基于嵌入式Linux藍牙HCI協(xié)議的研究與實現(xiàn)

王孟柳，陳和平，祝俊峰，劉 夏

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081）

藍牙是專為滿足人們在個人操作空間范圍的無線互聯(lián)而設計的，它采用調(diào)頻技術使處于個人操作空間的設備形成一個無線個人區(qū)域網(wǎng)絡，真正實現(xiàn)設備之間可移動的，自動的互聯(lián)。以“無線替代電纜”正是藍牙技術開發(fā)的初衷，同時也是藍牙最基本的用途。當然，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，但是藍牙技術以其低成本、低功耗、高速率以及標準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[1]。

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

1 藍牙協(xié)議棧

實現(xiàn)各個藍牙設備間的通信，僅有底層的藍牙硬件是不夠的，還必須有藍牙協(xié)議棧的支持。藍牙協(xié)議棧運行在中央處理器之上，主要管理和分配系統(tǒng)資源，控制相關硬件，對通過HCI層的命令進行處理，完成藍牙功能[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。可以直接應用，所以需要實現(xiàn)的是給主機提供HCI的接口、驅動程序、L2CAP層、RFCOMM、SDP功能等協(xié)議棧的中間層部分。

整個藍牙協(xié)議的體系結構分為藍牙底層協(xié)議、中間層協(xié)議和高端應用層3部分[3]，具體結構如圖1所示。

圖1 藍牙協(xié)議棧體系結構Fig.1 System structure of Bluetooth protocol stack

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

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）。

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

2 HCI協(xié)議剖析

2.1 主機控制器接口（HCI）簡介

為了使不同廠商的非集成藍牙模塊之間能夠互通，SIG定義了一個標準接口與藍牙模塊中的主機控制器進行通信，同時還定義了一個事務性通信協(xié)議，用于在主機和主機控制器之間消息的傳送。這種主機和主機控制器間的標準接口和它們之間相應的通信協(xié)議一起被稱為主機控制器接口（HCI）。

主機控制器接口（HCI）為上層協(xié)議提供了一個獨立于硬件實現(xiàn)的標準接口[4]。它主要包括兩個部分，在主機中運行的驅動程序和在硬件中運行的固件，二者之間通過傳輸層進行通信。目前，藍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)行藍牙硬件的基帶命令。在主機中的HCI驅動程序和藍牙硬件中的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驅動程序并不能直接對底層硬件進行操作，而只能利用相應硬件的驅動程序所提供的服務來的操縱硬件。

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

2.2 HCI分組類型

藍牙標準定義了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傳輸層進行傳輸。如圖3所示，HCI命令分組用于主機向主機控制器發(fā)送控制和管理信息，包括設置藍牙模塊的操作狀態(tài)以及寄存器的讀寫。HCI事件分組是主機控制器向主機發(fā)送的信息，用于通知藍牙模塊底層狀態(tài)的變化。HCI數(shù)據(jù)分組用于在主機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“通用串行總線實施論壇”組織公開發(fā)表、推廣的一種串行接口標準。USB主要用于連接中低檔外設，其傳輸速率最高可達12 Mbit/s。最高可連接127個設備。圖4所示是USB作為藍牙無線模塊與主機傳輸層接口時，主機棧與藍牙棧的配置情況。

圖4 主機和藍牙無線模塊之間的關系Fig.4 Relationship between the host and Bluetooth wireless module

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

一個HCI幀，包含一個HCI頭和HCI數(shù)據(jù)，應包含于一USB事物中。此USB事物中為一個或多個包含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64字節(jié)的USB幀，并組成一個事務。

3 硬件實現(xiàn)

大多數(shù)藍牙芯片主要實現(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。實現(xiàn)結構如圖5所示。

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

圖5 藍牙核心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，考慮到結構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。硬件實物圖如圖6所示。

圖6 硬件實物圖Fig.6 Hardware diagram

4 HCI驅動程序設計

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

本課題采用的是基于USB端口的藍牙適配器。對于一個USB的設備驅動來說，它必須實現(xiàn)若干個系統(tǒng)已經(jīng)定義好的數(shù)據(jù)結構。這些數(shù)據(jù)通常用于向內(nèi)核進行某種注冊。

首先第一個是usb_driver結構體，它的定義如下：

這個結構體將用于向系統(tǒng)注冊新的USB驅動程序和該驅動所支持的設備的ID。當設備接入系統(tǒng)后，內(nèi)核通過注冊的id_table確定對應的驅動程序，并調(diào)用該驅動的probe函數(shù)。而當設備與主機斷開連接時，相應的disconnect函數(shù)就會被調(diào)用。

因為文中要完成的驅動需要在文件系統(tǒng)中創(chuàng)建相應節(jié)點，所有還需要用到另外兩個數(shù)據(jù)結構，sub_class_driver和file_operations，定義如下：

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

HCI驅動的具體流程圖如圖7所示。HCI接口采用事件驅動的工作方式，主機發(fā)送命令，藍牙主控芯片以事件方式返回結果，主機分析所返回事件以確定下一個命令[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 測試結果

將編譯好的HCI驅動模塊移植到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驅動后，將USB藍牙模塊接入arm開發(fā)板，啟動藍牙設備。具體信息如圖8所示。

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

6 結束語

圖7 HCI驅動流程Fig.7 HCI driving process

圖8 測試結果Fig.8 Test result

文中選擇以主機控制器接口為突破口對藍牙協(xié)議進行了較為深入的分析，在此基礎上針對HCI協(xié)議進行了流程分析和接口設計。HCI是實現(xiàn)藍牙協(xié)議棧時必須實現(xiàn)的一個部分，它的實現(xiàn)對于在具體硬件基礎上自主靈活地構建藍牙協(xié)議棧、開發(fā)藍牙應用起著決定性的作用。從測試結果看，本文設計的HCI驅動程序在arm開發(fā)板平臺上成功的驅動了藍牙模塊，通過所設計的HCI協(xié)議，使得PC主機與arm開發(fā)板之間能夠通過藍牙設備建立無線連接，查看對方設備信息和傳輸ACL數(shù)據(jù)，達到了預期的效果。

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