蓝牙技术-PPT

-1-第3章蓝牙技术-2-本章目标了解蓝牙基本技术规范了解蓝牙协议体系结构掌握蓝牙设备的工作状态了解蓝牙数据包结构和蓝牙编址掌握蓝牙模块的分类及选型掌握AT指令的基本概念掌握蓝牙模块的配对连接-3-3.1蓝牙技术概述3.2蓝牙协议体系3.3蓝牙状态和编址3.4蓝牙数据分组3.5蓝牙模块3.6蓝牙应用开发-4-技术规范基本概念3.1蓝牙技术概述-5-3.1.1技术规范-6-3.1.1技术规范V1.1(1998年)：最早期版本，传输率约在748~810kbps，容易受到同频率之产品干扰，通讯质量较差。V1.2：748~810kbps的传输率，增加了(改善Software)抗干扰跳频功能。V2.0：V1.2的改良提升版，传输率约在1.8Mbps~2.1Mbps，可同时传输语音、图片和文件。V2.1(2004年)：改善了装置配对流程和短距离配对，具备了在两个支持蓝牙的手机之间互相进行配对与通信传输的NFC机制。具备更佳的省电效果。V3.0(2009年)：通常成为蓝牙高速传输技术，传输速率更高，功耗更低。V4.0(2010年)：包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术。蓝牙4.0的改进之处主要体现在三个方面，电池续航时间、节能和设备种类上。有效传输距离也有所提升为60m。-7-3.1.1技术规范每个规范版本按通信距离可再分为Class1和Class2：Class1：传输功率高、传输距离远，但成本高、耗电量大，不适合作为个人通信产品，多用于部分商业特殊应用场合，通信距离大约在80m~100m之间。Class2：目前最流行的制式，通信距离大约在8~30m之间，视产品的设计而定，多用于手机、蓝牙耳机、蓝牙适配器等个人通信产品，耗电量和体积较小，方便携带。EDR：EnhancedDataRate，增强速率技术-8-3.1.2基本概念主/从设备：蓝牙通常采用点对点的配对连接方式，主动提出通信要求的设备是主设备（主机），被动进行通信的设备为从设备（从机）。蓝牙设备状态：蓝牙设备有待机和连接两种主要状态，处于连接状态的蓝牙设备可有激活、保持、呼吸和休眠4种状态。对等网络Ad-hoc：蓝牙设备在规定的范围和数量限制下，可以自动建立相互之间的联系，而不需要一个接入点或者服务器，这种网络称为Ad-hoc网络。由于网络中的每台设备在物理上都是完全相同的，因此又称为对等网。跳频扩频技术（FHSS）：收发信机之间按照固定的数字算法产生相同的伪随机码，发射机通过伪随机码的调制，使载波工作的中心频率不断跳跃改变，只有匹配接收机知道发射机的跳频方式，可以有效排除噪音和其他干扰信号，正确地接收数据。时隙：蓝牙采用跳频扩频技术，跳频频率为1600跳/秒，即每个跳频点上停留的时间为625us，这625us就是蓝牙的一个时隙，在实际工作中可以分为单、多时隙。蓝牙时钟：蓝牙时钟是蓝牙设备内部的系统时钟，是每一个蓝牙设备必须包含的，决定了收发器的时序和跳频。蓝牙时钟频率为3.2KHz，该时钟不会被调整或关掉。-9-物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层比特流传输提供介质访问、链路管理等寻址和路由选择建立主机端到端连接建立、维护和管理会话处理数据格式、数据加密等提供应用程序间通信3.2蓝牙协议体系蓝牙协议采用分层结构，遵循开放系统互联（OSI，OpenSystemInterconnection）参考模型OSI参考模型-10-3.2蓝牙协议体系蓝牙天线收发器（RF）基带（BB）链路管理协议（LMP）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）串口仿真协议（RFCOMM）服务发现协议（SDP）二进制电话控制协议（TCS-BIN）音频/电话命令（A/T指令）蓝牙主机控制器接口（HCI）音频协议（AUDIO）点对点协议（PPP）对象交换协议（OBEX）虚拟名片/日历-内容格式（VCard/vCal）因特网协议（IP）传输控制协议（TCP）用户数据报协议（UDP）无线应用协议（WAP）无线应用环境（WAE）底层协议(硬件实现)中间和高端应用层协议(软件实现)-11-射频(RF)协议：主要定义频段与信道安排、发射/接收机特性等。它通过2.4GHz频段规范物理层无线传输技术，实现数据流的过滤和传输。基带(BB)协议：为基带数据分组提供同步定向连接(SynchronousConnectionOrented，SCO)和异步无连接(AsynchronousConnectionless，ACL)两种物理链路，对不同数据类型都会分配一个特殊信道，用于传递连接管理和控制信息等。链路管理协议(LMP)：主要负责蓝牙设备间连接的建立、拆除和安全控制，控制无线设备的节能模式和工作周期，以及微微网内各设备单元的连接状态。3.2蓝牙协议体系——底层协议-12-主机控制器接口(HCI)协议：位于L2CAP和LMP之间，为上层协议提供进入LMP和BB的统一接口和方式。HCI传输层包括：USB、RS232、UART和PC卡。逻辑链路控制与适配协议(L2CAP)：主要完成数据的拆装、服务质量控制，协议的复用、分组的分割和重组及组管理等功能。串口仿真协议(RFCOMM)：又称线缆替换协议，仿真RS-232的控制和数据信号，可实现设备间的串行通信，为使用串行线传送机制的上层协议提供服务。电话控制协议(TelCtrl)：包括电话控制规范二进制(TCS-BIN)协议和AT命令集电话控制命令。其中，TCS-BIN是在蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令。服务发现协议(SDP)：为上层应用程序提供一种机制来发现可用的服务，是所有用户模式的基础。3.2蓝牙协议体系——中间层协议-13-3.2蓝牙协议体系——高层协议对象交换协议(OBEX)：只定义传输对象，而不指定特定的传输数据类型，可以是从文件到电子商务卡、从命令到数据库等任何类型。网络访问协议：包括PPP、TCP、IP和UDP协议，用于实现蓝牙设备的拨号上网，或通过网络接入点访问因特网和本地局域网。无线应用协议(WAP)：支持移动电话浏览网页、收取电子邮件和其他基于因特网的协议。可在数字蜂窝电话和其他小型无线终端上实现因特网业务。无线应用环境(WAE）：可提供用于WAP电话和个人数字助理PDA所需的各种应用软件。音频协议(Audio)：可在一个或多个蓝牙设备之间传递音频数据，通过在基带上直接传输SCO分组实现。-14-蓝牙状态蓝牙编址3.3蓝牙状态和编址-15-3.3.1蓝牙状态蓝牙设备主要运行在待机和连接两种状态。从待机到连接状态，要经历7个子状态：寻呼、寻呼扫描、查询、查询扫描、主响应、从相应、查询相应。-16-3.3.1蓝牙状态——待机蓝牙设备默认的工作状态。在该状态下，设备每隔1.28s就周期性地“侦听”信息。一旦设备被唤醒，便处于连接状态，将在预先设定的32个跳频频率上接听信息。跳频数目因地区而异，多数国家都采用32个跳频频率。-17-3.3.1蓝牙状态——连接状态描述激活（Active）该模式下，主单元和从单元通过侦听、发送或者接收数据包而主动参与信道操作。主单元和从单元相互保持同步。呼吸（Sniff）该模式下，主单元只能有规律地在特定的时隙发送数据，从单元只在指定的时隙上“嗅探”消息，可以在空时隙睡眠而节约功率。呼吸间隔可以根据应用需求做适当调整。保持（Hold）该模式下，设备只有一个内部计数器在工作，不支持ACL数据包，可为寻呼、扫描等操作提供可用信道。保持模式一般用于连接几个微微网或能耗低的设备。在进入该模式前，主节点和从节点应就从节点处于保持模式的持续时间达成一致。当时间耗尽时，从节点将被唤醒并与信道同步，等待主节点的指示。休眠（Park）当从单元无需使用微微网信道却又打算和信道保持同步时，可以进入休眠模式。在该模式下，设备几乎没有任何活动，不支持数据传送，偶尔收听主设备的消息并恢复同步、检查广播消息。设备被赋予一个休眠成员地址（ParkingMemberAddress：PM_ADDR）并失去其活动成员地址（ActiveMemberAddress：AM_ADDR）。-18-3.3.1蓝牙状态——微微网蓝牙的网络结构有两种拓扑形式：微微网和散射网（分布式网络）微微网是蓝牙基本的组网方式，散射网由多个微微网组成在同一个微微网中：微微网的本质是个人区域网，即以个人区域的范围为应用的网络构建。一个微微网可以只是两台相连的设备，比如一台笔记本和一部手机，也可以是几台相连的蓝牙设备。微微网最简单的应用是蓝牙手机与蓝牙耳机，在手机与耳机间组建一个简单的微微网，手机作为主设备，耳机充当从设备。在两个蓝牙手机之间也可以直接使用蓝牙功能进行无线的数据传输等。•一个蓝牙设备可以同时与最多7个其他蓝牙设备相连•各单元之间共享一个信道•有且只有一个主单元，其余为从单元•主单元控制微微网从建立到数据传送到最后结束通信的整个过程-19-3.3.1蓝牙状态——微微网蓝牙主设备蓝牙从设备1蓝牙从设备2蓝牙从设备2蓝牙从设备3蓝牙从设备4蓝牙从设备5蓝牙从设备6蓝牙从设备7蓝牙主设备蓝牙从设备-20-3.3.1蓝牙状态——状态转换子状态描述寻呼（Page）该子状态被主单元用来激活和连接从单元，主单元通过在不同的跳频信道内传送从单元的设备识别码（DAC）来发出寻呼消息。寻呼扫描（PageScan）在该子状态下，从单元在一个窗口扫描存活期内以单一跳频侦听自己的设备接入码（DAC）。从响应（SlaveResponce）从单元在该子状态下响应主单元的寻呼消息。如果处于寻呼扫描子状态下的从单元和主单元寻呼消息相关即进入该状态。主响应（MasterResponce）主单元在该状态下发送FHS数据包给从单元。如果主单元收到从单元的响应后即进到该子状态。当从单元收到主单元发送的FHS数据包后，将进入连接状态。查询（Inquiry）该子状态被主单元用于收集蓝牙设备地址，发现相邻蓝牙设备的身份。查询扫描（InquiryScan）在该子状态下，蓝牙设备侦听来自其他设备的查询。此时扫描设备可以侦听一般查询接入码（GIAC，GeneralInquiryAccessCode）或者专用查询接入码（DIAC，DedicatedInquiryAccessCode）。查询响（InquiryResponce）对查询而言，只有从单元才可以响应而主单元则不能。从单元用FHS数据包响应，该数据包包含了从单元的设备接入码、内部时钟和某些其他从单元信息。-21-3.3.1蓝牙状态——状态转换待机待机查询查询扫描查询响应待机待机寻呼主响应连接（主设备）寻呼扫描从响应连接（从设备）IDFHSIDFHSIDIDFHS-22-3.3.2蓝牙编址蓝牙有以下4种基本类型的设备地址：BD_ADDR：48位的蓝牙设备地址。AM_ADDR：3位激活状态成员地址。PM_ADDR：8位休眠状态成员地址。AR_ADDR：访问请求地址，休眠状态的从单元通过它向主单元发送访问消息。-23-3.3.2蓝牙编址——BD_ADDR唯一地标志了每个蓝牙设备总长度48位按从最小有效位（LSB）到最大有效位（MSB）主要分为3部分：24位低地址部分LAP、8位高地址部分UAP和16位非有效地址部分NAPLAPUAPNAPLSBMSB24816BDDR的有效部分构成蓝牙设备的厂商唯一标识符，由SIG的蓝牙地址管理机构分配给各个蓝牙设备制造商。-24-3.3.2蓝牙编址——从节点地址从节点地址具有不唯一性，根据状态不同可分配3种不同的地址：AM_ADDR：处于激活状态下的从节点地址，该地址位于主节点发送的数据分组的分组头中。利用节点有无激活地址能把主节点和任何一个从节点区别开。PM_ADDR：处于休眠状态的成员地址，也使用3位二进制数描述8个节点的地址。从节点处于休眠状态时就能获得一个休眠成员地址PM_ADDR。通过BD_ADDR或PM_ADDR均能识别处于休眠状态下的从节点。AR_ADDR：从节点的访问请求地址。当从节点进入休眠状态时，将分