便攜式無線數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì).doc

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1、安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 便攜式無線數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì) 摘要 本文主要研究凌陽(yáng)單片機(jī)與藍(lán)牙技術(shù)在數(shù)據(jù)采集與傳輸方面融合的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。首先，論文對(duì)凌陽(yáng)單片機(jī)原理和應(yīng)用作了簡(jiǎn)要介紹。其次，對(duì)藍(lán)牙協(xié)議棧中的基帶協(xié)議、主機(jī)控制接口協(xié)議(HCI)、邏輯鏈路控制協(xié)議與適配協(xié)議(L2CAP)以及它們的軟硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了重點(diǎn)分析與研究。再次，提出了實(shí)現(xiàn)HCI的方案，具體對(duì)HCI功能規(guī)范進(jìn)行說明，提供了系統(tǒng)流程、軟件接口、硬件接口和軟件模塊等的說明以及系統(tǒng)軟硬件的具體實(shí)現(xiàn)方法。最后基于以上研究，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)硬件電路圖，并對(duì)電路圖中各個(gè)模塊進(jìn)行描述，結(jié)合硬件電路給出系統(tǒng)運(yùn)作的流程圖。在數(shù)據(jù)采集

2、技術(shù)上，采用溫度傳感器DS18B20對(duì)溫度信號(hào)實(shí)時(shí)采集。在無線傳輸技術(shù)上，采用基于日立萬勝藍(lán)牙模塊MBM02的藍(lán)牙技術(shù)，在SPCE061A單片機(jī)與藍(lán)牙模塊硬件連接上采用UART口進(jìn)行軟硬件融合。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；藍(lán)牙技術(shù)；無線數(shù)據(jù)傳輸；SPCE061A；HCI；MBM02藍(lán)牙模塊；數(shù)據(jù)采集；UART； PORTABLE WIRELESS DATA COLLECTION TERMINAL DESIGN ABSTRACT This paper studies Sunplus MCU and Bluetooth te

3、chnology in data acquisition and transmission integration of applications to achieve data transmission based on Bluetooth protocol.First, the paper Sunplus SCM theory and application are briefly introduced.Secondly, the Bluetooth protocol stack in the baseband protocol, host control interface protoc

4、ol (HCI), Logical Link Control and Adaptation Protocol protocol (L2CAP) and their realization of the key hardware and software analysis and research.Again put forward proposals to achieve HCI, HCI functional specification for specific instructions on providing a system process, software interfaces,

5、hardware interfaces and software modules such as a description of the specific hardware and software realization.Finally, based on these studies, designed hardware circuit, and circuit description of the various modules, combined with operation of the system hardware circuit diagram are given.In dat

6、a acquisition technology, using temperature sensor DS18B20 real-time acquisition of the temperature signal.In wireless transmission technology, Hitachi Maxell Bluetooth module based on Bluetooth technology MBM02 in SPCE061A MCU hardware module with Bluetooth connection using UART port for software a

7、nd hardware integration. KEYWORDS：SCM；Bluetooth technology；Wireless data transmission；SPCE061A；HCI；MBM02 Bluetooth module；data collection；UART； 目錄 1 緒論 - 1 - 1.1 無線數(shù)據(jù)采集概述 - 1 - 1.2 藍(lán)牙技術(shù)概況 - 1 - 1.3 本文結(jié)構(gòu) - 2 - 2 凌陽(yáng)單片機(jī)及其原理 - 4 - 2.1 凌陽(yáng)單片機(jī)簡(jiǎn)介 - 4 - 2.1.1 8位單片機(jī) - 4 - 2.1.2 16

8、位單片機(jī) - 4 - 2.2 SPCE061A內(nèi)核的硬件結(jié)構(gòu) - 5 - 2.2.1 寄存器組 - 7 - 2.2.2 數(shù)據(jù)總線和地址總線 - 8 - 2.2.3 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU - 8 - 2.2.4 堆棧 - 8 - 2.2.5 中斷 - 8 - 2.3 SPCE061A的片內(nèi)存儲(chǔ)器 - 9 - 2.4 SPCE061A的片內(nèi)外設(shè)部件 - 10 - 2.4.1 并行I/O及其功能擴(kuò)展 - 10 - 2.4.2 時(shí)鐘系統(tǒng) - 10 - 2.4.3 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 - 11 - 2.4.4 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入接口 - 11 - 2.4.5 SPCE061A最小系統(tǒng)

9、 - 12 - 3 藍(lán)牙規(guī)范協(xié)議 - 13 - 3.1 基帶協(xié)議 - 14 - 3.1.1 藍(lán)牙通信過程 - 14 - 3.1.2 微微網(wǎng) - 15 - 3.1.3 ACL和SCO鏈路 - 16 - 3.1.4 藍(lán)牙基帶分組 - 16 - 3.1.5 藍(lán)牙設(shè)備地址 - 17 - 3.2 鏈路管理層 - 18 - 3.3 主機(jī)控制接口層 - 18 - 3.4邏輯鏈路控制與適配層 - 19 - 3.5 中間件協(xié)議層 - 20 - 4 主機(jī)控制接口功能規(guī)范 - 21 - 4.1 HCI概述 - 21 - 4.2 HCI流控 - 22 - 4.3 HCI指令和事件 - 2

10、3 - 4.4 藍(lán)牙UART傳輸層 - 27 - 5 數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)脑O(shè)計(jì) - 29 - 5.1 硬件原理框圖 - 29 - 5.2 電路中模塊的設(shè)計(jì) - 29 - 5.2.1 日立萬勝藍(lán)牙模塊MBM02 - 29 - 5.2.2 溫度傳感器DS18B20模塊 - 32 - 5.2.3 電源管理模塊 - 33 - 5.2.4 凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A - 34 - 5.3 軟件電路設(shè)計(jì) - 35 - 5.3.1 溫度信號(hào)的采集 - 35 - 5.3.2 片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換 - 36 - 5.3.3 UART口數(shù)據(jù)傳輸 - 37 - 5.3.4 藍(lán)牙點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信 - 38 -

11、 總結(jié) - 40 - 參考文獻(xiàn) - 41 - 附錄 - 42 - 致謝 - 44 - - 47 - 1 緒論 1.1 無線數(shù)據(jù)采集概述 數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要組成部分，信息技術(shù)的核心是信息獲取、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)，常被稱為3C技術(shù)（即Collection, Communication and Computer），其中信息獲取是基礎(chǔ)和前提。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息獲取的主要手段，它廣泛應(yīng)用于信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理、儀器儀表等領(lǐng)域。近年來隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)

12、的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)也呈現(xiàn)出速度更高、通道更多、數(shù)據(jù)量更大的發(fā)展態(tài)勢(shì)，其主要體現(xiàn)就是數(shù)據(jù)采集器的迅速發(fā)展。 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出等外為接口性能的不斷提高，體積越來越小，價(jià)格越來越低，使數(shù)據(jù)采集器不斷向智能化、集成化、小型化方向發(fā)展，現(xiàn)在己經(jīng)出現(xiàn)了單片的數(shù)據(jù)采集器，例如本課題所要講述的基于凌陽(yáng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和無線傳輸技術(shù)的融合。 通信技術(shù)也是信息科學(xué)的一個(gè)重要方面，近幾年來隨著計(jì)算機(jī)、信息處理與存儲(chǔ)等技術(shù)的日益精湛，通信技術(shù)也得到迅速的發(fā)展。采用通信技術(shù)來傳輸信息在現(xiàn)代社會(huì)是十分流行和重要的，它己經(jīng)變成人們生活和工作的必需，社會(huì)發(fā)展的重要

13、工具。特別是數(shù)字通信，推動(dòng)了數(shù)字化社會(huì)的形成，使人們進(jìn)入信息化社會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。 通信技術(shù)的發(fā)展首先是從任何信息的二進(jìn)制數(shù)字傳輸開始的，最有名的是電報(bào)。由于電報(bào)的生成比較復(fù)雜，不易普及到個(gè)人、家庭和一般的辦公室，社會(huì)的需要推動(dòng)了電話的發(fā)明。開始時(shí)出現(xiàn)有線電話，直接到達(dá)家庭、辦公室，以及一些公共場(chǎng)合，與此同時(shí)，電報(bào)不斷向自動(dòng)化發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的電傳機(jī)。隨著真跡傳遞的需要，開發(fā)了傳真技術(shù)和傳真機(jī)，目前在通信中還占有一席之地。在有線電話的基礎(chǔ)上，各種無線電話通信、廣播等蓬勃發(fā)展起來，出現(xiàn)了電視廣播和圖像通信。在這個(gè)階段，有線通信著重發(fā)展交換和通信網(wǎng)，以便擴(kuò)大通信范圍;無線通信著眼于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，作

14、為通信網(wǎng)中傳輸鏈路的組成部分。一般講，無線通信的基本問題在于拓寬傳輸頻帶，增大傳輸距離，提高可靠性。其使用頻帶從長(zhǎng)波到微波，以便適應(yīng)各種傳輸環(huán)境的電磁波傳播條件。 現(xiàn)階段存在的無線通信技術(shù)有以下幾種:IrDA (Infrared Data Association紅外無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù))、IEEE 802.11(一種無線以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn))、HorneRF(一種無線局域網(wǎng)技術(shù))和Bluetooth(藍(lán)牙技術(shù))。前三種技術(shù)都早于藍(lán)牙技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)日漸成熟，但藍(lán)牙技術(shù)在低功耗和小體積方面有其他無線技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，特別是用于便攜式設(shè)備。 1.2 藍(lán)牙技術(shù)概況 藍(lán)牙(Bluetooth)是現(xiàn)

15、代無線通信領(lǐng)域的高新技術(shù)，用于替代數(shù)字設(shè)備間的有線電纜連接，和解決現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的最后10-100M的無線通訊。藍(lán)牙技術(shù)具有體積小、功耗低等突出的優(yōu)點(diǎn)，因此特別適合集成到移動(dòng)電話、便攜式設(shè)備和計(jì)算機(jī)外設(shè)等數(shù)字設(shè)備中，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。數(shù)據(jù)采集技術(shù)雖然己經(jīng)發(fā)展了很多年，但是仍然是當(dāng)今科技關(guān)注的熱點(diǎn)，無論在工礦企業(yè)還是在實(shí)驗(yàn)室其應(yīng)用都相當(dāng)廣泛。將藍(lán)牙技術(shù)與數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合，集成在一起組成數(shù)據(jù)采集與無線數(shù)傳模塊，設(shè)計(jì)出體積小、功耗低、安裝維護(hù)方便的便攜式產(chǎn)品，就是本課題所研究的主要內(nèi)容，這無論在國(guó)內(nèi)或者國(guó)際上都是較為先進(jìn)的。用無線產(chǎn)品替代現(xiàn)有的有線產(chǎn)品將是科技發(fā)展的趨勢(shì)，因此這方面的研究具有重大的

16、現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。 Bluetooth的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為四層:無線與基帶層(Radio&Baseband)、鏈路管理器及邏輯鏈路控制與自適應(yīng)協(xié)議(Link Manager&L2CAP)層、主機(jī)控制器接HCI層(Host Controller Interface)和應(yīng)用框架與支持(Application Framework & Support)層。無線與基帶層主要規(guī)定硬件設(shè)備的功能，它負(fù)責(zé)射頻處理和基頻調(diào)制的功能。鏈路管理器及邏輯鏈路控制與自適應(yīng)協(xié)議層主要完成底層通信協(xié)議(如物理層、MAC層)的功能，鏈路管理器主要負(fù)責(zé)基帶連接的設(shè)定及管理，L2CAP負(fù)責(zé)基帶數(shù)據(jù)的分段及重組、多路復(fù)用和服

17、務(wù)質(zhì)量(QoS)等功能。主機(jī)控制器接口提供Bluetooth與主機(jī)設(shè)備之間連結(jié)接口的控制指令。應(yīng)用和支持層主要為各種應(yīng)用(如語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等)提供應(yīng)用軟件所需的通信協(xié)議與應(yīng)用程序接口，如TCP/IP, RFCOMM等。 Bluetooth 軟件協(xié)議的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備間的交互性操作。雖然不同的無線應(yīng)用可能運(yùn)行不同的協(xié)議棧，但所有的協(xié)議棧都使用一個(gè)共同的Bluetooth數(shù)據(jù)邏輯鏈路和物理層。完整的協(xié)議由Bluetooth特定的協(xié)議(如LMP和L2CAP)和非Bluetooth特定的協(xié)議(如對(duì)象交換協(xié)議OBEX和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP)等組成。在設(shè)計(jì)Bluetooth協(xié)議和整個(gè)協(xié)議棧時(shí)，主要的原

18、則是最大限度地利用現(xiàn)有的各種高層應(yīng)用協(xié)議，這樣有利于現(xiàn)有的各種遺留應(yīng)用更好地在Bluetooth環(huán)境下使用，以確保這些應(yīng)用的平滑過濾和交互操作性。這樣廠商開發(fā)的各種應(yīng)用就可以立即利用符合Bluetooth規(guī)范的硬件和軟件系統(tǒng)。 Bluetooth協(xié)議采取了開放的結(jié)構(gòu)，廠商可以在核心協(xié)議的基礎(chǔ)上開發(fā)自己專用的應(yīng)用協(xié)議或增加一些通用的應(yīng)用協(xié)議。 藍(lán)牙技術(shù)在具有各種突出優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也有其難以克服的弊端，如互操作性差，存在安全性問題等，此外還有來自超寬帶和WLAN等技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。因此要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，藍(lán)牙技術(shù)在成本和技術(shù)方面仍有待改進(jìn)。 1.3 本文結(jié)構(gòu) 本文分為五章，主要內(nèi)容如下：第

19、一章緒論是本文的一個(gè)概要介紹，對(duì)所需實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能作了概述，并且對(duì)所應(yīng)用的技術(shù)的發(fā)展概況做了簡(jiǎn)要說明。在第二章凌陽(yáng)單片機(jī)基本原理中，重點(diǎn)在于介紹凌陽(yáng)單片機(jī)結(jié)構(gòu)和特性。第三章主要是講述藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范的內(nèi)容，藍(lán)牙技術(shù)作為一種短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是建立通用的低功耗、低成本無限空中接口及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn)，是通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步融合，使得不同廠家生產(chǎn)的藍(lán)牙設(shè)備能夠在近距離內(nèi)具有互操作性。所以藍(lán)牙協(xié)議是這項(xiàng)新技術(shù)面向應(yīng)用的一個(gè)重要方面。第四章描述了藍(lán)牙系統(tǒng)中主機(jī)系統(tǒng)之間接口的功能規(guī)范。第五章分析了基于凌陽(yáng)單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的融合原理，討論了其實(shí)現(xiàn)的軟件及

20、硬件細(xì)節(jié)。最后在結(jié)論中對(duì)論文工作總結(jié)與展望。 2 凌陽(yáng)單片機(jī)及其原理 2.1 凌陽(yáng)單片機(jī)簡(jiǎn)介 2.1.1 8位單片機(jī) 凌陽(yáng)8位單片機(jī)的CPU內(nèi)核均為6502兼容型。凌陽(yáng)8位單片機(jī)分為四種：SPC系列、SPL系列、SPF系列以及其他系列。SPC系列則是帶有雙聲道發(fā)聲功能的單片機(jī)；SPL系列基本上都帶有LCD驅(qū)動(dòng)，并且有些SPL系列還帶有發(fā)聲功能；SPF系列是凌陽(yáng)研制出的帶有到聲道發(fā)聲功能的單片機(jī)。本文所采用的是凌陽(yáng)16位SPCE061A型單片機(jī)。 2.1.2 16位單片機(jī) 隨著單片機(jī)集成的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。凌陽(yáng)的

21、16位單片機(jī)為適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，推出了它的帶有數(shù)據(jù)處理功能的nSP?16位微處理器芯片。與凌陽(yáng)8位機(jī)功能相比，16位nSP?系列單片機(jī)可以在交款的電源電壓范圍（2.6～5.5V）及系統(tǒng)時(shí)鐘頻率范圍（0.375～24.576MHz）內(nèi)工作，除了數(shù)據(jù)總線被增至16位而提高了工作速率外，nSP?系列16位單片機(jī)內(nèi)集成了更多的系統(tǒng)外圍資源。其中有大容量ROM及靜態(tài)RAM、紅外通信接口、RS-232通用異步全雙工串行接口、10位A/D及D/A轉(zhuǎn)換、內(nèi)置式帶自動(dòng)增益控制的擴(kuò)音器輸入通道、32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及低電壓復(fù)位/低電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。另外，nSP?家族中有些系列嵌入了LCD控制驅(qū)動(dòng)和DTMF發(fā)生器功

22、能等。 SPCE061A是繼nSP?系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽(yáng)科技推出的又一個(gè)16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，SPCE061A里只內(nèi)嵌32KB的閃存（Falsh）。較高的處理速度使nSP?能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。因此，與SPCE500A相比，以nSP?為核心的SPCE061A微控制器是適合用于數(shù)據(jù)傳輸和識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最好的選擇。其整體性能如下： 16位unSP?微處理器；工作電壓：VDD為2.4～3.6V，VDDH為VDD～5.5V（I/O）； CPU時(shí)鐘：0.32～49

23、.152MHz；內(nèi)置2KB SRAM；內(nèi)置32KB FLASH；可編程音頻處理；晶體振蕩器;系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)?2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)；2個(gè)10位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道；32位通用可編程輸入/輸出端口；14個(gè)中斷源可來自定時(shí)器A/B，時(shí)基，2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽(yáng)音頻編碼SACM_S240方式(2.4Kb/s)，能容納210秒的語(yǔ)音數(shù)據(jù)；鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)；32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘；7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益

24、控制(AGC)功能；具備串行設(shè)備接口；具有低電壓復(fù)位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(cè)(LVD)功能；內(nèi)置在線仿真電路ICE（In-circuit emulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog功能(由具體型號(hào)決定)。 2.2 SPCE061A內(nèi)核的硬件結(jié)構(gòu) SPCE061A 是繼nSP?系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽(yáng)科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，SPCE061A里只內(nèi)嵌32KB的閃存（FLASH）。較高的處理速度使nSP?能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。因此，與SPCE

25、500A相比，以nSP?為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇，也可以作控制核心使用。 圍繞SPCE所形成的16位nSP?系列單片機(jī)采用的是模塊是集成結(jié)構(gòu)，共有84個(gè)引腳，封裝形式位PLCC84，它的管腳排列如圖2-1所示。在84個(gè)引腳中有15個(gè)空腳，其余管腳功能說明如表2.1所示。SPCE061A的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。 圖2-1 SPCE061A單片機(jī)PLCC84引腳 表2-1 管腳功能表 IOA0-IOA15（41～48,53,54～60腳） IO口A，共16個(gè) IOB0-IOB15（5～1,81～76,68～

26、64腳） IO口B，共16個(gè) OSCI（13腳） 石英晶振振蕩器輸入 OSCO（12腳） 石英晶振振蕩器輸出 RES_B（6腳） 復(fù)位輸入，低電平有效 ICE_EN（16腳） ICE使能端 ICE_SCK（17腳） ICE時(shí)鐘腳 ICE_SDA（18腳） ICE數(shù)據(jù)腳 PVIN（20腳） 程序保密設(shè)定腳 PFUSE（29腳） 程序保密設(shè)定腳 DAC1（21腳） 音頻輸出通道1 DAC2（22腳） 音頻輸出通道2 VREF2 （23腳） 2V參考電壓輸出腳 AGC（25腳） 語(yǔ)音輸入自動(dòng)增益控制引腳 OPI（26腳） Microphone的第

27、二運(yùn)放輸入腳 MICOUT（27腳） Microphone的第一運(yùn)放輸入腳 MICN（28腳） Microphone的負(fù)向輸入腳 MICP（33腳） Microphone的正向輸入腳 VRT （35腳） A/D轉(zhuǎn)換外部參考電壓輸入腳 VCM （34腳） ADC參考電壓輸出腳 VMIC （37腳） Microphone電源 SLEEP（63腳） 睡眠狀態(tài)指示腳，高電平顯示 VCP （8腳） 鎖相環(huán)壓控振蕩器的阻容輸入 XROMT PVPP XTEST（61，69，14腳） 出廠測(cè)試引腳，懸空 VDDH （51，52，75腳） I/O參考電平：5V電壓

28、VDD （7腳） PLL鎖相環(huán)電源 VSS （9腳） 鎖相環(huán)地 VSS （19，24腳） 模擬地 VSS （38，49，50，62腳） 數(shù)字地 VDD （15，36腳） 數(shù)字電源 圖2-2 SPCE061A的內(nèi)部結(jié)構(gòu) nSP?的內(nèi)核主要是由CPU掌管和操作，其基本上由總線、算術(shù)運(yùn)算邏輯單元、寄存器組、中斷系統(tǒng)和堆棧等部分組成。 2.2.1 寄存器組 nSP?的CPU寄存器組里有8個(gè)16位寄存器，可分為通用型寄存器和專用型寄存器兩大類別。通用型寄存器包括R1～R4，作為算術(shù)邏輯運(yùn)算的源及目標(biāo)寄存器。專用型寄存器包括SP、BP、SR、PC，是與CPU特定用途相關(guān)的

29、寄存器。SP是堆棧指針寄存器，在CPU執(zhí)行壓棧/出棧指令（push/pop）、子程序調(diào)用/返回指令（call/retf）以及進(jìn)入中斷服務(wù)子程序（interrupt service routine，ISR）或從ISR返回指令時(shí)制動(dòng)減少（壓棧）或增加（彈棧），以示堆棧指針的移動(dòng)。堆棧的最大容量范圍限制在2KB的RAM內(nèi)，即地址位0x000000～0x0007FF的存儲(chǔ)器范圍中。BP是基址指針寄存器，用于變址尋址方式[BP+IM6]。SR是段寄存器，有多種功能，算術(shù)邏輯運(yùn)算結(jié)果的各標(biāo)志位N,Z,S,C亦儲(chǔ)存在其中。PC是程序計(jì)數(shù)器，作為程序的地址指針來控制程序走向的專用寄存器。 2.2.2 數(shù)據(jù)總

30、線和地址總線 nSP?是16位單片機(jī)，它具有16位數(shù)據(jù)線和22位地址線，22位地址線最多可以尋訪4MB的存儲(chǔ)容量。地址線中的高6位A16～A21來自段寄存器SR中的6位代碼段（code segment，CS）和6位數(shù)據(jù)段（data segment，DS）選擇字段，低16位A0～A15則來自內(nèi)部寄存器。通常，地址線高6位稱為頁(yè)碼（page）；而低16位則稱為存儲(chǔ)器地址的偏移量（offset）。因而，通過segment和offset的配合即可產(chǎn)生22位地址線。 2.2.3 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU nSP?的 ALU在運(yùn)算能力上很有特色，它不僅能做16位基本的算術(shù)邏輯運(yùn)算，也能做帶移位操作的1

31、6位算術(shù)邏輯運(yùn)算，同時(shí)還能做用于數(shù)字信號(hào)處理16位16位的乘法運(yùn)算和內(nèi)積運(yùn)算。 2.2.4 堆棧 RAM區(qū)專門開辟出來的按照“先進(jìn)后出”原則進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的一種工作方式，如圖2-3所示，主要用于子程序調(diào)用及返回和中斷處理斷點(diǎn)的保護(hù)及返回。堆棧的最大容量范圍限制在2KB RAM內(nèi)，即其地址范圍是0x07FF～0x0000的存儲(chǔ)器中。值得注意的是堆棧的生長(zhǎng)方向，SPCE061A系統(tǒng)復(fù)位后，SP初始化為0x07FF，每執(zhí)行PUSH指令一次，SP指針減1。 圖2-3 nSP?的堆棧結(jié)構(gòu) 2.2.5 中斷 中斷是指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行某一程序的過程中，由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)、外的某種原因，必須終止原程序的執(zhí)行

32、，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的處理程序，待處理結(jié)束之后，再回來繼續(xù)執(zhí)行被終止的原程序過程。SPCE061A系列單片機(jī)終端系統(tǒng)是凌陽(yáng)16位單片機(jī)中中斷功能較強(qiáng)的一種，它可以提供14個(gè)中斷源，具有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，可實(shí)現(xiàn)兩級(jí)中斷嵌套功能。用戶可以用關(guān)中斷指令（或復(fù)位）屏蔽所有的中斷請(qǐng)求，也可以用開中斷指令使CPU接受中斷申請(qǐng)。 nSP?的結(jié)構(gòu)給出了三種類型的中斷：異常中斷、軟件中斷和事件中斷。異常中斷表示為非常重要的事件，一旦發(fā)生，CPU必須立即進(jìn)行處理。軟件中斷是由軟件指令break產(chǎn)生的中斷，其向量地址為FFF5H。事件中斷一般產(chǎn)生于片內(nèi)設(shè)部件或由外設(shè)中斷輸入引腳引入的某個(gè)事件，其中斷的開通/禁止由相應(yīng)的獨(dú)

33、立使能和相應(yīng)的IRQ或FIQ總使能控制。該單片機(jī)共有9個(gè)中斷向量和14個(gè)中斷源。UART傳輸中斷，觸鍵喚醒中斷，定時(shí)器溢出中斷，外部中斷等等，都是設(shè)計(jì)中需要用到和了解的中斷源。SPCE061A單片機(jī)有兩個(gè)外部中斷，分別為EXT1和EXT2，兩個(gè)外部輸入腳分別為B口的IOB2和IOB3的復(fù)用腳。觸鍵喚醒中斷中若以觸鍵作喚醒源，其功能通過并行A口的IOA0～I(xiàn)OA7及中斷源IRQ3_KEY的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。 2.3 SPCE061A的片內(nèi)存儲(chǔ)器 SPCE061A的片內(nèi)存儲(chǔ)器地址映射如圖2-4所示。4MB的存儲(chǔ)器地址可以映射成64頁(yè)，每一頁(yè)有64KB的存儲(chǔ)容量，其地址取決于16位寄存器或存儲(chǔ)器的值。

34、整個(gè)片內(nèi)存儲(chǔ)器可以分為靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM和程序存儲(chǔ)器ROM兩塊區(qū)域。 圖2-4 nSP?片內(nèi)存儲(chǔ)器地址映射 SPCE061A有2KB的SRAM，其地址范圍是0x000～0x07FF。前64個(gè)字可采用6位地址直接地址尋址方法，尋訪速度位兩個(gè)CPU時(shí)鐘周期。 32KB的內(nèi)嵌式閃存從地址0x8000開始被劃分為128頁(yè)（每頁(yè)存儲(chǔ)容量為256B），它們?cè)贑PU正常運(yùn)行狀態(tài)下均可通過程序擦除或?qū)懭恕Ｈ?2KB閃存均可在ICE工作方式下被編程寫人或擦除。 2.4 SPCE061A的片內(nèi)外設(shè)部件 這一節(jié)將圍繞nSP?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)對(duì)其外圍設(shè)備進(jìn)行展開介紹，其中包括并行I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器

35、、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘系統(tǒng)和音頻輸出。 2.4.1 并行I/O及其功能擴(kuò)展 輸入/輸出接口是單片機(jī)與外設(shè)交換信息的通道，SPCE061A的并行I/O口的每一位均可以單獨(dú)編程定義成握手信號(hào)的輸入或輸出端口。每一個(gè)I/O口會(huì)由3個(gè)向量位來控制，分別是方向向量位，控制著I/O口位的輸入/輸出方向；方式向量位，控制著I/O口采用什么樣的方式進(jìn)行輸入輸出；數(shù)據(jù)向量位，進(jìn)行口位數(shù)據(jù)的輸入或輸出，可與方式向量位結(jié)合在一起對(duì)口位進(jìn)行復(fù)合功能的設(shè)置。 輸入口的方式可設(shè)置為內(nèi)部上拉電阻、內(nèi)部帶下拉電阻或懸浮式的端口。若通過口位的組合設(shè)置還可使輸入口引入外部中斷源或喚醒源事件，可以使端口具有中斷或喚醒之特殊功能。

36、 輸出口的方式也可以根據(jù)需要設(shè)為常規(guī)的CMOS端口或NMOS開漏端口，以及是與寫人口位的數(shù)據(jù)同相輸出還是反相輸出。通過設(shè)置還可以使口位具有輸出緩存功能，以避免該口在被設(shè)為輸入端口時(shí)管腳上輸入電平的狀態(tài)會(huì)影響到輸出的狀態(tài)。 2.4.2 時(shí)鐘系統(tǒng) SPCE061A時(shí)鐘電路采用晶體振蕩電路。圖2-5為SPCE061A時(shí)鐘電路的接線圖。外接晶振采用32768Hz。推薦使用外接32768Hz晶振，因阻容振蕩的電路時(shí)鐘不如外接晶振準(zhǔn)確。SPCE061A的時(shí)鐘信號(hào)Fosc和CPU工作信號(hào)CPUCLK均來自其時(shí)鐘系統(tǒng)。 圖2-5 SPCE061A時(shí)鐘電路 時(shí)鐘系統(tǒng)基本上由三部分組成：鎖

37、相環(huán)PLL倍頻電路、可編程分頻計(jì)數(shù)器以及時(shí)基信號(hào)發(fā)生器。通過PLL對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘32768Hz進(jìn)行倍頻處理，產(chǎn)生出Fosc信號(hào)，作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源。Fosc信號(hào)經(jīng)過分頻產(chǎn)生出CPUCLK信號(hào)，同時(shí)，32768Hz信號(hào)經(jīng)時(shí)基信號(hào)發(fā)生器的分頻處理，為定時(shí)/計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘源信號(hào)并為中斷系統(tǒng)提供各種時(shí)基的中斷源信號(hào)。 2.4.3 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 SPCE061A提供了兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器：TimerA和TimerB。TimerA的時(shí)鐘源是由兩個(gè)時(shí)鐘源ClkA和ClkB經(jīng)過一個(gè)邏輯與門相與而成。TimerA的時(shí)鐘源由時(shí)鐘源A和時(shí)鐘源B進(jìn)行“與”操作而形成；TimerB的時(shí)鐘源僅為時(shí)鐘源A。 2.4.4

38、 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入接口 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是自然界與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交流的橋梁之一。它是一種信號(hào)轉(zhuǎn)換接口，可以把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)以便輸入給計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種處理。SPCE061A內(nèi)置8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中7個(gè)通道用于將模擬量信號(hào)（如電壓信號(hào)）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，可以直接引線（IOA[0～6]）輸入。另一個(gè)通道只用于語(yǔ)音輸入，即通過內(nèi)置自動(dòng)增益控制放大器的麥克風(fēng)通道（MIC_IN）輸入。實(shí)際上可以把模數(shù)轉(zhuǎn)換器看作一個(gè)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的編碼器。SPCE061A采用逐次逼近式原理實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。 考慮到單片機(jī)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓是2.5V，而電壓模擬信號(hào)直接從LINE_IN通道輸

39、入被送入采樣/保持器，當(dāng)選擇ADC的自動(dòng)方式時(shí)，會(huì)使RDY信號(hào)變?yōu)椤?”，從而啟動(dòng)了ADC的數(shù)據(jù)采樣。當(dāng)ADC完成轉(zhuǎn)換時(shí)，RDY信號(hào)變?yōu)椤?”。此后，可讀取10位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。而當(dāng)讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，會(huì)使RDY信號(hào)重新變?yōu)椤?”，再次啟動(dòng)ADC的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。由此看來，適時(shí)讀取A/D數(shù)據(jù)單元，可控制A/D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)時(shí)間。進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換至少要有兩個(gè)基本單元的讀取操作，一個(gè)是A/D轉(zhuǎn)換的控制單元，另一個(gè)是A/D的數(shù)據(jù)單元。前者可用來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前的各種設(shè)置或轉(zhuǎn)換過程中的狀態(tài)讀出，表2-2將其給出。 表2-2 ADC的控制要素 控制要素 寫人控制單元 讀

40、出控制單元 工作方式 手動(dòng) 自動(dòng) （1） 手動(dòng)方式下模擬電壓比較結(jié)果 （2） 轉(zhuǎn)換是否完成標(biāo)志位 采樣/保持開關(guān)位置 A/D轉(zhuǎn)換 允許/禁止 自動(dòng)增益功能 設(shè)置/取消 模擬通道控制 LINE_IN(屏蔽功能) 2.4.5 SPCE061A最小系統(tǒng) 最小系統(tǒng)接線如圖2-6所示，在OSC0、OSC1端接上晶振及諧振電容，在鎖相環(huán)壓控振蕩器的阻容輸入VCP端接上相應(yīng)的電容電阻后即可工作。其它不用的電源端和地端接上0.1F的去藕電容提高抗干擾能力。 圖2-6 SPCE061A最小系統(tǒng) 3 藍(lán)牙規(guī)范協(xié)議 藍(lán)牙協(xié)議的總體概況可以通過藍(lán)牙協(xié)議棧反映出來。從橫向角

41、度來看，藍(lán)牙協(xié)議所涉及的主要部分包括射頻、基帶、主機(jī)控制接口、鏈路管理協(xié)議、邏輯鏈路控制與適配協(xié)議、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議、電纜替代協(xié)議以及其他一些為藍(lán)牙所采納的高層通用協(xié)議，如PPP. TCP/IP, UDP等。請(qǐng)參考圖3-1。其中的基帶、鏈路管理協(xié)議、邏輯鏈路控制與適配協(xié)議以及服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議等屬于藍(lán)牙和新協(xié)議的范疇，電纜代替帶協(xié)議則是藍(lán)牙借用ETSI T07.10協(xié)議并適當(dāng)修改之后而形成的協(xié)議，電話控制協(xié)議包括AT命令集和電話控制規(guī)范兩個(gè)部分，PPP. TCP/IP, UDP. WAP. WAE, vCard和vCal等協(xié)議則是藍(lán)牙所采納的高層通用議。 圖3-1 藍(lán)牙協(xié)議棧 從另外一個(gè)角度來看，用

42、戶會(huì)針對(duì)藍(lán)牙的應(yīng)用而提出用法模型，如三合一電話、因特網(wǎng)網(wǎng)橋、局域網(wǎng)接入、交互式會(huì)議、耳麥及自動(dòng)同步等。相應(yīng)的，藍(lán)牙會(huì)給出應(yīng)用框架協(xié)議與用戶的用法模型相匹配。藍(lán)牙的應(yīng)用框架包括通用接入框架、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用框架、無繩電話框架、串口框架、內(nèi)部通信框架、頭戴設(shè)備框架、撥號(hào)上網(wǎng)框架、傳真框架、局域網(wǎng)接入框架、通用對(duì)象交換框架、對(duì)象推送框架、文件傳送框架和同步框架等。隨著用戶用法模型的增多以及藍(lán)牙應(yīng)用的擴(kuò)展，藍(lán)牙的用戶應(yīng)用框架也會(huì)逐漸增多。當(dāng)然，藍(lán)牙協(xié)議也應(yīng)該相應(yīng)地升級(jí)。 值得一提的是每種應(yīng)用框架協(xié)議都有其相對(duì)應(yīng)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)縱向描述了實(shí)現(xiàn)某種應(yīng)用(或者是實(shí)現(xiàn)用法模型)所需用到的各種藍(lán)牙協(xié)議以及如何

43、使用和組合各種協(xié)議。應(yīng)用框架協(xié)議提供了藍(lán)牙協(xié)議的縱向說明。需要說明，這里只是對(duì)藍(lán)牙的基帶、主機(jī)控制接口、邏輯鏈路控制與適配協(xié)議、電纜替代協(xié)議、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議和局域網(wǎng)接入框架等進(jìn)行簡(jiǎn)要的說明。 3.1 基帶協(xié)議 基帶是藍(lán)牙的數(shù)據(jù)鏈路層，它負(fù)責(zé)管理物理信道，并考慮以什么形式發(fā)送數(shù)據(jù)、什么時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù)、等待什么數(shù)據(jù)、什么時(shí)候等待數(shù)據(jù)以及使用哪一個(gè)載波頻率和哪一個(gè)級(jí)別的發(fā)射功率等等，這些都是藍(lán)牙鏈路控制器要解決的問題。而藍(lán)牙鏈路控制器正是執(zhí)行基帶協(xié)議的物理實(shí)體。在圖3-2中概括了藍(lán)牙基帶的主要功能。 圖3-2 藍(lán)牙基帶功能 3.1.1 藍(lán)牙通信過程 (1)查詢過程(inquiry)。查詢過程

44、在設(shè)備地址未知的通信對(duì)象進(jìn)入可通信范圍內(nèi)的情況下啟動(dòng)，用來發(fā)現(xiàn)未知藍(lán)牙設(shè)備的地址BD_ADDR。容易理解的例子是LAP發(fā)現(xiàn)新的DT,藍(lán)牙打印機(jī)發(fā)現(xiàn)新的終端等。在這一過程中，地址未知的設(shè)備充當(dāng)Slave的角色，當(dāng)然主動(dòng)發(fā)起通信的設(shè)備就是Master。 先是Master在不同跳頻頻率上不斷發(fā)送查詢消息(也叫ID包)，(注:跳頻頻率由GIAC的LAP決定)后是Slave在查詢掃描(inquiry Sean)頻率上發(fā)回響應(yīng)，每次占據(jù)18個(gè)時(shí)隙。 (2)尋呼過程(Page)。該過程中Master和Slave的約定與查詢過程相同。尋呼過程用來和設(shè)備地址已知的通信對(duì)象建立連接。 Master在不同跳頻

45、頻率點(diǎn)上按3200次/秒的規(guī)律發(fā)送包含DAC的消息，DAC由Slave的BD_ADDR派生出來，所使用跳頻序列由Slave的設(shè)備地址決定。Slave在尋呼掃描頻率上按照一次18個(gè)時(shí)隙(或更多時(shí)隙)的規(guī)律監(jiān)聽它的DAC。一旦獲得自己的DAC,Slave就發(fā)出包含自身設(shè)備地址的消息。隨后Master依據(jù)Slave的響應(yīng)回發(fā)FHS包，向Slave提供Picanet的定時(shí)和跳頻信息，以保持相互之間的同步，也就是說，整個(gè)Picanet由master的時(shí)鐘來完成定時(shí)，CAC和跳頻序列由Master的BD_ADDR派生而得。隨后Slave采納Master所提供的跳頻和時(shí)鐘。從而實(shí)現(xiàn)與Master的同步。最后

46、，Master向Slave發(fā)出POLL包，以確認(rèn)連接的建立。 (3)主從切換過程(Master/Slave Switch)。主從切換過程發(fā)生在Slave想成為Master的情況下Slave先發(fā)出切換請(qǐng)求消息，Master同意切換時(shí)就回發(fā)切換接受消息。然后雙方進(jìn)行TDD切換，Slave成為新的Master，先前的Maste:則轉(zhuǎn)換成新的Slave隨后新的Master向其他Slave發(fā)FHS包，在FHS確認(rèn)后，新的Master和其他Slave按照FHS的指示采納由新的Master所確定的Piconet參數(shù)，即由新的Master所決定的統(tǒng)一的CAC時(shí)鐘以及跳頻序列。至此，主從切換過程完成，即Pic

47、onet的切換過程完成。 (4)Piconet之間的通信一散射網(wǎng)(Scatter net)。多個(gè)Piconet相互之間有重疊時(shí)形成Scatter net。組成Scatter net的每個(gè)Piconet由該P(yáng)iconet的Master定義，當(dāng)然它們有各自的CAC，時(shí)鐘和跳頻序列。很顯然，Scaternet中所包含的Piconet越多時(shí)，調(diào)頻序列碰撞的可能性就越大，通信質(zhì)量所受的影響就越大。 在Scatter net中，一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可以充當(dāng)若干個(gè)Piconet的Slave，但是只能充當(dāng)某一個(gè)Piconet的Master。某個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之所以能夠成為幾個(gè)Piconet的Slave，是因?yàn)樵撛O(shè)備存放

48、有那幾個(gè)Piconet的Master BD_ADDR和相應(yīng)的時(shí)鐘偏移量，進(jìn)而以時(shí)分復(fù)用的方式與不同的Master進(jìn)行通信。舉個(gè)例子來說，對(duì)于已經(jīng)建立ACL鏈路的Slave，它可以在當(dāng)前所處的Piconet內(nèi)要求進(jìn)入Hold或Park狀態(tài)，而通過改變信道參數(shù)(CAC,CIR,FH)加入到另一個(gè)Piconet中。如果它處于Snif狀態(tài)，則可以在Snif時(shí)隙之間訪問另一個(gè)Piconet，正是因?yàn)樵揝lave保存了幾個(gè)Piconet的參數(shù)(最關(guān)鍵的是Master的BD_DDR和時(shí)鐘偏移置)，它才能夠不斷調(diào)整CAC、時(shí)鐘和跳頻頻率，從而實(shí)現(xiàn)與不同的Piconet通信。 所以說，可通信范圍內(nèi)的各藍(lán)牙設(shè)備

49、本來是沒有Master與Slave之別的，但是為了能夠?qū)崿F(xiàn)通信，它們必須使用相同的CAC時(shí)鐘和跳頻頻率。主動(dòng)發(fā)起Inquiry的單元將自己的BD_ADDR傳給其他可以Inquiry Sean的單元，那些單元用所獲得的BD_ADDR生成CAC和跳頻頻率，并獲得與主動(dòng)Inquiry的單元之間的時(shí)鐘偏移量。至此，各個(gè)單元之間的實(shí)現(xiàn)了同步，也意味著一個(gè)Piconet的誕生。 為了更為快速地建立通信，打過交道的藍(lán)牙設(shè)備之間〔保存有對(duì)方的BD_ADDR)，往往越過inquiry過程，直接通過Page過程來更迅速地實(shí)現(xiàn)同步。 3.1.2 微微網(wǎng) 微微網(wǎng)(Piconet)是藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行通信的基本組織形式

50、，微微網(wǎng)中必須有且只能有一個(gè)主控設(shè)備(Master)，可以有最多7個(gè)活動(dòng)的從屬設(shè)備(Slave)。主控設(shè)備是指發(fā)起本次通信的藍(lán)牙設(shè)備，該微微網(wǎng)的基本特征(跳頻序列，時(shí)隙分割等)都是由主控設(shè)備唯一確定的。 3.1.3 ACL和SCO鏈路 基帶可以處理兩種類型的鏈路:同步連接鏈路(Synchronous Connection Oriented 即 SCO)和異步無連接鏈路(Synchronous Connection Less 即ACL)。 SCO鏈路是微微網(wǎng)中單一主控設(shè)備和單一從屬設(shè)備之間建立的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)稱鏈路。在這種鏈路方式下設(shè)備間采用保留時(shí)隙的方式來傳輸分組，因此該鏈路類型可以

51、看作是電路交換。SCO鏈路主要用來進(jìn)行64kB/s的語(yǔ)音信息傳輸。一個(gè)主控設(shè)備最多可以同時(shí)支持三條SCO鏈路，而從屬設(shè)備則最多可以支持兩條來自不同主控設(shè)備的SCO鏈路或者三條來自同一主控設(shè)備的SCO鏈路。對(duì)于SCO數(shù)據(jù)分組來說，沒有重傳機(jī)制。 ACL鏈路是主控設(shè)備和微微網(wǎng)內(nèi)所有從屬設(shè)備之間一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的基帶通信鏈路類型。在沒有為SCO鏈路預(yù)留時(shí)隙的情況下，主控設(shè)備可以對(duì)任意從屬設(shè)備在單時(shí)隙上建立ACL鏈路。在一個(gè)主控設(shè)備和一個(gè)從控設(shè)備之間只能存在一條ACL鏈路。大多數(shù)ACL數(shù)據(jù)分組可以通過分組重傳來防止傳輸過程中的分組損壞和分組丟失。 考慮到本論文所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的主要傳送對(duì)象是實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)，所

52、以主控設(shè)備與從屬設(shè)備之間只建立了一條ACL基帶鏈路，而沒有涉及到SCO鏈路。 3.1.4 藍(lán)牙基帶分組 微微網(wǎng)內(nèi)的基帶控制信息和用戶數(shù)據(jù)信息都是以分組形式進(jìn)行傳輸?shù)摹；? 帶分組格式如圖3-3所示。 圖3-3 藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)包分組格式 基帶分組的第一個(gè)字段是訪問碼(ACCESS CODE)用于時(shí)序同步、分組標(biāo)識(shí)、尋呼和查詢。訪問碼分為三類:信道訪問碼CAC(Channel Access Code),設(shè)備訪問碼DAC (Device Access Code)和查詢?cè)L問碼IAC (Inquir Access Code)。信道訪問碼用來標(biāo)識(shí)微微網(wǎng)，并由微微網(wǎng)唯一確定。一個(gè)微微網(wǎng)

53、的信道訪問碼由其主控役備的藍(lán)牙地址的LAP構(gòu)成。設(shè)備訪問碼用于尋呼及尋呼響應(yīng)，它是由被尋呼設(shè)備的藍(lán)牙地址的LAP構(gòu)成的。查詢?cè)L問碼則用于查詢過程，用以表明未來的主控設(shè)備正在查詢一定范圍內(nèi)可建立通信的藍(lán)牙設(shè)備。這種訪問碼有兩種類型:通用查詢?cè)L問碼GIAC(General Inquiry Access Code)和專用查詢?cè)L問碼DIAC(Didecated Inquiry Access Code)。通用查詢?cè)L問碼用于查詢一切范圍內(nèi)可用藍(lán)牙設(shè)備，該碼字由一個(gè)保留藍(lán)牙地址LAP(Ux9E8833)構(gòu)成。而專用查詢?cè)L問碼用于查詢某一類(根據(jù)未來的主控設(shè)備的查詢興趣來確定)，在本系統(tǒng)中，沒有用到這種類型的

54、訪問碼。 基帶分組的第二個(gè)字段是分組頭(HEADER)，它包含了一些鏈路控制信息，負(fù)責(zé)流控及校驗(yàn)。在表3-1中列出了分組頭部分所包含的字段及相關(guān)描述。 基帶分組的最后一個(gè)部分是有效載荷部分(PAYLOAD)，這部分包含的內(nèi)容可以是純語(yǔ)音信息，可以是純數(shù)據(jù)信息，也可以是兩者皆有。數(shù)據(jù)包可以占據(jù)一個(gè)以上的時(shí)隙(多時(shí)隙數(shù)據(jù)包)，也就是說可以在下一個(gè)時(shí)隙中持續(xù)傳輸。有效載荷部分還可以攜帶一個(gè)16位長(zhǎng)的CRC碼用于對(duì)數(shù)據(jù)有無錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)。 表3-1 基帶分組字段說明 字段名 大?。╞it） 說明 AM_ADDR 3 當(dāng)設(shè)備交換尋呼信息時(shí)，分配給叢書設(shè)備的活動(dòng)成員地址 TYPE 4

55、 定義了16種基帶分組類型 FLOW 1 接收端在其相應(yīng)發(fā)送時(shí)，用該字段作流控 ARQN 1 接收端用該字段來確認(rèn)已經(jīng)成功的接收了某分組，如果未收到確認(rèn)，則重發(fā)（ACL類型） SEQN 1 簡(jiǎn)單（奇/偶）的序列數(shù)字，用于將要發(fā)送的分組進(jìn)行編號(hào)。該字段的值與“ARQN”是對(duì)應(yīng)的。 HEC 8 頭部差錯(cuò)校驗(yàn)，生成多項(xiàng)式為： 以下介紹與基帶鏈路的建立密切相關(guān)的ID，F(xiàn)HS，POLL基帶分組。 ID分組由設(shè)備訪問碼DAC或查詢?cè)L問碼IAC構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)于Slave ID和查詢ID。它的長(zhǎng)度為68bit。接收方用位相關(guān)器來確定該ID分組的位序，因此，ID分組很可靠。

56、該分組被用于尋呼，查詢過程中。 FHS分組是一個(gè)特殊的控制分組。在這種分組中包含有發(fā)送方的地址及時(shí)鐘等信息。在FHS分組中，信息位為144bit, CRC校驗(yàn)信息16bit。同時(shí)采用2/3FEC，總共240bit，不超過一個(gè)時(shí)隙。這種分組被用作主控設(shè)備響應(yīng)和查詢響應(yīng)等用途。 POLL分組本身并不攜帶任何有效載荷，但它需要收方確認(rèn)接收成功。從屬設(shè)備受到該分組后要求回復(fù)一個(gè)分組用以確認(rèn)POLL分組的成功接收。在本系統(tǒng)中，該分組用于基帶鏈路的建立。 3.1.5 藍(lán)牙設(shè)備地址 藍(lán)牙設(shè)備地址(BD_ADDR)是藍(lán)牙設(shè)備最穩(wěn)定的標(biāo)識(shí)。BD_ADDR是一個(gè)48比特長(zhǎng)的地址編碼，它以電子方式記

57、錄在每個(gè)設(shè)備上。在全球范圍內(nèi)，每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備的BD_ADDR都是唯一的。為保證唯一性，由一個(gè)地址管理機(jī)構(gòu)分配BD-ADDR。BD_ADDR類似于IEEE 802.xx局域網(wǎng)設(shè)備的介質(zhì)接入控制(Medium Access Control，即MAC)地址。 如圖3-4所示，從最低有效位(Last Significant Bit，即LSB)到最高有效位(Most Significant Bit，即MSB)，這個(gè)48比特的地址段被分成3部分:低端地址部分(Lower Address Part，即LAP),高端地址部分(Upper Address Part，即UAP)以及非有效地址部分(Non-

58、significant Address Part，即NAP)。UAP和NAP共24bit，構(gòu)成了藍(lán)牙組織的唯一標(biāo)識(shí)(Organization Unique Identifier，即OUI)部分，這部分地址由地址管理機(jī)構(gòu)分配，而LAP則由各組織自行分配。 圖3-4 藍(lán)牙設(shè)備地址 3.2 鏈路管理層 在進(jìn)行藍(lán)牙通信的兩設(shè)備中，鏈路管理實(shí)體(或者說鏈路管理器)相互交換分組，用以設(shè)置和控制設(shè)備之間的藍(lán)牙鏈路。鏈路管理實(shí)體之間的通信協(xié)議稱為鏈路管理層協(xié)議(Link Manager Protocol即LMP)。這一層的信息不轉(zhuǎn)發(fā)至更高協(xié)議層，而只是在兩設(shè)備的鏈路管理實(shí)體中進(jìn)行解釋和處理。另外

59、，LMP不承載任何數(shù)據(jù)信息。根據(jù)從上層接收到的控制信息，LMP要么與另一設(shè)備的鏈路管理實(shí)體進(jìn)行通信，要么向所在設(shè)備的基帶和射頻單元發(fā)送控制信息。通信鏈路管理實(shí)體之間的通信是通過交換LMP_PDU分組來實(shí)現(xiàn)的，LMP_PDU將作為基帶ACL類型分組的有效級(jí)荷來被基帶傳輸。 圖3-5 藍(lán)牙鏈路管理層功能 在圖3-5中，描述了鏈路管理層在整個(gè)藍(lán)牙系統(tǒng)中的作用和它的功能。 在本系統(tǒng)中，鏈路管理層與前兩節(jié)所討論的藍(lán)牙射頻單元和基帶一樣，是在硬件平合中實(shí)現(xiàn)的，所以在這里只進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。 3.3 主機(jī)控制接口層 藍(lán)牙主機(jī)控制器接口(Host Controller Interface)是

60、藍(lán)牙主機(jī)一主機(jī)控制器應(yīng)用模式中藍(lán)牙模塊和主機(jī)之間的軟硬件接口，它提供了控制基帶與鏈路控制器、鏈路管理器、狀態(tài)寄存器等硬件功能的指令分組格式以及進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)分組格式。從某種意義上說，HCI的能力代表了藍(lán)牙系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能，而且它在整個(gè)藍(lán)牙協(xié)議棧中起到承上啟下的作用。主機(jī)控制接口層是本藍(lán)牙系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)之一，將在第四章作詳細(xì)介紹，所以在這一節(jié)里只不作詳細(xì)說明。 3.4邏輯鏈路控制與適配層 邏輯鏈路控制與適配層(L2CAP)位于主機(jī)端HCI層之上， 在本系統(tǒng)協(xié)議結(jié)構(gòu)中的位置如圖3-1所示。 L2CAP層是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)重點(diǎn)。 L2CAP層的基本任務(wù)是為更高的協(xié)議層屏蔽低層傳輸協(xié)

61、議的各種特性和細(xì)節(jié)。這樣，許多已經(jīng)開發(fā)成功的高層協(xié)議和應(yīng)用幾乎可以不作修改地在藍(lán)牙鏈路上運(yùn)行。 L2CAP層本身只關(guān)心異步無連接基帶鏈路分組類型(ACL)的傳輸。這一層分組記作L2CAP_PDU。跟LMP_PDU一樣，L2CAP_PDU也將作為基帶ACL類型分組的有效載荷來被基帶傳輸。 L2CAP層支持高層協(xié)議的多路復(fù)用，彌補(bǔ)了低層協(xié)議中這種功能的缺乏。此外，它還使較大的高層數(shù)據(jù)分組和較小的基帶數(shù)據(jù)分組之間的分割和重組變得容易。這一層還支持服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，即QoS)信息的交換，它通過對(duì)期望QoS的支持來幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸資源的控制。此外，L2CAP還將向高層提供

62、組抽象(Group Abstraction)的概念，用以將高層協(xié)議地址組映射到基帶的微微網(wǎng)實(shí)體中。 L2CAP層信息流在設(shè)備間進(jìn)行傳輸，L2CAP層之間的通信是基于邏輯鏈路進(jìn)行的，這些邏輯鏈路被稱為邏輯信道。藍(lán)牙設(shè)備為每個(gè)邏輯信道的本地端點(diǎn)賦予一個(gè)本地唯一的信道標(biāo)識(shí)符(Channel Identifier，即CID)，CID是一個(gè)16bit的標(biāo)識(shí)符，CID分配工作由本地的L2CAP層完成。 L2CAP層的邏輯信道可分為三種類型:第一種是持續(xù)型的面向連接(Connection_Oriented，即CO)信道,這種信道用于雙向通信，本系統(tǒng)所建立的就是這種類型的邏輯信道；第二種是臨時(shí)型的無連接(

63、Connectionless，即CL)信道，這種信道是單向的，可以用來向一組設(shè)備進(jìn)行廣播傳輸；最后一種是信令信道，用來交換控制信息，這些信息用來建立和配置CO信道。 對(duì)應(yīng)每一種邏輯信道類型，都存在一種L2CAP_PDU分組格式圖3-6和圖3-7分別描述了L2CAP層的CO信道分組格式和L2CAP層的信令信道分組格式。至于L2CAP層的CL信道分組格式，由于本系統(tǒng)中沒有采用，所以本文不作介紹。 圖3-6 L2CAP層的CO信道分組格式 圖3-7 L2CAP層的信令信道分組格式 以上L2CAP層的信道分組格式各個(gè)字段的意義將在下文中詳細(xì)介紹。 3.5 中間件協(xié)議層

64、 中間件協(xié)議利用下層的傳輸協(xié)議，為應(yīng)用層通信提供標(biāo)準(zhǔn)接口。中間件協(xié)議的每一層都定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。在這一節(jié)里，將簡(jiǎn)要討論中N件協(xié)議組中的RFCOMM層和SDP層。 為了方便在藍(lán)牙無線鏈路上實(shí)現(xiàn)串行通信，藍(lán)牙協(xié)議棧定義了一個(gè)被稱為電纜替代協(xié)議層RFCOMM的串行端口抽象。RFCOMM為各種應(yīng)用提供了一個(gè)虛擬的串行端口，這樣就可以方便地將有線串行通信中的應(yīng)用搬到無線串行通倍領(lǐng)域中來。因此可以說RFCOMM協(xié)議存在的意義就在于能使傳統(tǒng)的基于串口的應(yīng)用可以方便的利用藍(lán)牙技術(shù)。 RFCOMM是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ETSI)TS07.10標(biāo)準(zhǔn)定義的模型，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了在一個(gè)單獨(dú)的串行鏈路上進(jìn)行多路復(fù)用串

65、行通信的方式。藍(lán)牙規(guī)范只采用了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)子集，并且做了些修改。RFCOMM在整個(gè)藍(lán)牙協(xié)議找中的位置參見圖3-l。 服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議SDP定義了一種標(biāo)準(zhǔn)的方法，以使藍(lán)牙設(shè)備可以發(fā)現(xiàn)和學(xué)習(xí)其他設(shè)備所提供的服務(wù)。換句話說，SDP為設(shè)備定義了發(fā)現(xiàn)其它設(shè)備提供的服務(wù)的方法，本系統(tǒng)沒有用上SDP。 4 主機(jī)控制接口功能規(guī)范 藍(lán)牙作為一種短距離的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為設(shè)備之間的互聯(lián)提供了方便。使用藍(lán)牙互聯(lián)的大都是“智能主機(jī)”，它具有處理器、總線和操作系統(tǒng)，藍(lán)牙必須與它們有機(jī)地融合在一起才能發(fā)揮作用。本章就是關(guān)于藍(lán)牙與主機(jī)系統(tǒng)之間接口的規(guī)范。由于本課題數(shù)據(jù)獲取端與藍(lán)牙模塊之間的接口采用的是UART傳輸層，所

66、以本章最后對(duì)HCI_UART傳輸層進(jìn)行了分析。 4.1 HCI概述 主機(jī)控制接口(HCI)提供了一種訪問藍(lán)牙硬件能力的通用接口。圖4-1描述了藍(lán)牙HCI實(shí)現(xiàn)的軟件層次。HCI固件通過訪問基帶指令、鏈路管理器指令、硬件狀態(tài)寄存器、控制寄存器以及事件寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)牙硬件的HCI指令。 圖4-1 HCI軟件層次描述 在主機(jī)系統(tǒng)的HCI驅(qū)動(dòng)程序和藍(lán)牙的硬件HCI固件之間可能存在幾個(gè)層次。這些中間層，又稱為主機(jī)控制器傳輸層，能夠提供傳輸數(shù)據(jù)的能力。在便攜式電腦中，該層是PC卡或通用串行總線(USB)，該層的目標(biāo)是透明化。主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序(它與主機(jī)控制器對(duì)話)不關(guān)心它是運(yùn)行在USB上還是PC卡上。USB和PC卡對(duì)主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送到主機(jī)控制器的數(shù)據(jù)不能進(jìn)行處理，這樣主機(jī)控制器接口和主機(jī)控制器可以進(jìn)行升級(jí)，升級(jí)不會(huì)對(duì)傳輸層有任何影響。 從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的處理過程中.主機(jī)上的HCI層驅(qū)動(dòng)程序與藍(lán)牙設(shè)備的HCI固件交換數(shù)據(jù)和指令。主機(jī)控制傳輸層(如物理總線)的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)镠CI層提供互