智能传感器的蓝牙协议栈与SoC结构解析

　　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。

　　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。

　　采用快速确认和跳频技术，以确保链路的稳定。

　　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。

　　采用前向纠错（FEC）技术，抑制长距离链路的随机噪声。

　　数据传输速率为1Mb/s 。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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）。

　　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。

　　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。

　　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