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基于HCI協(xié)議層的藍(lán)牙通用外接模塊的研究開發(fā)
摘要：藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù)。本文從藍(lán)牙協(xié)議棧中的HCI層入手，對(duì)該層的主要功能和工作機(jī)制進(jìn)行了剖析，進(jìn)而闡述了基于HCI層的藍(lán)牙應(yīng)用開發(fā)方案，并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品實(shí)例——藍(lán)牙通用外接模塊，最后，還對(duì)基于此模塊的擴(kuò)展應(yīng)用——無線裁判打分系統(tǒng)進(jìn)行了說明。
關(guān)鍵詞:HCI；藍(lán)牙技術(shù)；無線通信
1 引言
藍(lán)牙（Bluetooth），是一種短距離無線通信技術(shù)，用于替代數(shù)字設(shè)備牙設(shè)備運(yùn)行在和計(jì)算機(jī)外設(shè)間的電纜連接以及實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)備間的無線組網(wǎng)。1998年5月由愛立信、IBM、英特爾、諾基亞、東芝等5家公司成立了藍(lán)牙特殊利益小組（SIG），負(fù)責(zé)聯(lián)合制定藍(lán)牙規(guī)范。藍(lán)牙工作在向全球統(tǒng)一開放的2.4GHz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（Industrial Scientific Medical）頻段，可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和語(yǔ)音，至多8個(gè)活動(dòng)的藍(lán)牙設(shè)備可以共享信道帶寬，形成所謂的匹克網(wǎng)（piconet）。在每一個(gè)piconet中，有1個(gè)為藍(lán)牙主設(shè)備，其余7個(gè)為從設(shè)備，同時(shí)可容許有更多的從設(shè)備以暫停(park)的方式鎖定到主設(shè)備。多個(gè)picon-
et可以相互重疊。形成散射網(wǎng)(scattern-
et)。
SIG所頒布的藍(lán)牙規(guī)范就是藍(lán)牙無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了藍(lán)牙應(yīng)用應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)和需要達(dá)到的要求，包括核心協(xié)議（Core）與應(yīng)用框架（Profiles）兩部分。協(xié)議規(guī)范部分定義了藍(lán)牙的各層通信協(xié)議，遵循開放系統(tǒng)互連參考模型，從低到高地定義了藍(lán)牙協(xié)議堆棧的各個(gè)層次，如圖1所示。
按照藍(lán)牙協(xié)議的邏輯功能，協(xié)議堆棧由下至上分為三個(gè)部分：傳輸協(xié)議、中介協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議。本文中主機(jī)控制接口（HCI）位于傳輸協(xié)議之中，它并不是嚴(yán)格意義上的通信協(xié)議，它僅為應(yīng)用協(xié)議堆棧的高層部分提供了一個(gè)訪問低層傳輸協(xié)議的指令接口。
如果我們從HCI層出發(fā)，可以將藍(lán)牙協(xié)議堆棧分為硬件與軟件2個(gè)協(xié)議塊。硬件部分由射頻部分(RF)、基帶部分(BB)、鏈路管理器部分(LM)和HCI固件構(gòu)成，我們也可以把硬件部分稱為藍(lán)牙子系統(tǒng)。軟件部分由HCI主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、邏輯鏈路控制適配協(xié)議(L2CAP)、串口仿真協(xié)議(RFCOMM)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)、電話控制協(xié)議(TCS)及其它應(yīng)用協(xié)議所構(gòu)成。在藍(lán)牙協(xié)議堆棧模型中的虛線部分為對(duì)本文中HCI協(xié)議層軟件的具體劃分。
2 HCI協(xié)議剖析
在藍(lán)牙協(xié)議模型中，HCI軟件驅(qū)動(dòng)程序與HCI固件統(tǒng)一歸為HCI(主機(jī)控制接口)，所以要基于HCI進(jìn)行開發(fā)，首先必須了解HCI涉及的具體內(nèi)容。主機(jī)控制接口為藍(lán)牙硬件中基帶控制器和鏈路管理器提供了命令接口，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件狀態(tài)寄存器和控制寄存器的訪問，特別是該接口提供了對(duì)藍(lán)牙基帶的統(tǒng)一訪問模式。HCI分為主機(jī)、傳輸層、主控制器三部分，并在每一層為HCI系統(tǒng)提供不同的功能。本文把HCI協(xié)議層劃為HCI軟件和HCI硬件兩部分來加以討論。
2.1 HCI軟件
HCI軟件部分可分為HCI固件和HCI驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分。
HCI固件位于主控制器。HCI固件通過對(duì)基帶命令、鏈路管理器命令、硬件狀態(tài)寄存器、控制寄存器和事件寄存器的訪問，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙硬件HCI指令。主控制器(Host Controller)意味著具有主控制接口功能的藍(lán)牙器件。
與HCI固件不同，HCI驅(qū)動(dòng)位于主機(jī)，即協(xié)議模型中的HCI軟件驅(qū)動(dòng)部分。若某事件發(fā)生，用HCI事件通知主機(jī)，而主機(jī)將收到HCI事件的異步通知。當(dāng)主機(jī)發(fā)現(xiàn)有事件發(fā)生時(shí)，它將分析收到的事件包并決定何種事件發(fā)生。主機(jī)端的HCI驅(qū)動(dòng)程序，一方面通過接口被藍(lán)牙應(yīng)用程序調(diào)用(本文所提到的藍(lán)牙應(yīng)用程序是相對(duì)于HCI層而言的，指的是構(gòu)建于通用外接模塊上的擴(kuò)展應(yīng)用程序)，實(shí)現(xiàn)對(duì)上層應(yīng)用的承載；另一方面實(shí)現(xiàn)了協(xié)議中的HCI功能集，使主機(jī)可以向藍(lán)牙子系統(tǒng)發(fā)送HCI指令，或接收子系統(tǒng)返回的HCI事件。
2.2 HCI的硬件
HCI驅(qū)動(dòng)和HCI固件是通過主控制器傳輸層(位于主控制器與主機(jī)之間的中間層)進(jìn)行通信的，這些中間層和主控制傳輸層提供了在沒有數(shù)據(jù)描述信息情況下傳輸數(shù)據(jù)的能力。在藍(lán)牙規(guī)范的描述中，藍(lán)牙子系統(tǒng)與主機(jī)之間共有3類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的方式、每一種數(shù)據(jù)在硬件接口均具有一定的封裝格式，分別是由3種傳輸層支持，分別為UART/RS232和USB。采用不同的主控制器傳輸層對(duì)主機(jī)所接收的HCI事件異步通知不會(huì)產(chǎn)生影響。
3 藍(lán)牙應(yīng)用開發(fā)方案
在圖1中所提到的主機(jī)是一個(gè)廣義的概念，可以是以MPU為核心的計(jì)算機(jī)、也可以是以MCU為核心的控制電路，二者用途各異。其中以MCU為核心的控制電路適用于嵌入式應(yīng)用開發(fā)，而以MPU為核心的計(jì)算機(jī)則適合于人機(jī)接口的軟件開發(fā)。
藍(lán)牙協(xié)議為建立于藍(lán)牙技術(shù)之上的多種應(yīng)用提供了完整的解決辦法，但對(duì)于不同應(yīng)用一般只用到藍(lán)牙協(xié)議中的某幾個(gè)，而且對(duì)于每部分協(xié)議也不用它所提供的全部功能。進(jìn)而，在藍(lán)牙應(yīng)用開發(fā)中可以從不同的協(xié)議層入手。在開發(fā)藍(lán)牙系統(tǒng)時(shí)，一般采用兩種方式進(jìn)行開發(fā)，一種是采用只提供無線接口的簡(jiǎn)單模塊，從藍(lán)牙子系統(tǒng)做起，再針對(duì)應(yīng)用自行開發(fā)主芯片，該主芯片包括從基帶層到應(yīng)用層的完整藍(lán)牙協(xié)議棧，這種開發(fā)方式較為復(fù)雜，但不一定需要HCI層；另一種方法是購(gòu)買由供應(yīng)商提供的完整的藍(lán)牙模塊，這些模塊實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙子系統(tǒng)的全部或部分功能，屏蔽了射頻和基帶兩個(gè)硬件協(xié)議層，可以直接在HCI基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。
目前供應(yīng)商提供的藍(lán)牙模塊大致可分為2類，第1類為只實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙鏈路控制功能的模塊，第2類為藍(lán)牙鏈路控制與嵌入式HCI驅(qū)動(dòng)功能均已實(shí)現(xiàn)的模塊。這2類模塊的主要不同之處在于第2類包括一個(gè)RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))處理器，實(shí)現(xiàn)鏈路控制和HCI功能，而第1類的RISC則不具有HCI功能。在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)實(shí)際情況而選擇不同類型的模塊。
如果選用集成了鏈路控制與HCI驅(qū)動(dòng)功能的藍(lán)牙模塊，那么就可以在一個(gè)比較完整的平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)。如果主機(jī)具有USB或UART接口，在藍(lán)牙模塊與主機(jī)信號(hào)電平兼容的情況下，接口連接可以不需要其它輔助硬件電路。許多情況下，USB或UART接口集成在主機(jī)的核心芯片上，所以可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊與主機(jī)的無縫接口。這種模型下的藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用開發(fā)，主要工作集中在藍(lán)牙主機(jī)端軟件的實(shí)現(xiàn)上，包括HCI驅(qū)動(dòng)程序與傳輸層驅(qū)動(dòng)程序。正是由于這種藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)了嵌入式HCI協(xié)議，所以應(yīng)用開發(fā)可以直接從HCI層開始，避免了基帶與射頻的硬
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