基于蓝牙技术的数据传输系统的设计.docx

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基于蓝牙技术的数据传输系统的设计

分类号:

学校代码:

11460

学号:

南京晓庄学院本科生毕业论文

基于蓝牙技术的数据传输系统的设计

Thedesignofthedatatransmissionsystembasedonbluetoothtechnology

所在院（系）：

物理与电子工程学院

学生姓名：

指导教师：

研究起止日期：

二○一二年十月至二○一三年五月

二○一三年五月

学位论文独创性声明

本人郑重声明：

1.坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。

2.本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。

3.本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。

4.本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。

5.其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。

作者签名：

日期：

2013年5月

摘要

蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，可提供低功耗、

短距离的无线空中接口，在各种固定与移动设备之间实现无线通信。

在移动通信、

无线数据采集、无线遥控与遥测、计算机网络及自动控制等多种领域，蓝牙技术

都有着广泛的应用。

蓝牙协议规范具有多个层次，完整的蓝牙协议栈的开发是一项很复杂的工程，

而在大多数嵌入式应用中，只是需要实现基本的无线数据传输功能，并不需要实

现全部的蓝牙协议栈。

针对此类应用，若是能提供一套实用的蓝牙无线接口、实

现一个通用的无线数据传输模块，就可以比较有效地缩短开发周期，降低开发成

本。

本文正是基于此目标，首先介绍了蓝牙技术的优势和工作原理，分析了蓝牙系统

组成，比较了蓝牙与其他无线技术，并在此基础上，做了蓝牙数据传输的实现实验，包含非同步音频，同步音频，音乐信号，数据传输等。

关键字：

蓝牙；数据传输；接口；单片机

ABSTRACT

bluetoothtechnologyasakindofwirelessdataandvoicecommunicationopenglobalspecification,canprovidelowpowerconsumption,shortdistancewirelessairinterface,realizethewirelesscommunicationbetweenthevariouskindsoffixedandmobiledevices.Inmobilecommunications,wirelessdatacollection,wirelessremotecontrolandremotesensing,computernetworkandavarietyoffieldssuchasautomaticcontrol,bluetoothtechnologyhasbeenwidelyused.Bluetoothprotocolspecificationhasmultiplelayers,thecompletedevelopmentofbluetoothprotocolstackisaverycomplexproject,andinmostembeddedapplications,justneedtorealizethebasicwirelessdatatransmissionfunction,doesnotneedtoimplementallofthebluetoothprotocolstack.Forsuchapplications,ifyoucanprovideasetofpracticalbluetoothwirelessinterfaceandimplementauniversalwirelessdatatransmissionmodule,caneffectivelyshortenthedevelopmentcycle,reducedevelopmentcosts.Wasbasedonthisgoal,thispaperfirstlyintroducestheadvantagesofbluetoothtechnologyandworkingprincipleofthebluetoothsystemareanalyzed,comparedthebluetoothandotherwirelesstechnology,andonthisbasis,therealizationofbluetoothdatatransmissionforexperiment,containingasynchronousaudio,synchronizationofaudioandmusicsignals,datatransmission,etc.

Keyword:

Bluetooth;Datatransmission;Interface;Singlechipmicrocomputer

一综述

1.1蓝牙技术及优势

1.1.1蓝牙概念

蓝牙技术是一种短距离、低成本（在进行无线通讯时是免费的）的无线电技术，能够有效的简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间和因特网（internet）的通信。

1.1.2蓝牙产品技术

诞生日：

1998年5月

开发者：

爱立信、IBM、Intel、诺基亚、东芝等5家公司联合制定近距离无线通信技术标准

传输频段：

全球公众通用的2.4GHzISM（工业、科学、医学）频段

传输速率：

1Mbps

传输距离：

10m-100m

名称由来：

取自公元十世纪征服丹麦、挪威的国王HeraldBluetooth的名字。

由于蓝牙传输使用的电力很低，有效范围约为十米，因此，支持蓝牙传输技术的产品，大多属于便携式的电子装置，或是放在电脑附近的设备。

例如笔记本电脑、PDA、手机、耳机、键盘、鼠标、数码相机、DV摄像机等等。

1.1.3蓝牙与其他类似技术的特性比较

蓝牙与其它传输方法比对：

项目＼传输技术

蓝牙

红外线

一般传输线

传输方式

无线

红外线

有线

有效范围

10～100米之内

1米距离内

视线长而定

1.1.4蓝牙的优势

（1）、全球范围适用

蓝牙的工作在全球统一开放的2.4GHz工业、科学、医学（Industrial,ScientificandMedical,ISM）频段上进行，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4-2.4835GHz，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。

（2）、实用范围广

可用于手表、PC、NB、PDA、手机、打印机和汽车等多种领域。

（3）、抗干扰能力强

蓝牙采用了跳频方式来扩展频谱，将2.402-2.480GHz频段分成79个频点（2408+k（MHz）,k=0,1,2……78），相邻频点间隔1MHz。

蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频段持续625µs，多被用于军事等领域。

蓝牙产品采用跳频技术，能够抗信号衰落，采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性；采用纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声干扰。

（4）、同时传输数据和语音

蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持一个异步数据信道、3个并发的同步语音信道以及一个同时传送异步数据信道和同步语音的信道。

每一个话音信道数据速率为64kbit/s,当采用非对称信道传输数据时，速率最高为721kbit/s，反向为57.6kbit/s；当采用对称信道传输数据时，速率最高为432.6kbit/s。

蓝牙有两种链路类型：

异步无连接链路（ACL）和同步面向连接链路（SCO）。

（5）、低耗能

蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式即——激活（Active）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式和休眠（Park）模式。

Active模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低耗能模式。

1.2蓝牙工作原理

其基本实现原理为蓝牙设备依靠专用的蓝牙微芯片能使设备在短距离范围内发送无线电信号，来寻找另一个蓝芽设备。

一旦找到，相互之间便开始通信，交换信息。

1.2.1蓝牙的无线通信技术特征

蓝牙的无线通信技术采用每秒1600次的快跳频和短分组技术，减少干扰和信号衰落，保证传输的可靠性；

以时分方式进行全双工通信，传输速率设计为1MHz；

采用前向纠错（FEC）编码技术，减少远距离传输时的随机噪声影响；

其工作频段为非授权的工业、医学、科学频段（2.4GHz的ISM频段），保证能在全球范围内使用这种无线通用接口和通信技术；

话音采用抗衰落能力很强的连续可变斜率调制（CVSD）编码方式以提高话音质量；

采用频率调制方式，降低设备的复杂性。

1.2.2拓扑结构

蓝牙系统支持点对点以及点对多点通信。

几个相互独立、以特定方式连接在一起的微微网构成分布式网络，各微微网由不同的跳频序列来区分。

在同一微微网中，所有的用户均用同一跳频序列同步。

1.2.3连接建立的过程及其工作状态的转换

在微微网建立之前，所有设备都处于就绪（STANDBY）状态。

在该状态下，未连接的设备每隔1.28秒监听一次消息，设备一旦被唤醒，就在预先设定的32个跳频频率上监听信息。

跳频数目因地区而异，但32个跳频频率为绝大多数国家所采用。

连接进程由主设备初始化。

如果一个设备的地址已知，就采用寻呼消息（Pagemessage）建立连接；如果地址未知，就采用紧随寻呼消息的查询消息（Inquirymessage）建立连接。

查询消息主要用来查询地址未知的设备（如公用打印机、传真机等），它与寻呼消息类似，但需要附加一个周期来收集所有的应答。

在寻呼状态（PAGEstate），主设备在16个跳频频率上发送一串相同的页信息给从设备，如果没有收到应答，主设备就在另外的16个跳频频率上发送寻呼消息。

主设备到从设备的最大时延为两个唤醒周期（2.56秒），平均时延为半个唤醒周期（0.64秒）。

在微微网中，无数据传输的设备转入节能工作状态。

主设备可将从设备设置为保持方式（HOLDmode），此时，只有内部定时器工作；从设备也可以要求转入保持方式。

设备由保持方式转出后，可以立即恢复数据传输。

连接几个微微网或管理低功耗器件（如温度传感器）时，常使用保持方式。

监听方式（SNIFFmode）和休眠方式（PARKmode）是另外两种低功耗工作方式。

在监听方式下，从设备监听网络的时间间隔增大，其间隔大小视应用情况由编程确定；在休眠方式下，设备放弃了MAC地址，仅偶尔监听网络同步信息和检查广播信息。

各节能方式依电源效率高低排列为：

休眠方式→保持方式→监听方式。

1.2.4蓝牙对语音和数据的支持

为了保证各种使用场合的应用，蓝牙的基带协议是电路交换和分组交换的组合，可以同时支持语音和数据的传输。

该技术支持两种连接方式：

面向连接（SCO）方式，主要用于话音传输；无连接（ACL）方式，主要用于分组数据传输。

在同一微微网中，不同的主从设备可以采用不同的连接方式，在一次通信中，连接方式可以任意改变。

每一连接方式可支持16种不同的分组类型，其中控制分组有4种，是SCO和ACL通用的分组，两种连接方式均采用时分双工（TDD）通信。

SCO为对称连接，每一个话音通道支持64kbps的同步话音，支持限时话音传送，主从设备无需轮询即可发送数据。

SCO的分组既可以是话音又可以是数据，当发生中断时，只有数据部分需要重传。

ACL是面向分组的连接，它支持对称和非对称两种传输流量：

ACL的非对称连接支持正向速率721kbps、反向应答速率为57.6kbps的；对称连接速率为432.6kbps。

ACL也支持通过广播方式发送信息。

在ACL方式下，主设备控制链路带宽，负责从设备带宽的分配；从设备依轮询发送数据。

1.3蓝牙硬件单元

蓝牙模块包括以下两个部分：

1.3.1无线射频（RF）单元

蓝牙系统的天线发射功率符合FCC关于ISM波段的要求。

系统设计的通信距离为10米（0db），如果增加发射功率（20db），这一距离也可以达到100米。

1.3.2基带（Baseband,BB）和链路管理（LinkManager,LM）单元

BB负责跳频和蓝芽数据及信息帧的传输。

LM负责连接的建立和拆除。

它们实现的功能包括：

对SCO和ACL连接方式的支持；差错控制，可以采用多种检纠错方式，其中包括前向纠错编码（FEC）；物理层的认证与加密；链路管理。

1.4蓝牙软件协议栈

协议栈结构:

图1.1蓝牙软件协议栈

底部协议层包括链路管理协议（LinkManagerProtocol,LMP）和基带（Baseband）控制部分。

链路管理协议实现链路的建立、认证及链路配置等。

其中的服务项目包括：

接收和发送数据、设备号请求、链路地址查询、建立连接、认证与加密、协商并建立连接方式、确定分组的帧类型、设置监听方式、设置保持方式以及设置休眠方式等。

基带（Baseband）控制部分负责跳频和蓝芽数据及信息帧的传输，包括对纠错编码的支持，对SCO和ACL包的组织，流控等。

中间协议层包括逻辑链路控制和适应协议（LogicalLinkControlandAdaptationProtocol,L2CAP）、服务发现协议（ServiceDiscoveryProtocol,SDP）、串口仿真协议RFCOMM和电话通信协议（TelephonyControlProtocol,TCS），对象交换协议（ObjectExchange，OBEX）。

L2CAP完成数据的拆装、服务质量和协议复用等功能，是其他上层协议实现的基础。

SDP为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用的服务及其特性。

RFCOMM基于ETSI标准TS07.10在L2CAP上仿真9针RS232串口的功能。

TCS提供蓝芽设备间话音和数据的呼叫控制信令。

对象交换协议（ObjectExchange，OBEX）是ExtendedSystems公司为红外通信的高层应用开发的协议，现在已成功的应用于蓝牙协议栈中。

在BB和LM上与L2CAP之间还有一个主机控制接口层（HostControllerInterface,HCI）。

HCI是蓝芽协议中软硬件之间的接口，它提供了一个调用下层BB、LM、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。

HCI协议以上的协议软件实体运行在主机上，而HCI以下的功能由蓝牙模块来完成，二者之间通过一个对两端透明的传输层进行交互。

1.5蓝牙技术应用

图1.2蓝牙技术应用

蓝牙技术能够在短时间内在世界范围内成为了标准，其主要原因在于它不仅可以让许多种智能设备无线互连，可以传输文件、支持语音通信，可以建立数据链路等，它还有更多地作用。

1.5.1蓝牙可以为局域设备提供互连

在一个微微网络中，蓝牙能够对8个接收器进行同步互连。

使用蓝牙技术通信的设备可以发送和接收1Mbit/s的数据。

但是实际上当允许多个应用设备进行同步通信时，数据传输率会在某种程度上降低。

目前不在网络中的蓝牙设备，将持续听从其他蓝牙设备的动向，当它们足够接近成为微微网的一部分时，它们将确定自己，如果需要，其他的设备可以与其通信。

1.5.2支持多媒体终端

3G终端将提供接口接入许多不同格式的信息和通信，例如WEB浏览、电子邮件传输和接收、视频和语音，使它们成为真正的多媒体终端。

语音仍是通信的主要形式，在蓝牙规范中已经意识到这一点，并对此提供特别支持，支持64Kbit/s的高质量演说信道。

随着支持分组包数据和演说的能力不断提高（如果需要可以同时进行），蓝牙可以为这些多媒体应用提供完全的局域支持。

蓝牙收发器可以支持多个数据连接并可同时达到3个语音连接，为3个手持无绳多媒体/互联系统提供完全的功能性。

1.5.3家庭网络

在一个典型的家庭中，有各种形式的娱乐设备（电视/VCR、 Hi-Fi），不同来源的主题信息（报纸、杂志、电视报）和特别是在厨房中的功能性设备（烤炉、微波炉、冰箱/冰柜、中央暖气系统）。

虽然这些项目组目前没有办法相互连接，可以设想将其与蓝牙设备组成宽松的连接，不管这些设备在那里，它的控制和接入将成为用户的核心。

设想一个简单的数据便签簿，与PDA（或智能电话）类似，但是使用蓝牙收发器和轻触屏幕。

它轻巧便捷，带有高级像素驱动菜单，很容易使用。

无线红外遥控的应用将成为过去，你的PDA将控制所有的娱乐设备。

1.5.43G可能支持的应用

以下的例子说明3G和蓝牙技术如何合作，为一系列广泛的应用提供局域互联和广泛的区域连接。

这些不很确定，而且绝不详尽，但是目的在于展示互补的标准可以提供更高层次的服务。

购物中心的自动售货机，在一个限定范围内的所有的自动售货机都可以通过蓝牙接入系统与中心的售货机管理设备相连，相反这样也可以使用3G接入系统进行维护或者提供货物。

少数问题可以直接通过蓝牙发报机传递给购物中心的技术人员。

许多人相信移动电话将成为电子商务世界中的首选便携设备。

但是，目前需要一个分离的智能卡保存电子现金，然而为了让它被销售点终端识别，没有人想要从电话中去除SIM。

当然当SIM（现在它成为多功能智能卡）放在电话中时，蓝牙将使其得到识读。

二蓝牙的组成及功能

2.1蓝牙通信模块组成及功能:

图2.1蓝牙通信模块

蓝牙通信模块由底板和核心板两块构成,如图2.3所示,核心板主要包括蓝牙芯片模块和天线两部分.底板主要是一些外围电路.蓝牙芯片模块供电为3.3V,本实验板采用5V电压经过SG2011变换后成3.3V的蓝牙供电电压,经过电源总开关SW502给开发板供电，LED506为电源指示灯。

K501为蓝牙芯片模块的复位开关，可给模块进行复位。

下面是本实验平台所用蓝牙模块的功能框图：

图2.2蓝牙模块的功能框图

实验平台所用蓝牙通信模块采用CSR的BC02蓝牙芯片，使用50欧姆的倒F天线。

通信距离为10米。

蓝牙模块引出了SPEAKEROUT、MICINPUT、SPI、UART、USB、PIOS、AIOS接口，方便用户开发使用。

考虑到蓝牙开发技术要求比较高，购买开发软件开支较大，为方便一般教学演示使用，我公司在产品出厂时已在模块内烧好应用程序。

主端预先存储了从端地址，上电后自动建链，无需人工干预。

蓝牙模块提供功能：

1、两边通明数据传输，最大数据传输速率为1.4Mbps;

2、两边全双工音频通信；

3、串口数据传输：

9600Baud8位1位停止位无奇偶校验

2.2蓝牙芯片

KC-04表贴式蓝牙串口模块、蓝牙GPS模块　

　　凯春科技开发生产的KC04英嵌入式蓝牙串口模块开放了CSR蓝牙芯片（BC02_Audio_Flash）的所有功能引脚，模块电路板为0.8mm四层板，采用激光盲孔加工工艺，引脚采用半孔加工工艺，体积尺寸紧凑，非常适合客户开发各种运用。

　　KC－04蓝牙模块主要性能参数

　　1、频段：

2.40GHz—2.48GHz，ISM　Band

　　2、蓝牙协议：

BlueTooth　V1.1

　　3、功率等级：

Class2（＋6dBm）

　　4、操作电压：

3V（2.7～3.3V）

　　5、端口：

USB口、RS232口（最大波特率为1.4Mbps）、Audio音频口、数字IO口12条，两路模拟量输入ADC、一路数模转换DAC输出。

　　6、工作温度：

－40℃至＋105℃。

三原理

1．系统结构原理

本课题以单片机和蓝牙模块Kc-04为主，设计了基于蓝牙无线传输的数据采集系统，整个装置由前端数据采集、传送部分以及末端的数据接受部分组成（如PC机）。

前端数据采集部分由位于现场的传感器、信号放大电路、A/D转换器、单片机、存储器、串口通信等构成,传送部分主要利用自带微带天线的蓝牙模块进行数据的无线传输；末端通过蓝牙模块、串口通信传输将数据送到上位PC机进一步处理。

整个系统结构框架图如图1所示。

AT89C51单片机作为下位机主机，传感器获得的信号经过放大后送入12位A/D转换器AD574A进行A/D转换，然后将转换后的数据存储到RAM芯片6264中。

下位机可以主动地或者在接收上位机通过蓝牙模块发送的传送数据指令后，将6264中存储的数据按照HCI-RS232传输协议进行数据定义，通过MAX3232进行电平转换后送至蓝牙模块，由篮牙模块将数据传送到空间，同时上位机的蓝牙模块对此数据进行接收,再通过MAX3232电平转换后传送至PC机，从而完成蓝牙无线数据的交换。

图1.基于蓝牙无线传输的数据采集系统结构框架图

2．数据采集系统的下位机电路设计

信号放大电路主要采用高共模抑制比放大电路，它由三个集成运算放大器组成，本课题选用的集成运算放大器TL082具有高精度、低漂移的特性。

AT89C51与A/D转换器AD574A及外扩数据存储器6264的接口示意图如图2所示。

AT89C51通过地址译码器74LS138、地址锁存器74LS373，对A/D转换器、数据存储器进行地址选择。

图2.AT89C51与AD574及外扩数据存储器6264的接口示意图

蓝牙模块与AT89C51串口之间采用蓝牙模块提供的RS232传输层接口实现通信，需要外接电路实现电平转换，由于蓝牙模块需3.3V供电，因此这里选用MAX3232芯片作电平转换芯片。

另外，为了将5V输入电压转换为3.3V电压，选用电源稳压芯片7301为蓝牙模块供电。

AT89C51通过MAX3232与蓝牙模块的接口示意图如图3所示。

图3.AT89C51通过MAX3232与蓝牙模块的接口示意图

3.数据采集和蓝牙通信的软件实现

本课题的软件主要包括两部分：

数据采集和蓝牙通信，采用汇编语言和C51混合编程。

为了保证数据采集的实时性，数据采集部分采用汇编语言编程，单片机采用定时采样，具体选择定时方式2，定时为100微秒，定时结束后，进行A/D转换，单片机采用查询的方式读取AD574A的转换结果，然后将转换后的数据存至外扩存储器6264中。

另外，串行口工作在方式1，波特率为9600bps。

蓝牙通信部分采用C51编程，主要实现利用主机控制器接口HCI层建立点对点的蓝牙异步无链接数据传输通道，当两个蓝牙模块链路建立成功后，就可以按照蓝牙规范规定的HCI数据分组格式收发数据。

 两个蓝牙设备间进行数据通信是通过HCI分组实现的，HCI作为蓝牙软件协议堆栈中软硬件之间的接口，为上层提供了访问和控制蓝牙硬件的统一接口。

HCI是通过分组（Packet）的方式来进行信息交换的。

HCI分组有三种类型:

指令分组（CommandPacket）、事件分组（EventPacket）和数据分组（DataPacket）。

主机与蓝牙模块用指令--应答方式进行通信，主机向主机控制器发送指令分组；主机控制器执行某一指令后，大多数情况下会返回给主机一个指令完成事件分组（CommandCompleteEventPacket），该分组携带有指令完成的信息。

有些分组不会返回指令完成事件，而