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摘要：文章從藍(lán)牙技術(shù)提出的背景和其優(yōu)越性出發(fā)，分析了它的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)及其各個(gè)協(xié)議之間的關(guān)系。最后，通過給出一個(gè)藍(lán)牙模塊的硬件設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)說明了如何在實(shí)際的新產(chǎn)品中應(yīng)用這一最新技術(shù)。
關(guān)鍵詞： 藍(lán)牙 藍(lán)牙技術(shù) 藍(lán)牙協(xié)議體系 藍(lán)牙模塊
1 藍(lán)牙技術(shù)的提出和其優(yōu)越性
藍(lán)牙技術(shù)是由藍(lán)牙特別興趣集團(tuán)（SIG：Sepecial Interest Group）于1998年發(fā)起提出的。SIG最初是由IBM、Intel、Nokia、Ericssion、Toshiba等公司組成。但是目前，加入SIG的企業(yè)已經(jīng)達(dá)到兩千多家，短短兩年時(shí)間，SIG成員幾乎覆蓋了全球通信、網(wǎng)絡(luò)、芯片、外設(shè)、軟件等行業(yè)所有入門熟知的大企業(yè)，其發(fā)展勢(shì)頭異常迅猛。當(dāng)然這里由于藍(lán)牙技術(shù)的下列性質(zhì)所決定的。
（1）無線性
藍(lán)牙技術(shù)最初是以取消連接各種電器之間的連線為目標(biāo)的。藍(lán)牙技術(shù)主要面向網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)據(jù)及語音設(shè)備，如PC、撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)、筆記本電腦、HFC、PDA、打印機(jī)、傳真機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電話、高品質(zhì)耳機(jī)等。藍(lán)牙通過無線的方式將它們連成一個(gè)圍繞個(gè)人的網(wǎng)絡(luò)，省去了用戶接線的煩惱，在各種便攜設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無縫的資源共享。
�。�2）藍(lán)牙技術(shù)的開放性
與生俱來的開放性賦予了藍(lán)牙強(qiáng)大的生命力。從它誕生之日起，藍(lán)牙就是一個(gè)由廠商們自己發(fā)起的技術(shù)協(xié)議，完全公開，而并非某一家獨(dú)有和保密。只要是SIG的成員，都有權(quán)無償使用藍(lán)牙的新技術(shù)，而且藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂后，任何廠商都可以無償?shù)啬脕砩a(chǎn)產(chǎn)品，只要產(chǎn)品通過SIG組織的測(cè)試并符合藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)后，品牌即可投入市場(chǎng)。
�。�3）藍(lán)牙產(chǎn)品的互操作性和兼容性
藍(lán)牙產(chǎn)品在滿足藍(lán)牙規(guī)范的前提下，還必須通過SIG的認(rèn)證程序（qualification program），只有通過了認(rèn)證程序，才能走向市場(chǎng)。這就保證了即使是不同公司的藍(lán)牙產(chǎn)品，也可實(shí)現(xiàn)互操作和數(shù)據(jù)共享，達(dá)到完全兼容的目的。
�。�4）藍(lán)牙協(xié)議和其他無線協(xié)議的區(qū)別
這里主要談?wù)勊{(lán)牙和IEEE-802.11的區(qū)別。IEEE-802.11是應(yīng)用于高端的無線局域網(wǎng)技術(shù)，其傳輸距離可達(dá)50m到數(shù)百米，傳輸速度為-11Mbit/s。而有別于IEEE-802.11的藍(lán)牙則主要用于短距離傳輸（一般為10m，功率放大可以達(dá)到100m）數(shù)據(jù)和語音（1Mbit/s），而且功耗非常低。盡管藍(lán)牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，IEEE-802.11與藍(lán)牙技術(shù)在某些情況下可以共存。這主要是因?yàn)�，藍(lán)牙特別設(shè)計(jì)了快速跳頻及前向糾錯(cuò)方案以保證鏈路穩(wěn)定和傳輸可靠，有很強(qiáng)的抗干擾能力。
�。�5）對(duì)人體安全影響不大
隨著無線技術(shù)的深入人心，輻射也成為消費(fèi)者非常關(guān)心的問題。由世界衛(wèi)星組織、IEEE等專家組成的小組表示，檢測(cè)中并未發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙產(chǎn)品的輻射對(duì)人體有影響。藍(lán)牙產(chǎn)品的輸出功率僅為1mW，是微波爐使用功率的百萬分之一，也僅僅是移動(dòng)電話功率的一小部分，而且，這些輸出中只有一小部分被人體吸收。
2 藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)
藍(lán)牙技術(shù)的一個(gè)主要目的就是使符合該規(guī)范的各種設(shè)備能夠互通，這就要求本地設(shè)備和遠(yuǎn)端設(shè)備使用相同的協(xié)議。當(dāng)然，不同的應(yīng)用，其使用的協(xié)議�？赡懿煌５�，它們都必須使用藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。完整的藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)然，不是任何應(yīng)用都必須使用所有全部協(xié)議，可以只采用部分協(xié)議，例如語音通信時(shí)，就只需經(jīng)過基帶協(xié)議（Baseband）就行，而不用通過L2CAP。
除了上述協(xié)議層外，規(guī)范還定義了主機(jī)控制器接口（HCI），它為基帶控制器、連接控制器、硬件狀態(tài)和控制寄存器等提供命令接口。
這些協(xié)議又可以分為藍(lán)牙專有協(xié)議和非專有協(xié)議，這樣區(qū)分主要是在藍(lán)牙專有協(xié)議的基礎(chǔ)上盡可能地采用和借鑒現(xiàn)有的各種高層協(xié)議（也就是非專有協(xié)議），使得現(xiàn)有的各種應(yīng)用能移值到藍(lán)牙上來，如UDP/TCP/IP等。藍(lán)牙核心協(xié)議都是藍(lán)牙專有的協(xié)議，絕大部分藍(lán)牙設(shè)備都需要這些協(xié)議。而RFCOMM和TCS_binary協(xié)議是SIG分別在ETSI TS07.10和ITU-Recommendation Q.931協(xié)議的基礎(chǔ)上制訂的。選用協(xié)議則主要是各種已經(jīng)廣泛使用的高層協(xié)議�？傊娎|替代協(xié)議、電話控制協(xié)議和選用協(xié)議在核心協(xié)議的基礎(chǔ)上構(gòu)成了在向應(yīng)用的協(xié)議。下面，就對(duì)各個(gè)協(xié)議作一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。
2.1藍(lán)牙核心協(xié)議
2.1.1基帶協(xié)議（Baseband）
在說基帶協(xié)議時(shí)，我們先來看看藍(lán)牙的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。它首先由一個(gè)個(gè)微微網(wǎng)（piconet）構(gòu)成。一個(gè)微微網(wǎng)中，只有一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備是主設(shè)備（master），但是可以有7個(gè)從設(shè)備（slave），它們是由3位的MAC地址區(qū)分的。主設(shè)備的時(shí)鐘和跳頻序列用于同步同一個(gè)微微網(wǎng)中的從設(shè)備。多個(gè)獨(dú)立的非同步的微微網(wǎng)又可以形成分布式網(wǎng)絡(luò)（scatternet），一個(gè)微微網(wǎng)中的主/從設(shè)備可以是另外一個(gè)微微網(wǎng)中的主/從設(shè)備，但是各個(gè)微微網(wǎng)通過使用不同的跳頻序列來加以區(qū)分。
基帶協(xié)議就是確保各個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間的物理射頻連接，以形成微微網(wǎng)。藍(lán)牙的射頻系統(tǒng)是一個(gè)跳頻系統(tǒng)，其任一分組在指定時(shí)隙、指定頻率上發(fā)送，它使用查詢（inquiry）和尋呼（page）進(jìn)程同步不同設(shè)備間的發(fā)送頻率和時(shí)鐘，可為基帶數(shù)據(jù)分組提供兩種物理連接方式：同步面向連接（SCO）和異步非連接（ACL）。SCO既能傳輸語音分組（采用CVSD編碼），也能傳輸數(shù)據(jù)分組；而ACL只能傳輸數(shù)據(jù)分組。所有的語音和數(shù)據(jù)分組都附有不同級(jí)別的前向糾錯(cuò)（FEC）或循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）編碼，并可進(jìn)行加密，以保證傳輸可靠。此外，對(duì)于不同的數(shù)據(jù)類型都會(huì)分配一個(gè)特殊的信道，可以傳遞連接管理信息和控制信息等。
2.1.2連接管理協(xié)議（LMP）
連接管理協(xié)議負(fù)責(zé)藍(lán)牙各設(shè)備間連接的建立。首先，它通過連接的發(fā)起、交換、核實(shí)，以進(jìn)行身份認(rèn)證和加密等安全措施；其次它通過設(shè)備間協(xié)商以確定基帶數(shù)據(jù)分組的大小；另外，它還可以控制無線部分的電源模式和工作周期，以及微微網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備的連接狀態(tài)。
2.1.3邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）
邏輯鏈路控制和適配協(xié)議是基帶的上層協(xié)議，可以認(rèn)為它是與LMP并行工作的，它們的區(qū)別在于當(dāng)數(shù)據(jù)不經(jīng)過LMP時(shí)，則L2CAP將采用多路技術(shù)、分割和重組技術(shù)、群提取技術(shù)等為上層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。雖然基帶協(xié)議提供了SCO和ACL兩種連接類型，但是L2CAP只支持ACL，并允許高層協(xié)議以64K字節(jié)的速度收發(fā)數(shù)據(jù)分組。
2.1.4服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）
服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議是藍(lán)牙技術(shù)框架中非常重要的一個(gè)部分，它是所有用戶模式的基礎(chǔ)。使用SDP，可以查詢到設(shè)備信息和服務(wù)類型，之后，藍(lán)牙設(shè)備之間的連接才能建立。因此，你不能奢望通過藍(lán)牙耳機(jī)打電話，因?yàn)樗荒芴峁┻@種服務(wù)。
2.2電纜替代協(xié)議（RFCOMM）
RFCOMM是基于ETSI 07.10規(guī)范的串行線仿真協(xié)議，它在藍(lán)牙基帶協(xié)議上仿真RS-232控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，為使用串行線傳送機(jī)制的上層協(xié)議（如OBEX）提供服務(wù)。
2.3電話控制協(xié)議
2.3.1二元電話控制協(xié)議（TCS Binary）
二元電話控制協(xié)議是面向比特的協(xié)議，它定義了藍(lán)牙設(shè)備間建立語音和數(shù)據(jù)呼叫的控制信令，定義了處理藍(lán)牙TCS設(shè)備群的移動(dòng)管理進(jìn)程。
2.3.2AT命令集電話控制協(xié)議（AT_commands）
在ITU-T V.250和ETS300 916(GSM 07.07)的基礎(chǔ)之上，SIG定義了控制多用戶模式下，移動(dòng)電話、調(diào)制解調(diào)器和可用于傳真業(yè)務(wù)的AT命令集。
2.4選用協(xié)議
2.4.1點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（PPP）
PPP是IETF（Internet Engineering Task Force）制訂的，在藍(lán)牙技術(shù)中，它運(yùn)行于RFCOMM之上，完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。
2.4.2UDP/TCP/IP
UDP/TCP/IP也是由IETF制訂的，是互聯(lián)網(wǎng)通信的基本協(xié)議，在藍(lán)牙設(shè)備中使用這些協(xié)議，是為了與互聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)備進(jìn)行通信。
2.4.3對(duì)象交換協(xié)議（OBEX）
OBEX是IrOBEX是簡(jiǎn)寫，是由紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA）制訂的會(huì)話層協(xié)議，采用簡(jiǎn)單和自發(fā)的方式來交換對(duì)象。它提供的基本功能類似于HTTP，在假定傳輸層可靠的基礎(chǔ)上，采用客戶機(jī)-服務(wù)器模式，而獨(dú)立于傳輸機(jī)制和傳輸應(yīng)用程序接口（API）。另外，OBEX專門提供了一個(gè)文件夾列表對(duì)象，用于瀏覽遠(yuǎn)端設(shè)備上的文件夾內(nèi)容。在藍(lán)牙目前的1.0協(xié)議中，RFCOMM是OBEX唯一的傳輸層，在以后的版本中，有可能也支持TCP/IP作為傳輸層。
電子名片交換格式（vCard）和電子日歷交換格式（vCal）都是因特網(wǎng)郵件協(xié)會(huì)（Internet Mail Consortium）開發(fā)的開放性規(guī)范。這些規(guī)范只是定義了數(shù)據(jù)傳輸格式，而沒有定義傳輸機(jī)制。SIG采用這些已經(jīng)定義好的規(guī)范，是為了進(jìn)一步促進(jìn)個(gè)人信息的交互。
2.4.4無線應(yīng)用協(xié)議（WAP）
WAP是無線應(yīng)用協(xié)議論壇（WAP Forum）制訂的，它融合了各種廣域無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其目的是將互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容和電話傳送的業(yè)務(wù)傳送到數(shù)字蜂窩電話或者其他無線終端，選用WAP，可以充分利用無線應(yīng)環(huán)境（WAE）開發(fā)的高層應(yīng)用軟件。關(guān)于WAP，請(qǐng)參考無線應(yīng)用協(xié)議論壇制訂的各項(xiàng)協(xié)議。
3 藍(lán)牙技術(shù)的一種硬件設(shè)計(jì)方案
從目前藍(lán)牙產(chǎn)品來看，其硬件上都采用了兩塊芯片構(gòu)成一個(gè)芯片組，一塊是射頻芯片，另外一塊是基帶控制芯片，如朗訊公司的W7020和W7400、飛利浦的UAA3558和PCD87750等，這兩塊芯片再加上外加的Flash、天線和電源芯片就可以構(gòu)成了一個(gè)藍(lán)牙模塊（Bluetooth Module），可以用于各種藍(lán)牙產(chǎn)品之中。
下面就以朗訊公司的W7020和W7400為例，來說明如何構(gòu)造和使用一個(gè)藍(lán)牙模塊，如圖3所示。
W7020是采用BiCOMS工藝制造的高集成度線，和一個(gè)13Mhz的晶振，就能正常工作。從圖3中可以看出，它通過串行接口總線（serial interface bus）和選通信號(hào)（strobe signals）和W7400接口。這樣它們就構(gòu)成一個(gè)完整的藍(lán)牙模塊。W7400最大的特點(diǎn)是包含了一個(gè)ARM7TDMI的RISC核，能滿足藍(lán)牙1.0的各個(gè)協(xié)議棧，并且提供了USB和UART/PCM兩個(gè)主機(jī)控制器接口（HCI:host controller interface），極大方便了硬件設(shè)計(jì)。另外，在當(dāng)今對(duì)芯片功耗要求日益苛刻的情況下，W7020和W7400均采用2.7V工作電壓，以保證降低功耗，延長(zhǎng)電池壽命，特別適合各種便攜設(shè)備。
如何使用圖3中W7020和W7400構(gòu)成的藍(lán)牙模塊呢？利用主機(jī)控制器接口HCI，我們可以采用兩種方式，很方便地把它嵌入到各種產(chǎn)品之中。
（1）采用UART/PCM方式
這種方式利用UART作為數(shù)據(jù)通信接口，而PCM作為語音通信接口，如圖4所示。當(dāng)用UART進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，藍(lán)牙模塊是作為一個(gè)數(shù)字電路終端設(shè)備（DCE:data circuit-terminal equipment.），其串行傳輸速度可以達(dá)到460.8kbit/s。當(dāng)用PCM進(jìn)行語音通信時(shí)，其采用的編碼格式很靈活，可以采用CVSD,A律（歐洲）和P律（美國(guó)）等三種格式，方便了藍(lán)牙語音產(chǎn)品的開發(fā)。
（2）采用USB方式
這種方式，見圖5所示，是把這個(gè)藍(lán)牙模塊當(dāng)作一個(gè)USB從設(shè)備來和主機(jī)通信，它滿足USB1.1規(guī)范，最高速度可以達(dá)到12Mbit/s。
可見，采用主機(jī)控制器接口HCI，我們可以非常方便地把這個(gè)藍(lán)牙模塊嵌入到筆記本電腦（notebook）、手持計(jì)算機(jī)（handheldPC）、移動(dòng)電話、數(shù)字相機(jī)等多種設(shè)備（作為host）中，構(gòu)成各種藍(lán)牙產(chǎn)品。當(dāng)然，要充分利用藍(lán)牙這一新技術(shù)，使硬件正常工作，還需要各種藍(lán)牙協(xié)議軟件的支持。目前，各大電子公司都在這些軟件的開發(fā)上投入了巨大的人力，財(cái)力和物力。
目前，已經(jīng)有一些藍(lán)牙產(chǎn)品面世，如愛立信和阿爾卡特的藍(lán)牙手機(jī)等。但是由于現(xiàn)在的藍(lán)牙芯片價(jià)格較貴，一套芯片組20美元左右，而且不少協(xié)議和應(yīng)用軟件都還處于開發(fā)、測(cè)試階段，因此藍(lán)牙產(chǎn)品要普及，必然還有一個(gè)過程。有人預(yù)測(cè)，到2005年，藍(lán)牙芯片組價(jià)格將降到5美元，藍(lán)牙技術(shù)也變得更加成熟，那時(shí)就是藍(lán)牙技術(shù)席卷世界的時(shí)候。
摘自《電子技術(shù)》2001.4
