1、毕业设计论文无线蓝牙耳机设计精品摘 要所谓蓝牙技术，实际上是一种短距离无线电技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网Internet之间的通信。本文选择蓝牙技术为研究对象。首先对蓝牙通信技术协议规范进行了深入地研究，并着重论述了规范的各个协议层，包括基带层、射频、链路管理层、逻辑链路控制与适配层、服务发现协议以及串口仿真协议。其次，根据蓝牙耳机的开发特点，介绍了本课题采用的蓝牙单芯片软件开发平台Bluelab和硬件开发平台。在此基础之上，分析蓝牙技术在移动电话中的应用，根据蓝牙Headset的原理
2、，实现了Headset和语音网关之间从协议栈底层到上层蓝牙链路的建链过程（ACL、L2CAP、RFCOMM链路），并设计出Headset高层应用的系统流程，最终实现软件编程和调试。同时，基于英国CSR公司（Cambridge Silicon Radio）的蓝牙芯片Bluecore2-External，完成了蓝牙耳机的硬件系统设计，并给出具体解决的方案。综上所述，本文阐述了蓝牙技术的一个应用模型无线蓝牙耳机，并在此基础上，较全面地论述了蓝牙通信技术的协议规范及其应用开发的方法及步骤，掌握了蓝牙无线接入技术，为将来进一步深入研究蓝牙技术、开发蓝牙产品奠定了坚实的基础。关键词 蓝牙；协议规范；硬件开
3、发平台；Bluecore2-External；蓝牙耳机AbstractThe so-called Bluetooth technology, is actually a short-range radio technology, the use of Bluetooth technology, which can effectively simplify the palm-sized PCs, notebook computers and mobile phones and other mobile phones for communication between terminal equip
4、ment, but also to simplify the success of the above equipment and Internet communications between the Internet. The thesis stressed on Bluetooth technology for the research object. First of all, I deeply researched the protocol specification of Bluetooth technology, including RF, BB, LMP, L2CAP, and
5、 RFCOMM. Then, according to the characteristic of Bluetooth Headset, I presented embedded Bluetooth software development platform (Bluelab) and hardware development platform. Based on the application of Bluetooth technology in the mobile telephone, I analyzed the principle of Bluetooth Headset, incl
6、uding the establishment of link from bottom stack up to higher layers (ACL, L2CAP, RFCOMM ) and application movement, and worked out the process of system and application software realization. In addition, I designed hardware model of Bluetooth Wireless Headset and solution using CSRs Bluecore2-Exte
7、rnal module and a tool set of Bluelab.In conclusion, the thesis discusses Bluetooth Specification and Bluetooth development on the basis of Bluetooth Headset, makes us learn the core technology of Bluetooth, and sets up a firmly base for future complicated research and development in Bluetooth.Keywo
8、rds Bluetooth；Protocol Specification；Hardware development platform ；Bluecore2-External；Bluetooth headset 第1章 绪 论1.1 蓝牙技术的发展现状和趋势自从1998年提出蓝牙技术以来，蓝牙技术的发展异常迅速。蓝牙Bluetooth得到了全世界越来越多工业界生产厂家和研究机构的广泛关注。成立了世界蓝牙组织Bluetooth SIG，采用技术标准公开的策略来推广蓝牙技术，现已发展成为一个相当大的工业界高新技术标准化组织，世界上一些权威的标准化组织，也都在关注蓝牙技术标准的制定和发展。例如，IEE
9、E的标准化机构，也已经成立了80215工作组，专门关注有关蓝牙技术标准的兼容和未来的发展等问题。蓝牙是取代数据电缆的短距离无线通信技术，可以支持物体与物体之间的通信，工作频段是全球开放的2.4GHz频段，可以同时进行数据和语音传输，传输速率可达到10Mbit/s，使得在其范围内的各种信息化设备都能实现无缝资源共享。 蓝牙技术的应用被认为非常广泛而且极具潜力。它可以应用于无线设备（如PDA、手机、智能电话、无绳电话）、图像处理设备（照相机、打印机、扫描仪）、安全产品（智能卡、身份识别、票据管理、安全检查）、消费娱乐（耳机、MP3、游戏）、汽车产品（GPS、ABS、动力系统、安全气袋）、家用电器（
10、电视机、电冰箱、电烤箱、微波炉、音响、录像机）、医疗健身、建筑、玩具等领域。1.1.1 各种电话系统Bluetooth产品将会首先应用于数字手机、家庭及办公室电话等系统中，实现真正意义上的个人通信。例如三合一电话，这种应用模式允许一部移动电话既可以作为标准的蜂窝电话，也可以用作无绳电话与语音接入点（无绳电话基站）进行连接，还可以用作内部通信设备，与其他邻近的设备直接进行通话。目前，国际上各大手机制造商都在加紧开发Bluetooth手机，无绳电话和有线电话的制造商也感受到Bluetooth带来的挑战和机遇，竞相研发带有Bluetooth功能的新产品，这些都将推动蓝牙技术迅速发展。1.1.2 无线
11、电缆Bluetooth基于无线电缆的概念，使信息传输设备除电源线外再无其它连线，甚至包括键盘、鼠标也采用无线传输。Bluetooth企图建立一个全无线的工作环境和生活环境，由于这些设备类多量广，无论是硬体还是软件，都有着极大的商机。1.1.3 无线公文包高速蓝牙的技术发展亦大大提高了RealtimeVideo（实时视频）/Video（视频）/音乐档的传输数据速度，同时降低耗电量。现在蓝牙正面对着高数据传输的技术瓶颈，高素质的Video/Audio（音频）档案往往庞大得难以通过蓝牙传输，更别说高速下载。但高速蓝牙功能却能实现把庞大的档案数据高速传输，使WirelessUSBcamera（无线US
12、B接口摄像头）、IPcamera（网络摄像机）、手机、PMP（便携式媒体播放器）与电脑之间可以蓝牙技术自由传输，不再受数据大小的束缚，把以前的不可能变为可能。1.1.4 各类数字电子设备数字照相机、数字摄像机等设备装上Bluetooth系统，可免去使用电缆的不便，随时随地将所摄图片或影像通过同样装上Bluetooth系统的手机或其他设备传回指定的计算机中。PDA（Personal Digital Assistant）装上Bluetooth系统后，采用无线方式收、发e-mail甚至浏览网页将更为方便。Bluetooth的硬体电路可以做到微型化，在Headset上应用非常合适。装上Bluetoot
13、h系统的Headset可以使它和手机进行无线连接，也可以使人在小范围内自由走动地打电话、收听音乐，在较大的范围内召开电话会议，应用前景十分诱人。1.1.5 电子商务无线应用协议（WAP）是开展移动电子商务的核心技术之一。通过WAP，手机可以随时、方便、快捷地接入互联网，真正地实现了不受时间和地域约束的移动电子商务。它是一种无线通信协议。目前，很多电信企业推出了多种WAP产品，包括WAP网关、应用开发工具和WAP手机，向用户提供网上资讯、移动网银、机票订购和网上游戏等服务。WAP主要会受移动通信带宽的影响。移动IP通过网络层改变IP协议，从而实现移动设备在互联网上的无缝漫游。蓝牙技术（Bluet
14、ooth）可以很方便的实现小范围内的无线通信，且成本低、功耗小。1.1.6 将来的应用蓝牙已不再是一项虚拟的技术，也不再停留在理论的标准规范上。一旦蓝牙芯片的性价比达到一定的水平，同时找到有利于市场推广的突破点及适当的商业运行模式，其普及的速度将如水库中积满的池水一样倾泻而出，汹涌而至。因为蓝牙技术的基本应用都是基于现在正在迅速普及的移动设备，例如手机、PDA和笔记本电脑等。蓝牙无线接入技术如主干网络的神经末梢将通信技术渗透到各行各业。蓝牙无线通信技术的出现之所以引起企业界如此广泛的关注，就是因为它为其他领域的技术发展注入了鲜活的生命力。例如，瑞典ABB公司将蓝牙技术、网络技术及智能技术相结合
15、应用在工业环境中。除了与传统工业的结合，蓝牙无线技术还被称为“爆发性技术”（disruptive technology），即它能够激发各组织和团体去开拓新的商业模式，从而彻底改变他们的经济和竞争基础，甚至孕育出全新的产业领域。为适应市场的需求和技术的发展，蓝牙SIG正在制定下一代的蓝牙标准。目前有12个工作组（working group）、3个研究小组以及2个专家小组（experts group）正在以蓝牙的正式标准“version 1.1”为基础开始工作。1.2 蓝牙技术与其他相关技术的比较分析作为一种近距离的无线通信技术，蓝牙技术并不是唯一的。目前无线个人区域网（WPAN）的技术中，主要有
16、工作在2.4G频段上的IEEE802.11b，HomeRF，以下针对它们的特点分别进行比较。IEEE802.11b标准工作在24GHz的频带，采用补码键控（CCK）调制技术，传输速率最高可达到11Mbit/s。IEEE802.11b对无线局域网的最大贡献就是根据无线信道状况的变化支持物理层传输速率的动态漂移，可以在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s之间进行动态速率调整。在网络安全机制上，IEEE802.11b提供了MAC层的访问控制和加密机制，即WEP（等效有线加密），为无线局域网提供了与有线网络相同级别的安全保护。IEEE802.11b标准还提供了可选的RS
17、A40及128位的共享密钥RC4PRNG算法。IEEE802.11b的技术特点可归纳如下：1可靠的通信：抗干扰和抗多径干扰能力强，能够高速的、高质量的传输数据。2低成本：节省了网络综合布线高额费用、节省租用线路月租费和线路的维护费用。3灵活性：无线缆限制，可任意增加和配置工作站。4移动性：允许用户在任何时间、任何地点访问网络数据，可在无线网络覆盖的范围内自动漫游。5高吞吐量：可以实现11Mbit/s的数据传输速率，并可以在5.5M、2M、1Mbit/s之间自动速率调整。HomeRF技术是由HRFWG(home RF working group)工作组开发的，该工作组1998年成立，主要由Int
18、el、IBM、Companq、3com、Philips、Microsoft、Motorola等几家大公司组成，旨在制定PC和用户电子设备之间无线数字通信的开放性工业标准，为家庭用户建立具有互操作性的音频和数据通信网，HomeRF采用了IEEE 802.11标准的CSMA/CA模式，以竞争的方式来获取信道的控制权，在一个时间点上只能有一个接入点在网络中传输数据，提供了对“流业务”的真正意义上的支持，规定了高级别的优先权并采用了带有优先权的重发机制，确保了实时性“流业务”所需的带宽(211 Mb/s)和低干扰、低误码。 HomeRF是针对现有无线通信标准的综合和改进，当进行数据通信时，采用IEEE
19、 802.11规范中的TCP/IP传输协议；进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。因此，接收端必须捕获传输信号的数据头和几个数据包，判断是音频还是数据包，进而切换到相应的模式。 HomeRF采用对等网的结构，每一个节点相对独立，不受中央节点的控制。因此，任何一个节点离开网络都不会影响其它节点的正常工作。蓝牙技术与上面两种技术不同，它具有一整套全新的协议，可以应用于更多的场合。蓝牙技术中的跳频更快，因而更加稳定，同时它还具有低功耗、低成本和比较灵活等特点。通过比较分析可以看出，各种标准都是根据不同的使用场合，不同的用户需求而制定的。有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性
20、，局部最优不等于全局最优。因此，用户应视实际需求选择适合自己的标准。总的来讲，IEEE802.11b比较适于办公室中的企业无线网络，HomeRF可以应用于家庭中的移动数据和语音设备与主机之间的通信，而蓝牙技术可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合。目前这些技术还处于并存的状态，但是可能引起干扰等问题，从长远看，随着产品与市场的不断发展，它们将走向融合，尽管它们可能在边缘上是竞争的，但在本质上是互补性的。蓝牙以其低成本，接入的快捷性、方便性来形成大量电子设备之间的无线数据传输、同步平台。1.3本文主要研究工作蓝牙耳机提供了一个安全、hand-free的途径来发送和接收呼叫并进行语音传输。尤其
21、当用户不方便手持手机的时候，这种方式显得尤为便利。蓝牙耳机的使用者可以在能保持连接的范围内自由移动，而不必和音频设备绑在一起。而且用户可以将同一个耳机用于多种设备，因为蓝牙规范提供了一个标准的接口，所以用于电话通信的耳机也同样可以用来与固定的语音接入点进行通信，此外耳机还可以完成与计算机的音频交互。将来的耳机还可能与立体声音响、便携式CD播放机和录音设备进行通信。蓝牙耳机允许不同的设备放置在各自方便的地方，移动终端甚至可以放进口袋或公文包里。通过语音识别并利用已经使用的语音技术，将来的蓝牙耳机可以作为实现电话通信的唯一用户接口。本文的主要工作是在深入分析研究蓝牙通信技术协议规范1.1版本（下称
22、“蓝牙规范”）的基础上，根据蓝牙耳机所要完成的功能，实现蓝牙上层协议栈功能，在Headset和语音网关之间建立蓝牙通信链路并实现高层的应用。本系统是利用英国CSR（Cambridge Silicon Radio）公司的蓝牙芯片Bluecore2-External来进行设计的。第2章 蓝牙协议规范的介绍2001年3月，蓝牙SIG正式发布了Specification of Bluetooth version 1.1规范。蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作。互操作的远端设备需要使用相同的协议栈，不同的应用需要不同的协议栈。但是，所有的应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和
23、物理层。2.1蓝牙的协议体系结构Bluetooth 1.1技术规范要求会话中的每一台设备都需要确认其在主设备/辐设备关系中所扮演的角色。此外，Bluetooth 技术本将2.4GHz 的频带划分为79 个子频段，而为了适应一些国家的军用需要Bluetooth 1.0重新定义了另一套子频段划分标准，将整个频带划分为23 个子频段，以避免使用2.4GHz 频段中指定的区域。这造成了使用79 个子频段的设备与那些设计为使用23 个子频段的设备之间互不兼容。Bluetooth 1.1标准取消了23子频段的副标准，所有的Bluetooth 1.1设备都使用79 个子频段在2.4GHz的频谱范围之内进行相
24、互的通信。具体蓝牙技术指标和系统参数见表2-1：表 2-1 蓝牙技术指标和系统参数工作频段ISM频段，2.4022.480GHz双工方式全双工，TDD时分双工业务类型支持电路交换和分组交换业务数据速率1Mb/s非同步信道速率非对称连接721/57.6kb/s，对称连接432.6kb/s同步信道速率64kb/s功率美国FCC要求1mW，其他国家可扩展为100mW跳频频率数79个频点/MHz跳频速率1600次/s工作模式PARK/HOLD/SNIFF数据连接方式面向连接业务SCO，无连接业务ACL纠错方式1/3FEC，2/3FEC，ARQ鉴权采用质询响应方式信道加密采用0位、40位、60位密码语音
25、编码方式连续可变斜率调制CVSD发射距离一般可达110m，增加功率情况下可达100m蓝牙支持点到点和点到多点的连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个微微网（Piconet），多个微微网又可互连成特殊分散网，形成灵活的多重微微网的拓扑结构，从而实现各类设备之间的快速通信。它能在一个微微网内寻址8个设备（实际上互联的设备数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8个，其中1个为主，7个为从）。蓝牙协议体系结构采用分层方式，包括蓝牙专用协议和一些通用协议。专用协议位于协议栈的底部，从底到上依次是蓝牙无线层（BluetoothRadio）、基带层（Base band）、LMP层（Link Mana
26、ger Protocol）、L2CAP层（Logical link Control and Adaptation Protocol）、SDP层（Service Discovery Protocol）。另外RFCOMM层以ETSITS07.10为基础，目的是取代电缆连接；TCS（Telephony Control protocol Specification）以ITU-T的Q.931为基础，目的是进行呼叫控制。在蓝牙专用协议之上可以承载PPP、TCP/IP、UDP/IP、WAP等通用高层协议。每一层分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量（
27、QoS）、协议的复用和分用等功能。蓝牙的高层协议最大限度地重用了现存的协议，而且其高层应用协议都使用公共的数据链路和物理层。具体的蓝牙协议栈见图2-1。图2-1 蓝牙协议栈2.2 基带层规范2.2.1 物理信道与物理链路蓝牙技术的特点体现在底层技术，而基带层是底层中的关键技术之一。注意蓝牙基于微微小区机制，需具备强壮性、低复杂度、低功率、低成本的特点，而这在基带层技术中有所体现。前面说过蓝牙采用挑频扩频技术，每秒1600跳，从时间域看即每个时隙长度是625s，即每个时隙从79个信道中选择一个。时隙编号0 2的27次方，即以2的27个次方双工方式采用TDD。蓝牙既支持电路型数据，也支持分组型数据
28、；既支持点对点连接，也支持点对多点连接。在一个微微网络（Pieconet）中，一个单元作为主节点，其他作为从节点，最多可以有7个从节点；但是允许有更多从节点与主节点保持在Park状态。从节点对信道的接入由主节点控制。微微网络在覆盖上可以有重叠：每个网络有各自的跳频方案，一个网络的主节点可以同时作为另一个网络的从节点；一个从节点可以属于多个网络。主节点向从节点发送数据只能占用偶时隙，反之从节点只能在奇时隙才能向主节点发送数据。一个分组（Packet，实际上更习惯的说法是帧，因为在基带层其地位类似于OSI的第2层、部分涉及物理层，分组的确切用法在第3层，但是蓝牙基带层规范中采用Packet术语）的
29、传送最多可以占用5个时隙，在一个分组的传送期内，维持初始时隙所占用的信道而不再跳频。在主从节点之间，有两种不同类型的链路，即同步面向连接SCO（Synchronous Connection-Oriented）链路和异步无连接ACL（Asynchronous ConnectionLess）链路。SCO是点到点链路，主节点在周期性的保留时隙上维持SCO；ACL是点到多点链路，主节点可以利用SCO本占用的时隙建立ACL链路，从节点可以同时参与SCO和ACL。SCO具备双向对称性，可以看作电路型连接，通常用于支持语音等实时业务。主节点可与一个或多个从节点建立多达3个的SCO链路；一个从节点也与多个主节
30、点建立SCO链路（最多3条）。SCO分组不采用重传机制。SCO链路的建立通过主节点发送LMP的SCOsetup消息，该消息中包含了Tsco和Dsco等参数。Dsco用于标识SCO开始的时隙相对数，而Tsco用于表示时隙的重复周期。未被SCO占用的时隙可用于ACL，在一对主从节点之间只有一条ACL。ACL的分组传送来用重传机制以确保正确性。只有主节点在发往从节点的分组中以某种方式允许某从节点发送数据时，该从节点才能在规定时隙发送数据。ACL支持广播。2.2.2 分组组成每个分组由3部分组成，即接入码（AccessCode）、头（Header）、负载（Payload）。其中接入码和头字段为固定长度
31、，分别为72比特和54比特；负载是可变长度，从02745比特。一个分组可以仅包含接入码字段（此时为缩短的68比特），或者包含接入码与头字段，或者包含全部3个字段。接入码有三种类型：Channel Access Code（CAC）、Device Access Code（DAC）和Inquiry Access Code（IAC）。CAC用于标识一个Piconet，所有在该Piconet中传送的分组都包含CAC；DAC用于特殊的信令过程，如寻呼和响应寻呼；IAC又分为General（GIAC）和Dedicated（DIAC）两类：GIAC对该区域内所有设备都是一样的，用于发现其它的蓝牙单元；DIAC
32、用于根据某种特性划分特定用户群。分组头包含链路控制信息，由6个字段组成：3比特的AMADDR、4比特的TYPE、1比特的FLOW、1比特的ARQN、1比特的SEQN、8比特的HEC，一共18个比特；再加速率为1/3的FEC，编码保护后一共是54比特。在主节点与从节点通信时，需要区分不同的从节点，用AMADDR来表示激活的从节点地址。全“0”地址用于广播，显然3比特的编码最多可以支持的激活从节点数为7（扣除全0）。4比特的TYPE字段可以区分16种不同类型的分组，详细情况见2.2.3。FLOW字段用于ACL链路上的流量控制：如果接收端缓存满，则FLOW0指示发端停止发送数据；如果缓存清空，则FLOW=1指示发端继续发送。ARQN0时表示NAK；ARQN1时表示ACK，用于对负载传送正确性的确认。SEQN比特在每发送一个新的分组时翻转一次，因为蓝牙采用无编号ARQ机制，所以SEQN对于重传是必需的，这样可以避免由于ACK的去失而造成分组重复接收。分组头用8比特的校验码以检查分组头的
