第１５卷第４期 辽东学院学报（自然科学版） Ｖｏ１．１５ Ｎｏ．４ ２００８年ｌ２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） ＤｅＣ．２ｏｏ８ 【信息科学与工程】 基于单片．１￣ｔ．ａ９蓝牙应用系统的设计 陈 松 （辽东学院信息技术学院，辽宁丹东 １１８００３） 摘要：主要研究蓝牙核心协议，采用主机一主控制器连接模型，利用单片机通过ＵＡＲＴ传输层控制 蓝牙模块，在单片机中嵌入ＨＣＩ协议，自动完成无线连接。利用ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机构成串行鼠标，将鼠 标编码数据经蓝牙系统传输给计算机，实现无线鼠标功能。降低了成本，适用于更多的工业控制设备。在 硬件的实现上，选用爱立信生产的蓝牙模块ＲＯＫ１０１００８，价位较低，性能可靠，蓝牙主芯片选用具有５ｌ 内核的单片机，带有两个ＵＡＲＴ口的Ｃ８０５１Ｆ０２３，简化了电路，增加了整体电路的可靠性。 关键词：蓝牙；核心协议；ＨＣＩ协议 中图分类号：ＴＰ３３４．７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４９３９（２００８）０４—０２１０—０４ 蓝牙是一种短距无线技术规范，它最初的目标 设备。在硬件的实现上，选用爱立信生产的蓝牙模 是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备 块ＲＯＫ１０１００８，价位较低，性能可靠，蓝牙主芯 上的有线电缆连接。由于蓝牙体积小，耗能低，其 片选用具有５１内核的单片机，带有两个ＵＡＲＴ口 应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成于任 的Ｃ８０５１Ｆ０２３，简化了电路，增加了整体电路的可 何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求 靠性 引。 不高的移动设备和便携设备ｕ Ｊ。但是距蓝牙技术 的成功还存在着一定的障碍，其主要表现在以下几 １蓝牙技术发展现状 个方面：（１）因硅半导体价格的昂贵，蓝牙芯片 蓝牙技术从诞生之日在不断的发展和完善，虽 过于昂贵以致一时难以普及。（２）蓝牙协议的实 然在发展中遇到了很多困难，但自蓝牙规范１．０版 现与标准不一致，使硬件的互操作性、软件的互操 推出之后，蓝牙技术的推广与应用得到了迅猛发 作性以及软硬件之间的互操作性不佳。（３）软件 展，目前最新的蓝牙规范版本是２．１＋Ｅｎｈａｎｃｅｄ 开发还难以为蓝牙应用提供完整的解决方案，跨平 Ｄａｔａ Ｒａｔｅ（ＥＤＲ）。 台移植难以实现 Ｊ。 蓝牙技术联盟２００７年３月２８日公布了最新的 现有市场上的蓝牙无线鼠标多为在原有的ＰＣ 蓝牙技术规范：“Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｖｅｒ．２．Ｉ＋Ｅｎｈａｎｃｅｄ 机通过ＵＳＢ口使用蓝牙ｄｏｎｇｌｅ，完成无线鼠标的连 Ｄａｔａ Ｒａｔｅ”，对蓝牙通信连接进行了改进。 接，成本较高，还占用了有限的ＵＳＢ资源。作者 蓝牙是一种个人局域网（ＰＡＮ）无线技术， 主要研究蓝牙核心协议，采用主机一主控制器连接 可以在短距离内实现设备的互相通信，目前已经广 模型，利用单片机通过ＵＡＲＴ传输层控制蓝牙模 泛用于各种ＰＣ和消费电子产品，诸如手机、耳 块，在单片机中嵌入ＨＣＩ协议，自动完成无线连 机、键鼠、打印机等等。 接。利用ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机构成串行鼠标，将鼠 蓝牙技术联盟正在与ＷｉＭｄｉａ联盟合作，计划 标编码数据经蓝牙系统传输给计算机，实现无线鼠 将超宽带技术融入到下一版本的蓝牙规范中，以创 标功能。因此降低了成本，适用于更多的工业控制 造高速蓝牙通道。 收稿日期：２００８—０６—１５ 作者简介：陈松（１９６８一），女，辽宁丹东人，副教授，从事计算机教学与科研工作。 第４期 陈松：基于单片机的蓝牙应用系统的设计 ·２ｌ１· ２蓝牙技术的协议标准和协议规范 的方式进行信息交换的。ＨＣ１分组有三种类型：指 令分组（Ｃｏｍｍａｎｄ Ｐａｃｋｅｔ）、事件分组（Ｅｖｅｎｔ 蓝牙技术规范就是蓝牙无线通信的协议标准， 是由蓝牙特别兴趣小组（ＳＩＣ）制订。它规定了蓝牙 应用产品应遵循的标准和需要达到的要求。到目前 为止，已颁布的蓝牙规范有１．０、１．１、２．０、２．１等 几个版本。 Ｐａｃｋｅｔ）和数据分组（Ｄａｔａ Ｐａｃｋｅｔ）。指令分组只 从主机发向主控制器，事件分组只不过从主机控制 器发向主机，用以说明指令分组的执行情况，数据 分组在主机和主机控制器间双向传输。 ＨＣＩ传输层是指蓝牙主机和蓝牙主机控制器之 蓝牙技术规范包括核心协议（Ｃｏｌｅ）和应用框 架（Ｐｒｏｆｉｌｅ）两个文件。协议规范部分定义了蓝牙 的各层通信协议，应用框架指出了如何采用这些协 议实现具体的应用产品。重点研究蓝牙技术规范中 的核心协议。 协议部分分为四层：第一层为核心协议，包括 Ｂａｓｅｂａｎｄ、ＬＭＰ、Ｌ２ＣＡＰ、ＳＤＰ；第二层为电缆替 代协议层：ＲＦＣＯＭＭ；第三层为电话传送控制协议 层：包括ＴＣＳ、Ｂｉｎａｒｙ、ＡＴ命令集；最后一层为可 选协议：包括ＰＰＰ、ＵＤＰ／ＴＣＰ／ＩＰ、ＯＢＥＸ等。除 上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口 （ＨＣＩ），它为基带控制器、连接管理器、硬件状态 和控制寄存器提供命令接口。 ３核心协议 基带（Ｂａｓｅｂａｎｄ）协议：基带和链路控制层确 保网内各蓝牙设备单元之间由射频构成的物理连 接。 连接管理协议（ＬＭＰ）：连接管理协议 （ＬＭＰ）负责蓝牙各设备间连接的建立。 逻辑链路控制和适配协议（Ｌ２ＣＡＰ）：逻辑链 路控制和适配协议（Ｌｏｇｉｃａｌ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ａｄａｐ— ｒａｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ简称Ｌ２ＣＡＰ），是一个为高层 传输层和应用层协议屏蔽基带协议的适配协议。 服务发现协议（ＳＤＰ）：发现服务在蓝牙技术 框架中起到至关重要的作用，它是所有用户模式的 基础 引。 ４ ＨＣＩ协议 在蓝牙的主机一主控制器连接模型当中，ＨＣＩ 层以上的协议在主机上运行，而ＨＣＩ层以下的协 议由蓝牙主机控制器硬件来完成，它们通过ＨＣＩ 传输层进行通信。主机和主机控制器中都有ＨＣＩ， 它们具有相同的接口标准。 主机和主机控制器之间是通过ＨＣＩ收发分组 间相连的物理接口。目前，蓝牙ＨＣＩ传输层的物 理接口有通用串行总线（ＵＳＢ）、串行端口 （ＲＳ２３２）、通用异步收发器（ＵＡＲＴ）和个人计算 机存储卡国际协会卡（ＰＣ卡）。由于采用的是 ＵＡＲＴ方式，故对之做一详细介绍。ＵＡＲＴ和 ＲＳ２３２传输层都采用串行通信方式在蓝牙设备的主 机控制器接Ｅｌ之间进行数据传输，两者间的区别在 于应用环境。ＵＡＲＴ传输层针对的环境是蓝牙芯片 和主机在同一块印刷电路板上的情况，因此线路误 码相对较少。 ＵＡＲＴ采用了ＲＳ２３２的接口参数设置：波特率 由生产厂商确认；８位数据位；无奇偶校验位；１ 位停止位；流控信号为ＲＳＴ／ＣＴＳ；流关闭响应时 间由生产厂商确定。 ＵＡＲＴ信号线（与ＲＳ２３２相同）将以空调制 解调器（Ｎｕｌｌ—Ｍｏｄｅｍ）的方式相连：本地ＴＸＤ 连到远端ＲＸＤ，本地ＲＴＳ连到远端ＣＴＳ，反之亦 然。 如果主机或主机控制器在通信过程中失去了同 步，则需要进行复位（Ｒｅｓｅｔ）。在主机到主机控制 器的方向发生同步丢失后，主机控制器将发送一个 硬件错误事件（Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｅｒｒｏｒ Ｅｖｅｎｔ）分组通知主 机，然后等待主机发来的复位命令来重新开始同 步。 ５硬件系统的构成 下面的任务是研究蓝牙核心协议，采用主机一 主控制器连接模型，利用单片机通过ＵＡＲＴ传输层 控制蓝牙模块，在单片机中嵌入ＨＣＩ协议，自动 完成无线连接。 主要完成以下性能指标： （１）自动查询周围的蓝牙设备，查询到后自动 寻呼建立无线连接。寻呼响应超时参数设为５．１２ Ｓ，连接超时参数设为５．０６ ｓ。 （２）与Ｐｃ机等智能终端相连，接收执行所传 ２ｌ２· 辽东学院学报（自然科学版） 第ｌ５卷 达的控制命令，接入鼠标后，能将鼠标编码数据分 系统的主芯片选用Ｃ８０５１Ｆ０２３微处理芯片。 与普通单片机相比较，它具有扩展芯片少，连线 段、封装、解析和重组。 （３）自动定时监测链路状态，当远端设备移出 通信范围１０ ｍ或其他原因不再响应通信时及时中 断连接并向终端发送信息。硬件系统框图如图１所 示。 少，资源多，编程简单，升级维护容易等优点，而 且可靠性和稳定性也可得到保证，简化了硬件电路 系统设计。而其具有的片内调试电路，使设计人员 可通过ＪＴＡＧ接口进行非侵人式、全速地在系统调 ／ｖ 在芯片的选择上，选用比较熟悉的８位５ｌ系 列单片机，从便于实现整个系统要求的角度出发， 系统主芯片采用Ｃ８０５１Ｆ０２３。Ｃ８０５１Ｆ０２３单片机是 完全集成的混合信号系统级芯片，具有与８０５１兼 容的高速ＣＩＰ一５１内核，与ＭＣＳ一５１指令集完全 兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模 拟、数字外设及其他功能部件；内置ＦＬＡＳＨ程序 存储器、内部ＲＡＭ；２个ＵＡＲＴ口，从而使电路设 计更加简洁，增强了抗干扰性。 蓝牙模块选用ＲＯＫ１０１００８，是由爱立信生产， 它支持所有的蓝牙协议，带有ＵＡＲＴ数据接口 （最大速率为４６０ ｋｂｐｓ）ＰＣＭ语音接口，射频功率 ０ ｄＢｍ，通过ＦＣＣ与ＥＴＳＩ认证，该芯片没有ＵＳＢ 数据口，只能够完成点对点的连接。因此芯片价格 较低，从而也降低了整个系统的成本。 实现串行鼠标采用的是ＡＴＭＥＬ公司的 ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机，该芯片亦属于５ｌ系列单片机， 内置ＦＬＡＳＨ程序存储器，Ｉ／Ｏ口较少，但用于实 现串行鼠标是够用的，只有２０管脚，易于焊接。 系统由两部分构成：一是嵌人了蓝牙ＨＣＩ协 议的蓝牙系统；一是由单片机构成的符合串行鼠标 标准的鼠标模块。 ６蓝牙系统的硬件构成 系统由嵌入了蓝牙协议的单片机通过串口实现 对蓝牙模块的控制，完成数据的收发处理ＩＳ］。蓝 牙系统电路图如图２所示。下面对其所用主要器件 作简要介绍。 试。 图２蓝牙系统电路图 ６．１蓝牙模块 蓝牙模块ＲＯＫ１０１００８是爱立信公司生产的一 种可代替电缆完整蓝牙多芯片模块方案。该模块设 计用于各种便携产品和电子器件。它支持ＰＣＭ、 ＵＡＲＴ、Ｉ２Ｃ等业界协议，提供扩展的Ｉ／Ｏ支持功 能。具有声音和数据传输的功能，能够实现点对点 的连接。该蓝牙模块符合蓝牙规范１．１，其接收器 最大输入电平为＋１３ ｄＢｍ，动态范围广，能确保 发送器可靠进行通信。它具有二级（ｃｌａｓｓ２，０ ｄＢｍ）输出功率，传送功率为０ ｄＢｍ，ＵＡＲＴ口最 大数据流为４６０ ｋｂｐｓ，可在射频密集的环境下运 行。并通过了ＦＣＣ／Ｅ１’ＳＴ类型认证。蓝牙模块主要 包括三个主要部分：基带控制器、闪存和工作在全 球通用２．４Ｇ一２．５Ｇ Ｈｚ的ＩＳＭ频段的射频模块。 ６．２单片机和蓝牙模块的连接 单片机使用２２．１１８４ＭＨＺ的晶振，这样，单片 机和蓝牙模块间的通信速率是５７ ６００ ｂｐｓ，和ＰＣ 机串口间的通信速率是１ ２００ ｂｐｓ（满足串鼠标标 准）。单片机在整个系统中起着主机的作用，它和 蓝牙模块之间的消息和数据的传递必须通过主机控 制器口（ＨＣＩ）的解释才能实现Ｌ６ Ｊ。ＨＣＩ有两部分 组成：用来连接蓝牙模块和主机的物理硬件（ＨＣＩ 传输层）和实现命令接口的软件。 蓝牙规范定义了三个ＨＣＩ传输层：ＵＳＢ传输 第４期 陈松：基于单片机的蓝牙应用系统的设计 ·２ｌ３· 层，ＲＳ２３２传输层和ＵＡＲＴ传输层。ＵＡＲＴ传输层 成功实现对蓝牙模块的ＨＣＩ驱动后，建立了点对 所针对的环境是主控制器和主机位于同一个电路板 点的蓝牙系统。在此基础上实现无线鼠标功能就很 上的情况，这时的连接错误相对较少，可以根据分 容易了。即将鼠标的按键与移动信息按鼠标串行协 组中参数长度字段中的数据值来检查错误并采用简 议发送给蓝牙系统，再由蓝牙系统无线传输给ＰＣ 单的复位恢复机制实现失步时的复步。因为两端都 机。在ＨＣＩ驱动上选取采用了ＵＡＲＴ传输层，这 处于同一块电路板上因而传输层不需要规定电气信 样避开了蓝牙规范关于ＲＳ２３２传输层所要求的较 号，大多数情况下采用１－ｒＬ电平，另外也不需要 繁琐的协商和同步机制。 定义波特率协商机制。考虑到应用中应尽量保持系 这里实现的并不是真正意义上的鼠标产品，从 统的紧凑，主机多是与主机控制器位于同一实体， 有关资料获息Ｂｒｏａｄｃｏｍ公司新推出了一款专门用 因而采用了ＵＡＲＴ传输层，这样事实上也避开了 于实现无线鼠标和键盘的蓝牙芯片，全面使用后， ＲＳ２３２传输层所要求的较繁琐的协商和同步机制。 蓝牙鼠标和键盘的成本将会大大降低。在将来的研 使用ＲＴＳ／ＣＴＳ进行流量控制，是为了避免临 究中可以采用这种芯片实现真正的蓝牙产品。设计 时的ＵＡＲＴ缓冲器溢出，它不是用于ＨＣＩ的流量 的意义在于找到了利用单片机控制蓝牙芯片的方 控制，因为ＨＣＩ具有自己的流量控制机制来对ＨＣＩ 法。 命令、ＨＣＩ事件和ＨＣＩ数据进行控制。 参考文献： ＨＣＩ的实现包括两部分：用以连接蓝牙模块和 ［１］马建仓，罗亚军，赵玉亭．蓝牙核心技术及应用［Ｍ］． 主机的物理硬件和实现命令接口的软件。物理硬件 北京：科学出版社，２００３：１—３，５—７． 的具体实现即主机与蓝牙模块问ＵＡＲＴ传输层的配 ［２］赵晖，赵岩．应用蓝牙技术组建无线局域网［Ｊ］．天津 通信技术，２００４（３）：１． 置如前所述。ＨＣＩ软件部分包括蓝牙模块内嵌的 ［３］刘立，谢剑斌，卢力，等．基于ＨＩＤ的ＵＳＢ接口技术 ＨＣＩ固件和主机方的ＨＣＩ驱动程序。在此就不再 研究［Ｊ］．计算机工程与科学，２００３（５）：８２—８５． 赘述。 ［４］郑之光，杨红丽，卫耀辉，等．蓝牙Ｌ２ＣＡＰ协议的功能 及应用分析［Ｊ］．数据通信，２００２，（１）：３８—４２． ７结语 ［５］王卫江．Ｐｃ机与单片机间通信程序的实现［Ｊ］．电子 通过对蓝牙协议体系的研究，特别是对蓝牙核 产品世界，２００２，（３）：３９—４２． ［６］牟瑛．单片机实现大容量数据存贮［Ｊ］．辽东学院学 心协议的分析领会，从而设计出基于单片机的蓝牙 报：自然科学版，２００７，１４（２）：９２—９３． 。 应用系统。以期为低成本介入蓝牙应用开发尝试一 （责任编辑：龙海波） 种方法和思路。 重点选在主机控制器接口（ＨＣＩ）的实现，在 Ａ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍｏｕｓｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ＣＨＥＮ Ｓｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉａｏｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｎｄｏｎｇ １１８００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｏｆ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｗｉｔｈ ａ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｈｏｓｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｍｏｄｕｌｅ ｗａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ａ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ＵＡＲＴ ｔｒａｎｓｐｏ￣ｌａｙｅｒ，ｔｈｅｒｅｂｙ ｔｈｅ ＨＣＩ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｗａｓ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅ ｓｅ— ｉｔｅｓ ｍｏｕｓｅ ｗａｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ａｎ ＡＴ８９Ｃ２０５ １ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｕｓｅ ｃｏｄｅｓ ｗｅｒｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ａ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｂｙ ｔｈｅ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｒｅｂｙ ｆｏｒｍｅｄ ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｍｏｄｕｌｅ ｗａｓ Ｅｒｉｃｓｓｏｎ ＲＯＫＩＯ１００８ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｐｒｉｃｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｔｈｅ ｍａｉｎ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｃｈｉｐ ｗａｓ ｔｈｅ Ｃ８０５ １ Ｆ０２３ ｗｈｏ ｈａｄ ５ １ ｃｏｒｅｓ ａｎｄ ｔｗｏ ＵＡＲＴ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｃｈｅａｐ，ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ；ｃｏｒｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ＨＣＩ ｐｒｏｔｏｃｏｌ
