with the implementation of Bluetooth module interface with sin-gle-chip controller UART through HCI described.Key Words:Bluetooth module,HCI,single-chip controller UART interface52汕头大学学报(自然科学版)第 18 卷