关键词：蓝牙 基带 智能传感器 SoC
引 言
??蓝牙技术是一种无线数据与数字通信的开放性规范。它以低成本、近距离无线连接为基础，为固定与移动设备建立了一种完整的通信方式和技术。蓝牙技术的实质是建立通用无线接口及其控制软件的标准，使移动通信与计算机网络之间能实现无缝连接，由此，为不同厂家生产的便携式设备提供了近距离(10m~100m)范围内的互操作通道。
在工业控制系统和许多应用领域，随着电子技术的发展，目前控制器和传感器已经实现了智能化。在一般的传感器或测试仪表中，大量使用CPU 控制下的数字化技术，因此，许多控制系统或传感器系统已经实现了数字化传输。如果在数字化的控制系统和传感器中嵌入蓝牙技术，则可以实现系统数据和控制命令的无线传输，这对于许多应用领域都是十分重要的。
本文通过对蓝牙协议栈结构的讨论，提出一个嵌入式SoC 器件结构。这个嵌入式SoC器件是一种具有蓝牙通信功能的SoC 器件；SoC 中的CPU 对用户开放，用户可以使用这种结构的SoC 器件实现智能传感器或控制器单元。
1 蓝牙协议栈
蓝牙技术规范1.0 版本作了如下规定。
① 蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(Industrial ，ScientifIC and MeDICal)免付费、免申请的无线电频段。
② 采用快速确认和跳频技术，以确保链路的稳定。
③ 采用二进制调频(FM)技术的跳频收发器，抑制干扰和防止衰落。
④ 采用前向纠错(FEC)技术，抑制长距离链路的随机噪声。
⑤ 数据传输速率为1Mb/s 。
⑥ 采用时分双工传输，其基带协议是电路交换和分组交换的结合。
⑦ 一个跳频频率发送一个同步分组，每个分组占用一个时隙，也可扩展到5个时隙。
⑧ 支持一个异步数据通道，或3个并发的同步语音通道，或一个同时传送异步数据和同步语音的通道。每一个语音通道支持64Kbps 的同步话音。异步通道支持最大速率为721Kbps 、反向应答速率为57.6Kbps 的非对称连接，或者是432.6bps 的对称连接。
目前，工作在2.4GHz 频段上的无线局域网技术中，除了蓝牙技术外，还有IEEE802.11、HomeRF 和红外技术。总的来说，IEEE802.11 比较适合于办公室无线网络，HomeRF 适用于家庭中的移动数据、语音设备等与主机之间的通信，而蓝牙技术则可以应用于任何允许无线方式替代线缆的场合。
在实际应用中，蓝牙技术的应用一般采用嵌入式技术。在应用系统中嵌入蓝牙协议栈，可为系统提供一个透明的无线网络通信层。
蓝牙技术协议栈的设计只有符合蓝牙技术规范的要求，才能实现不同厂家产品的无缝对接。蓝牙技术规范(specification)包括协议(protocol)和应用规范(profile)两个部分。完整的蓝牙协议栈如图1 所示。
协议规范中定义了各功能元素的工作方式，提供了蓝牙技术实现中功能元素间的横向体系结构。应用规范则介绍了实现特定应用模型，描述了各层协议间的协同机制，从而提供了技术实现的纵向体系结构。
蓝牙协议包括核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和选用协议层。
① 核心协议。核心协议包括基带协议、链路管理协议(LMP)、逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)、服务发现协议(SDP)。
② 替代电缆协议。替代电缆协议包括串行电路仿真协议(RFCOMM)，用于实现数据的转换。
③ 电话替代协议。本协议包括二元电话控制规范(TCS Binary)与AT-命令(AT-command)。用于提供音频通信的处理规范和相应的控制命令。
④ 选用协议。选用协议与用户的应用有关，包括点到点协议(PPP)、用户数据报/传输控制协议/互联网协议(UDP 和TCP/IP)、目标交换协议(OBEX)、无线应用协议(WAP)、无线应用环境(WAE)、vCard 、vCal 、红外移动通信(IrMC)。选用协议层的具体内容由应用系统根据需要选择。
除了以上协议层外，蓝牙协议栈中还应包括二个接口：一个是主机控制接口(HCI)，用来为基带控制器、链路控制器以及访问硬件状态和控制寄存器等提供了命令接口；另一个是与基带处理部分直接相连的音频接口，用以传递音频数据。
在蓝牙协议栈中，HCI 以上部分通常用软件实现，包括逻辑链路控制和适配协议L2CAP、串行仿真RFCOMM 、链路管理协议(LMP )、电话替代协议和选用协议；而HCI以下部分则用硬件实现，包括基带协议和链路管理协议(LMP)，这部分也叫作蓝牙协议体系结构中的底层硬件模块。
2 蓝牙核心协议栈硬件电路结构
底层模块是蓝牙技术的核心模块，主要由射频(RF)单元电路、基带层(base band)电路和链路管理层(LMP，Link Manger Protocol)电路组成。
(1)射频(RF)单元
RF单元电路为蓝牙技术提供了通信中的物理层，也叫作蓝牙收发器。通过2.4GHz 的微波，实现数据流的过滤和传输。蓝牙协议提供了有关蓝牙收发器的各项技术指标。
(2)基带层电路
基带层提供了基带数字信号处理硬件，其功能是提供链路控制，因此也叫作基带及链路控制层电路。通过基带层电路，可以建立蓝牙通信网络中的物理链路，从而形成微微网(piconet)。基带层中有两种物理链路，一种是面向连接的同步链路(SCO)，另一种是异步无连接链路(ACL)。此外，基带层还可为语音和数据分组提供不同水平的前向纠错(FEC)或循环冗余度校验(CRC)处理，并可对数据进行加密。同时，基带层电路还为不同类型的数据(包括传输信息数据、链路管理和控制信息)提供特定的信道。
(3)链路管理层(LMP)电路
链路管理层电路也叫作链路管理器电路，功能是提供链路管理通信协议。链路管理协议用来对链路进行设置和控制，并负责建立和撤销各蓝牙设备间的连接、功率控制以及认证和加密，同时还控制蓝牙设备的工作状态(保持hold 、休眠park 、呼吸sniff 和活动active )。链路管理层的主要功能由软件完成，链路管理器电路提供运行于蓝牙设备的处理器中的软件。链路管理器之间的通信协议称为链路管理协议(LMP)。
蓝牙技术整体框架以HCI(Host Controller Interface)为界，区分为硬件模块以及上层软件协议两部分。
蓝牙技术标准中，选择了USB、UART 或是RS232 作为硬件模块与主机间的接口。当蓝牙模块以USB、UART或RS232中的任何一个接口与主机连接时，HCI 接口上层的通信协议由主机负责处理，而HCI 接口下层的通信协议则由模块内的基带层芯片与RF 芯片负责。
根据蓝牙标准，蓝牙系统的基本组成包括天线、收发器、基带控制器。由此可知，在天线、RF收法器和基带控制器的支持下，蓝牙系统的组成可以十分灵活，即可实现多种不同的实现方案。
嵌入式蓝牙系统是将RF和基带部分集成在一块芯片上，单芯片蓝牙硬件模块结构如图2所示。在嵌入式蓝牙器件中，硬件结构可分为链路管理器、链路控制器与RF模块3部分，负责处理LMP层、基带层与RF层的协议。链路管理器内包含处理器(CPU)、内存等组件。链路管理器与基带层芯片合称为链路控制器。RF模块内含RF射频发射组件，与主机相连接的接口位于链路控制器上。
在嵌入式方案中，蓝牙协议的上层软件协议也全部固化在芯片中，芯片通过USB或UART接口与应用系统相连接。由于片内嵌入了CPU，所以，嵌入式蓝牙系统实际上是一个智能终端，适合于任何具有CPU器件的系统。例如，智能传感器中，只要增加一个单芯片蓝牙器件，就可以组成一个以蓝牙为通信方式的传感器。
由图2可知，它由微处理器(CPU)、无线收发器(RF)、基带控制器(BB)、闪存(Flash程序存储器)、通用异步收发器UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)、通用串行接口USB(Universal Serial Bus)及蓝牙测试模块组成。其中蓝牙基带控制器是蓝牙硬件模块的关键模块。其主要功能是在微处理器控制下，实现蓝牙基带部分的所有实时处理功能，包括负责对接收的bit流进行符号定时提取和恢复；分组头及净荷的循环冗余度校验(CRC)，分组头及净荷的前向纠错码FEC处理，加密和解密处理等，且能提供从基带控制器到其它芯片的接口等。CPU一般采用RISC结构的嵌入式微处理器，如ARM7TDMI微处理器，才能满足对蓝牙核心协议的高速处理和大量数据bit流的处理。Flash存储器用于存放基带和链路管理层中的所有协议软件。SRAM作为CPU 的运行空间，在工作时把Flash中的软件调入SRAM中处理。射频收发器负责接收或发送高频的通信信号。UART和USB接口提供到HCI的主机控制器接口传输层的物理连接，是上层协议与蓝牙硬件模块进行通信的通道。蓝牙测试模块主要提供无线层和基带层的认证和一致性规范，同时还管理产品的生产和售后的测试，为可选模块。
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