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摘要：文章從藍牙技術提出的背景和其優(yōu)越性出發(fā)，分析了它的協(xié)議體系結構及其各個協(xié)議之間的關系。最后，通過給出一個藍牙模塊的硬件設計方案，詳細說明了如何在實際的新產品中應用這一最新技術。
關鍵詞： 藍牙 藍牙技術 藍牙協(xié)議體系 藍牙模塊
1 藍牙技術的提出和其優(yōu)越性
藍牙技術是由藍牙特別興趣集團（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)已經達到兩千多家，短短兩年時間，SIG成員幾乎覆蓋了全球通信、網絡、芯片、外設、軟件等行業(yè)所有入門熟知的大企業(yè)，其發(fā)展勢頭異常迅猛。當然這里由于藍牙技術的下列性質所決定的。
（1）無線性
藍牙技術最初是以取消連接各種電器之間的連線為目標的。藍牙技術主要面向網絡中的各種數(shù)據(jù)及語音設備，如PC、撥號網絡、筆記本電腦、HFC、PDA、打印機、傳真機、數(shù)碼相機、移動電話、高品質耳機等。藍牙通過無線的方式將它們連成一個圍繞個人的網絡，省去了用戶接線的煩惱，在各種便攜設備之間實現(xiàn)無縫的資源共享。
�。�2）藍牙技術的開放性
與生俱來的開放性賦予了藍牙強大的生命力。從它誕生之日起，藍牙就是一個由廠商們自己發(fā)起的技術協(xié)議，完全公開，而并非某一家獨有和保密。只要是SIG的成員，都有權無償使用藍牙的新技術，而且藍牙技術標準制訂后，任何廠商都可以無償?shù)啬脕砩a產品，只要產品通過SIG組織的測試并符合藍牙標準后，品牌即可投入市場。
�。�3）藍牙產品的互操作性和兼容性
藍牙產品在滿足藍牙規(guī)范的前提下，還必須通過SIG的認證程序（qualification program），只有通過了認證程序，才能走向市場。這就保證了即使是不同公司的藍牙產品，也可實現(xiàn)互操作和數(shù)據(jù)共享，達到完全兼容的目的。
�。�4）藍牙協(xié)議和其他無線協(xié)議的區(qū)別
這里主要談談藍牙和IEEE-802.11的區(qū)別。IEEE-802.11是應用于高端的無線局域網技術，其傳輸距離可達50m到數(shù)百米，傳輸速度為-11Mbit/s。而有別于IEEE-802.11的藍牙則主要用于短距離傳輸（一般為10m，功率放大可以達到100m）數(shù)據(jù)和語音（1Mbit/s），而且功耗非常低。盡管藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段，IEEE-802.11與藍牙技術在某些情況下可以共存。這主要是因為，藍牙特別設計了快速跳頻及前向糾錯方案以保證鏈路穩(wěn)定和傳輸可靠，有很強的抗干擾能力。
（5）對人體安全影響不大
隨著無線技術的深入人心，輻射也成為消費者非常關心的問題。由世界衛(wèi)星組織、IEEE等專家組成的小組表示，檢測中并未發(fā)現(xiàn)藍牙產品的輻射對人體有影響。藍牙產品的輸出功率僅為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 藍牙協(xié)議體系結構
藍牙技術的一個主要目的就是使符合該規(guī)范的各種設備能夠互通，這就要求本地設備和遠端設備使用相同的協(xié)議。當然，不同的應用，其使用的協(xié)議�？赡懿煌�。但是，它們都必須使用藍牙技術規(guī)范中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。完整的藍牙協(xié)議體系結構如圖1所示。當然，不是任何應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，就只需經過基帶協(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)議又可以分為藍牙專有協(xié)議和非專有協(xié)議，這樣區(qū)分主要是在藍牙專有協(xié)議的基礎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)有的各種應用能移值到藍牙上來，如UDP/TCP/IP等。藍牙核心協(xié)議都是藍牙專有的協(xié)議，絕大部分藍牙設備都需要這些協(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)議的基礎上制訂的。選用協(xié)議則主要是各種已經廣泛使用的高層協(xié)議�？傊�，電纜替代協(xié)議、電話控制協(xié)議和選用協(xié)議在核心協(xié)議的基礎上構成了在向應用的協(xié)議。下面，就對各個協(xié)議作一個簡單介紹。
2.1藍牙核心協(xié)議
2.1.1基帶協(xié)議（Baseband）
在說基帶協(xié)議時，我們先來看看藍牙的網絡拓撲結構如圖2所示。它首先由一個個微微網（piconet）構成。一個微微網中，只有一個藍牙設備是主設備（master），但是可以有7個從設備（slave），它們是由3位的MAC地址區(qū)分的。主設備的時鐘和跳頻序列用于同步同一個微微網中的從設備。多個獨立的非同步的微微網又可以形成分布式網絡（scatternet），一個微微網中的主/從設備可以是另外一個微微網中的主/從設備，但是各個微微網通過使用不同的跳頻序列來加以區(qū)分。
基帶協(xié)議就是確保各個藍牙設備之間的物理射頻連接，以形成微微網。藍牙的射頻系統(tǒng)是一個跳頻系統(tǒng)，其任一分組在指定時隙、指定頻率上發(fā)送，它使用查詢（inquiry）和尋呼（page）進程同步不同設備間的發(fā)送頻率和時鐘，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)分組都附有不同級別的前向糾錯（FEC）或循環(huán)冗余校驗（CRC）編碼，并可進行加密，以保證傳輸可靠。此外，對于不同的數(shù)據(jù)類型都會分配一個特殊的信道，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)議負責藍牙各設備間連接的建立。首先，它通過連接的發(fā)起、交換、核實，以進行身份認證和加密等安全措施；其次它通過設備間協(xié)商以確定基帶數(shù)據(jù)分組的大�。涣硗�，它還可以控制無線部分的電源模式和工作周期，以及微微網內各設備的連接狀態(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，可以認為它是與LMP并行工作的，它們的區(qū)別在于當數(shù)據(jù)不經過LMP時，則L2CAP將采用多路技術、分割和重組技術、群提取技術等為上層提供數(shù)據(jù)服務。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服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）
服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議是藍牙技術框架中非常重要的一個部分，它是所有用戶模式的基礎。使用SDP，可以查詢到設備信息和服務類型，之后，藍牙設備之間的連接才能建立。因此，你不能奢望通過藍牙耳機打電話，因為它不能提供這種服務。
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，它在藍牙基帶協(xié)議上仿真RS-232控制和數(shù)據(jù)信號，為使用串行線傳送機制的上層協(xié)議（如OBEX）提供服務。
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，它定義了藍牙設備間建立語音和數(shù)據(jù)呼叫的控制信令，定義了處理藍牙TCS設備群的移動管理進程。
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)的基礎之上，SIG定義了控制多用戶模式下，移動電話、調制解調器和可用于傳真業(yè)務的AT命令集。
2.4選用協(xié)議
2.4.1點對點協(xié)議（PPP）
PPP是IETF（Internet Engineering Task Force）制訂的，在藍牙技術中，它運行于RFCOMM之上，完成點對點的連接。
2.4.2UDP/TCP/IP
UDP/TCP/IP也是由IETF制訂的，是互聯(lián)網通信的基本協(xié)議，在藍牙設備中使用這些協(xié)議，是為了與互聯(lián)網連接的設備進行通信。
2.4.3對象交換協(xié)議（OBEX）
OBEX是IrOBEX是簡寫，是由紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA）制訂的會話層協(xié)議，采用簡單和自發(fā)的方式來交換對象。它提供的基本功能類似于HTTP，在假定傳輸層可靠的基礎上，采用客戶機-服務器模式，而獨立于傳輸機制和傳輸應用程序接口（API）。另外，OBEX專門提供了一個文件夾列表對象，用于瀏覽遠端設備上的文件夾內容。在藍牙目前的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）都是因特網郵件協(xié)會（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，而沒有定義傳輸機制。SIG采用這些已經定義好的規(guī)范，是為了進一步促進個人信息的交互。
2.4.4無線應用協(xié)議（WAP）
WAP是無線應用協(xié)議論壇（WAP Forum）制訂的，它融合了各種廣域無線網絡技術，其目的是將互聯(lián)網內容和電話傳送的業(yè)務傳送到數(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環(huán)境（WAE）開發(fā)的高層應用軟件。關于WAP，請參考無線應用協(xié)議論壇制訂的各項協(xié)議。
3 藍牙技術的一種硬件設計方案
從目前藍牙產品來看，其硬件上都采用了兩塊芯片構成一個芯片組，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成了一個藍牙模塊（Bluetooth Module），可以用于各種藍牙產品之中。
下面就以朗訊公司的W7020和W7400為例，來說明如何構造和使用一個藍牙模塊，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（strobe signals）和W7400接口。這樣它們就構成一個完整的藍牙模塊。W7400最大的特點是包含了一個ARM7TDMI的RISC核，能滿足藍牙1.0的各個協(xié)議棧，并且提供了USB和UART/PCM兩個主機控制器接口（HCI:host controller interface），極大方便了硬件設計。另外，在當今對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，延長電池壽命，特別適合各種便攜設備。
如何使用圖3中W7020和W7400構成的藍牙模塊呢？利用主機控制器接口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。當用UART進行數(shù)據(jù)通信時，藍牙模塊是作為一個數(shù)字電路終端設備（DCE:data circuit-terminal equipment.），其串行傳輸速度可以達到460.8kbit/s。當用PCM進行語音通信時，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）等三種格式，方便了藍牙語音產品的開發(fā)。
�。�2）采用USB方式
這種方式，見圖5所示，是把這個藍牙模塊當作一個USB從設備來和主機通信，它滿足USB1.1規(guī)范，最高速度可以達到12Mbit/s。
可見，采用主機控制器接口HCI，我們可以非常方便地把這個藍牙模塊嵌入到筆記本電腦（notebook）、手持計算機（handheldPC）、移動電話、數(shù)字相機等多種設備（作為host）中，構成各種藍牙產品。當然，要充分利用藍牙這一新技術，使硬件正常工作，還需要各種藍牙協(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，財力和物力。
目前，已經有一些藍牙產品面世，如愛立信和阿爾卡特的藍牙手機等。但是由于現(xiàn)在的藍牙芯片價格較貴，一套芯片組20美元左右，而且不少協(xié)議和應用軟件都還處于開發(fā)、測試階段，因此藍牙產品要普及，必然還有一個過程。有人預測，到2005年，藍牙芯片組價格將降到5美元，藍牙技術也變得更加成熟，那時就是藍牙技術席卷世界的時候。
摘自《電子技術》2001.4
