基于嵌入式Linux藍(lán)牙HCI協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)

王孟柳，陳和平，?？》?，劉 夏

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

藍(lán)牙是專為滿足人們在個(gè)人操作空間范圍的無線互聯(lián)而設(shè)計(jì)的，它采用調(diào)頻技術(shù)使處于個(gè)人操作空間的設(shè)備形成一個(gè)無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間可移動的，自動的互聯(lián)。以“無線替代電纜”正是藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)的初衷，同時(shí)也是藍(lán)牙最基本的用途。當(dāng)然，短距離無線通信有很多種，還包括IrDA、IEEE802.11系列無線局域網(wǎng)、HomeRF、UWB等，但是藍(lán)牙技術(shù)以其低成本、低功耗、高速率以及標(biāo)準(zhǔn)的全球通用性成為發(fā)展最快，市場推廣最成功的短距離無線通信技術(shù)[1]。

藍(lán)牙技術(shù)是一種低功耗的短距離無線通信技術(shù)，它作為無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放標(biāo)準(zhǔn)，旨在取代現(xiàn)有的PC機(jī)，打印機(jī)，移動電話等相關(guān)設(shè)備上的連線。目前包括大多數(shù)著名IT企業(yè)和通信公司在內(nèi)的藍(lán)牙SIG，已經(jīng)推出了很多藍(lán)牙產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)品化。

1 藍(lán)牙協(xié)議棧

實(shí)現(xiàn)各個(gè)藍(lán)牙設(shè)備間的通信，僅有底層的藍(lán)牙硬件是不夠的，還必須有藍(lán)牙協(xié)議棧的支持。藍(lán)牙協(xié)議棧運(yùn)行在中央處理器之上，主要管理和分配系統(tǒng)資源，控制相關(guān)硬件，對通過HCI層的命令進(jìn)行處理，完成藍(lán)牙功能[2]。由于協(xié)議找中底層的一些協(xié)議比如LMP等已經(jīng)固化在硬件中，高層的協(xié)議如PPP、TCP/IP也已經(jīng)存在?？梢灾苯討?yīng)用，所以需要實(shí)現(xiàn)的是給主機(jī)提供HCI的接口、驅(qū)動程序、L2CAP層、RFCOMM、SDP功能等協(xié)議棧的中間層部分。

整個(gè)藍(lán)牙協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)分為藍(lán)牙底層協(xié)議、中間層協(xié)議和高端應(yīng)用層3部分[3]，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of Bluetooth protocol stack

射頻層（RF），基帶層（BB）和鏈路管理層（LM）屬于藍(lán)牙底層的硬件模塊，它是藍(lán)牙技術(shù)的核心，是任何藍(lán)牙設(shè)備都不可少的部分。

中間協(xié)議層主要包括邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP），服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP），串口仿真協(xié)議（RFCOMM）和電話控制規(guī)范（TCS）。

在藍(lán)牙協(xié)議棧的頂層是高端應(yīng)用層，它相當(dāng)于各種應(yīng)用的模型的profile，是profile的一部分。我們可根據(jù)具體應(yīng)用的模型的不同，選擇需要的現(xiàn)有高層協(xié)議。目前可以選用的高端應(yīng)用層協(xié)議主要包含：TCP/UDP/IP協(xié)議，點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議（PPP），無線應(yīng)用協(xié)議（WAP），對象交換協(xié)議（OBEX）等。

2 HCI協(xié)議剖析

2.1 主機(jī)控制器接口（HCI）簡介

為了使不同廠商的非集成藍(lán)牙模塊之間能夠互通，SIG定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口與藍(lán)牙模塊中的主機(jī)控制器進(jìn)行通信，同時(shí)還定義了一個(gè)事務(wù)性通信協(xié)議，用于在主機(jī)和主機(jī)控制器之間消息的傳送。這種主機(jī)和主機(jī)控制器間的標(biāo)準(zhǔn)接口和它們之間相應(yīng)的通信協(xié)議一起被稱為主機(jī)控制器接口（HCI）。

主機(jī)控制器接口（HCI）為上層協(xié)議提供了一個(gè)獨(dú)立于硬件實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)接口[4]。它主要包括兩個(gè)部分，在主機(jī)中運(yùn)行的驅(qū)動程序和在硬件中運(yùn)行的固件，二者之間通過傳輸層進(jìn)行通信。目前，藍(lán)牙支持的傳輸層主要包括HCI USB傳輸層，HCI RS232傳輸層，HCI UART傳輸層，HCI SD傳輸層。

圖2對軟件層底層進(jìn)行了概述。HCI固件通過對鏈路管理器，硬件狀態(tài)注冊器，控制注冊器，事件注冊器等的訪問來執(zhí)行藍(lán)牙硬件的基帶命令。在主機(jī)中的HCI驅(qū)動程序和藍(lán)牙硬件中的HCI固件間存在許多層次。這些中間層提供了在不需要了解數(shù)據(jù)信息的情況下傳輸數(shù)據(jù)的能力。

從圖2可以看出，HCI驅(qū)動程序并不能直接對底層硬件進(jìn)行操作，而只能利用相應(yīng)硬件的驅(qū)動程序所提供的服務(wù)來的操縱硬件。

圖2 藍(lán)牙協(xié)議棧底層概述Fig.2 Bottom overview of Bluetooth protocol stack

2.2 HCI分組類型

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)定義了3種不同的HCI分組類型：命令分組（Command packer）、事件分組（Event packet）和數(shù)據(jù)分組（Data packet）[5-6]。HCI分組通過HCI傳輸層進(jìn)行傳輸。如圖3所示，HCI命令分組用于主機(jī)向主機(jī)控制器發(fā)送控制和管理信息，包括設(shè)置藍(lán)牙模塊的操作狀態(tài)以及寄存器的讀寫。HCI事件分組是主機(jī)控制器向主機(jī)發(fā)送的信息，用于通知藍(lán)牙模塊底層狀態(tài)的變化。HCI數(shù)據(jù)分組用于在主機(jī)和主控制器之間傳輸語音（SCO分組）和數(shù)據(jù)（ACL分組）信息。

圖3 HCI分組的三種類型Fig.3 Three types of HCI subgroups

2.3 HCI USB傳輸層

USB是由“通用串行總線實(shí)施論壇”組織公開發(fā)表、推廣的一種串行接口標(biāo)準(zhǔn)。USB主要用于連接中低檔外設(shè)，其傳輸速率最高可達(dá)12 Mbit/s。最高可連接127個(gè)設(shè)備。圖4所示是USB作為藍(lán)牙無線模塊與主機(jī)傳輸層接口時(shí)，主機(jī)棧與藍(lán)牙棧的配置情況。

圖4 主機(jī)和藍(lán)牙無線模塊之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the host and Bluetooth wireless module

USB設(shè)備可看作高速設(shè)備。其固件配置由兩個(gè)接口組成。第一個(gè)接口為固定設(shè)置，并包含BULK和中斷終端。第二個(gè)接口提供可擴(kuò)展的同步帶寬占用方式。該接口方式提供四種設(shè)置，以提供基于同步帶寬需求的占用方式。其缺省接口為空，以使設(shè)備能夠支持非同步帶寬。

一個(gè)HCI幀，包含一個(gè)HCI頭和HCI數(shù)據(jù)，應(yīng)包含于一USB事物中。此USB事物中為一個(gè)或多個(gè)包含I/O請求數(shù)據(jù)的USB幀。例如，包含256字節(jié)的ACL數(shù)據(jù)分組將在I/O請求中通過BULK終端發(fā)送。該I/O請求將需要4個(gè)64字節(jié)的USB幀，并組成一個(gè)事務(wù)。

3 硬件實(shí)現(xiàn)

大多數(shù)藍(lán)牙芯片主要實(shí)現(xiàn)了如下3層：無線層、基帶層和鏈路管理層。無線層主要完成頻率的合成、bit到符號的轉(zhuǎn)換和過濾，以及符號的收發(fā)操作；基帶層主要完成編碼/解碼、加密/解密、分組處理和調(diào)頻頻率的生成和選擇；鏈路管理層主要完成鏈接的建立和鏈路的管理。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

本方案使用的是英國CSR （Cambridge Silicon Radio）提供的單芯片藍(lán)牙模塊BlueCore2-Extern。BlueCore2-Extern主要由 MCU、DSP、RAM、ROM、I/O 和一個(gè) 2.4 GHz的無線收發(fā)器組成。

圖5 藍(lán)牙核心HCI棧Fig.5 Bluetooth core HCI stack

BlueCore2-Extern總共提供了4種硬件接口，UART接口、SPI接口、USB接口和PCM話音接口。本方案使用的是USB接口和PCM話音接口，BlueCore2-Extern通過USB接口與主機(jī)控制器的USB接口相連，傳輸HCI命令、HCI事件和ACL數(shù)據(jù)傳輸[7-8]。

對于天線，考慮到結(jié)構(gòu)簡單和制作成本的問題，在目前已有的偶級天線、倒F型天線、折線天線以及微小型陶瓷天線等類型中，本方案選用了折線天線。折線天線的長度很難預(yù)測，由折線天線確切的幾何形狀和對地的距離決定，一般比四分之一波長略長。在本方案中我們選用的PCB折線天線印制在頂層，地平面也在頂層，并且位于貼近天線的位置。

無論是以上哪種天線，均采用50 Ω的輸入阻抗與BlueCore2-Extern的ANT端相連。理想狀態(tài)下，微帶線的特征阻抗Z0閉合算式為：

W表示線寬，h表示高度，εre表示介電常數(shù)，η表示該天線的發(fā)射效率。硬件實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 硬件實(shí)物圖Fig.6 Hardware diagram

4 HCI驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

Linux的一個(gè)特點(diǎn)就是把所有的東西都看作是文件。而設(shè)備驅(qū)動程序在Linux中扮演一個(gè)非常重要的角色，幾乎所有系統(tǒng)可用的設(shè)備都需要各自的驅(qū)動程序來協(xié)助訪問。驅(qū)動程序運(yùn)行于內(nèi)核空間，用戶空間的應(yīng)用程序通過文件系統(tǒng)中/dev/目錄下的一個(gè)相對應(yīng)的文件來和它交互。

本課題采用的是基于USB端口的藍(lán)牙適配器。對于一個(gè)USB的設(shè)備驅(qū)動來說，它必須實(shí)現(xiàn)若干個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)定義好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這些數(shù)據(jù)通常用于向內(nèi)核進(jìn)行某種注冊。

首先第一個(gè)是usb_driver結(jié)構(gòu)體，它的定義如下：

這個(gè)結(jié)構(gòu)體將用于向系統(tǒng)注冊新的USB驅(qū)動程序和該驅(qū)動所支持的設(shè)備的ID。當(dāng)設(shè)備接入系統(tǒng)后，內(nèi)核通過注冊的id_table確定對應(yīng)的驅(qū)動程序，并調(diào)用該驅(qū)動的probe函數(shù)。而當(dāng)設(shè)備與主機(jī)斷開連接時(shí)，相應(yīng)的disconnect函數(shù)就會被調(diào)用。

因?yàn)槲闹幸瓿傻尿?qū)動需要在文件系統(tǒng)中創(chuàng)建相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，所有還需要用到另外兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，sub_class_driver和file_operations，定義如下：

usb_class_driver結(jié)構(gòu)用于向系統(tǒng)注冊映射到/dev/目錄下的文件節(jié)點(diǎn)，所以它需要一個(gè)次設(shè)備號的起始值。對于USB設(shè)備來說，usb_class_driver結(jié)構(gòu)體為我們提供了注冊節(jié)點(diǎn)和文件操作函數(shù)。所以，它還包括了一個(gè)文件操作結(jié)構(gòu)指針和一個(gè)名字。

HCI驅(qū)動的具體流程圖如圖7所示。HCI接口采用事件驅(qū)動的工作方式，主機(jī)發(fā)送命令，藍(lán)牙主控芯片以事件方式返回結(jié)果，主機(jī)分析所返回事件以確定下一個(gè)命令[9-10]。HCI接口采用數(shù)據(jù)包的方式，主要使用了其中3種：命令包，事件包和ACL數(shù)據(jù)包。

5 測試結(jié)果

將編譯好的HCI驅(qū)動模塊移植到arm開發(fā)板并加載，和一般的模塊一樣，可以選擇使用自動加載或手工加載，這里采用手工加載。成功加載好HCI驅(qū)動后，將USB藍(lán)牙模塊接入arm開發(fā)板，啟動藍(lán)牙設(shè)備。具體信息如圖8所示。

由圖 8 可知，該藍(lán)牙設(shè)備的地址為 00：1F：81：00：01：1C，error為0，所以藍(lán)牙設(shè)備啟動成功。

6 結(jié)束語

圖7 HCI驅(qū)動流程Fig.7 HCI driving process

圖8 測試結(jié)果Fig.8 Test result

文中選擇以主機(jī)控制器接口為突破口對藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行了較為深入的分析，在此基礎(chǔ)上針對HCI協(xié)議進(jìn)行了流程分析和接口設(shè)計(jì)。HCI是實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙協(xié)議棧時(shí)必須實(shí)現(xiàn)的一個(gè)部分，它的實(shí)現(xiàn)對于在具體硬件基礎(chǔ)上自主靈活地構(gòu)建藍(lán)牙協(xié)議棧、開發(fā)藍(lán)牙應(yīng)用起著決定性的作用。從測試結(jié)果看，本文設(shè)計(jì)的HCI驅(qū)動程序在arm開發(fā)板平臺上成功的驅(qū)動了藍(lán)牙模塊，通過所設(shè)計(jì)的HCI協(xié)議，使得PC主機(jī)與arm開發(fā)板之間能夠通過藍(lán)牙設(shè)備建立無線連接，查看對方設(shè)備信息和傳輸ACL數(shù)據(jù)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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