通过蓝牙无线技术实现PC端通话功能的研究论文.docx

通过蓝牙无线技术实现PC端通话功能的研
究

郑岚鹤 李文杰 左桂全
昆明冶金高等专科学校矿业学院，矿物加工技术，1400001423 1400001435 1400001424

摘要：通过蓝牙无线技术来实现与PC端之间的通话功能，实现两段之间的无线数据传送，此类产品的开发可以更好地将无线蓝牙的功能进一步的开发出来，使蓝牙得到更多的使用，而且蓝牙技术也可以作为独立的通信模板应用到各种不同的场合。
关键词：蓝牙技术 无线技术 PC端连接 蓝牙协议
引言：蓝牙技术作为一种无线数据与语言通信的开放性全球规范可提供低功耗，低成本的无线空中接口，在各种固定与移动设备之间实现短距离的无线通信。生活中，各种小型外设与ＰＣ间的无线数据交换很常见，尤其是在工业控制，数据采集等场合中，单片机与ＰＣ间的无线通信更加频繁。本文就是基于这种需要提出了一种单片机与ＰＣ通过蓝牙技进行无线数据通信的实现方案，主要工作是在单片机端和ＰＣ端来实现两者之间的数据传送，来达到预期的效果。蓝牙(Bluetooth)是一种低成本、短距离的无线通信技术,主要用途是为移动设备提供相互通信的能力。对于我们广大用户来说,蓝牙技术最大好处就在于让我们在短距离内不用再被纷乱复杂的数据线影响,可以自由自在地享受数据传输的方便与快捷。现在大多数手机、笔记本电脑都支持蓝牙功能,即使PC端没有集成蓝牙装置,也可通过USB口外接蓝牙适配器来拥有蓝牙功能。只要手机支持蓝牙功能,就可以使用JSR82开发包来实现手机之间短距离的通信。那么手机与PC之间、PC与PC之间是否也可以通过JSR82包来实现短距离通信呢?以手机与PC之间通信为例,可分为两种情况:一是PC端集成了蓝牙设备或者PC端的操作系统能默认安装外接的蓝牙适配器。在这种情况下,PC可方便地通过JSR82包实现与手机的通信。二是PC端操作系统版本较低或者操作系统不能默认安装适配器,只能用蓝牙适配器生产厂商提供的驱动程序来驱动蓝牙设备,这种情况是普遍存在的,而且这种情况下,PC端

蓝牙的背景
1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣组，以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。芯片霸主Intel公司负责半导体芯片和传输软件的开发，爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发，IBM和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。1999年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三康、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品，使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景，并预示着21世纪初将迎来波澜壮阔的全球无线通信浪潮。

蓝牙的概述
蓝牙是一种短距离无线通信技术，用于替代数据设备牙设备运行在和计算机外设备间的电缆连接以及实现数字设备间的无线组网，蓝牙工作在向全球统一开放的2.4GHz工业、科学、医学频段，可以同时传输数据和语音，至多8个活动的蓝牙设备可以共享信道带宽，形成所谓的匹克网。在每一个piconet中，有一个为蓝牙主设备，其余7个为从设备，同时容许有更多的从设备以暂停的方式锁定到主设备。多个piconet可以相互重叠。 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个9 x 9 mm的微芯片中。例如，如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑中，就可以去掉移动电话与膝上型电脑之间的令人讨厌的连接电缆而而通过无线使其建立通信。打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。除此之外，蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为1Mb/s。时分双工传输方案被用来实现全双工传输。ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做伪随机码，就是假的随机码）不断地从一个信道"跳"到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。FEC（Forward Error Correction，前向纠错）的使用抑制了长距离链路的随机噪音。应用了二进制调频（FM）技术的跳频收发器被用来抑制干扰和防止衰落。蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。在被保留的时隙中可以传输同步数据包，每个数据包以不同的频率发送。一个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被扩展到占用5个时隙。蓝牙可以支持异步数据信道、多达3个的同时进行的同步话音信道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持64kb/s同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为721kb/s而另一端速率为57.6kb/s的不对称连接，也可以支持43.2kb/s的对称连接。蓝牙系统由以下功能单元组成：无线单元链路控制单元链路管理软件功Definitions 名词解释： Piconet：通过蓝牙技术连接在一起的所有设备被认为是一个piconet，一个piconet可以只是两台相连的设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是八台连在一起的设备。在一个piconet中，所有设备都是级别相同的单元，具有相同的权限。但是在piconet网络初建时，其中一个单元被定义为master ，其它单元被定义为slave。 Scatternet：几个独立且不同步的piconet组成一个scatternet。Master unit：主单元即在一个piconet中，其时钟和跳频顺序被用来同步其它单元的设备。Slave units：从单元即piconet中不是master的所有设备。 Mac address：用来区分piconet中各单元的长度为3比特的地址。 Parked units：暂停单元即piconet中与网络保持同步但没有Mac address的设备。 Sniff and hold mode：呼吸与保持模式与网络同步但进入睡眠状态以节省能源的一种工作模式。网络技术蓝牙技术支持点对点和点对多点连接。几个piconet可以被连接在一起，靠跳频顺序识别每个piconet。同一picone所有用户都与这个跳频顺序同步。其拓扑结构可以被描述为"多piconet"结构。在一个"多piconet结构中，在带有10个全负载的独立的picon的情况下，全双工数据速率超过6Mb/s。话音话音信道采用连续可变斜率增量调制（CVSD）话音编码方案，并且从不重发话音数据包。CVSD编码擅长处理丢失和被损坏的语音采样，即使wk_ad_begin({pid : 21});wk_ad_after(21, function(){$('.ad-hidden').hide();}, function(){$('.ad-hidden').show();}); 比特错误率达到4%，CVSD编码的语音还是可听的。无线蓝牙空中接口是建立在天线电平为0dBm的基础上的。空中接口遵循FCC(美国联邦通信委员会）有关电平为0dBm的ISM频段的标准。如果全球电平达到100mW以上，可以使用扩展频谱功能来增加一些补充业务。频谱扩展功能是通过起始频率为2.402，终止频率为2.480，间隔为1MHz的79个跳频频点来实现的。出于某些本地规定的考虑，日本、法国和西班牙都缩减了带宽。最大的跳频速率为1660跳/秒。理想的连接范围为10厘米--10米，但是通过增大发送电平可以将距离延长至100米。基带基带部分描述了硬件--基带链路控制器的数字信号处理规范。基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。建立网络连接在piconet内的连接被建立之前，所有的设备都处于standby（待令）状态。在这种模式下，未连接单元每隔1.28秒周期性地"监听"信息每当一个设备被激活，它就监听规划给该单元的32个跳频频点。跳频频点的数目因地理区域的不同而异，32这个数字只适用于除日本、法国和西班牙之外的大多数国家。作为master的设备首先初始化连接程序，如果地址已知，则通过寻呼（page）消息建立连接，如果地址未知，则通过一个后接page消息的inquiry（查询）消息建立连接。在最初的寻呼状态，master单元将在分配给被寻呼单元的16个跳频频点上发送一串16个相同的page消息。如果没有应答，master则按照激活次序在剩余16个频点上继续寻呼。Slave收到从master发来的消息的最大延迟时间为激活周期的2倍（2.56秒），平均延迟时间是激活周期的一半（0.6秒）。Inquiry消息主要用来寻找蓝牙设备，如共享打印机、传真机和其它一些地址未知的类似设备。Inquiry消息和page消息很相象，但是inquiry消息需要一个额外的数据串周期来收集所有的响应。如果piconet中已经处于连接的设备在较长一段时间内没有数据传输，蓝牙还支持节能工作模式。master可以把slave置为hold(保持)模式，在这种模式下，只有一个内部计数器在工作。slave也可以主动要求被置为hold模式。一旦处于hold模式的单元被激活，则数据传递也立即重新开始。Hold模式一般被用于连接好几个piconet的情况下或者耗能低的设备，如温度传感器。除hold模式外，蓝牙还支持另外两种节能工作模式：sniff(呼吸)模式和park(暂停)模式。在sniff模式下，slave降低了从piconet"收听消息的速率，呼吸"间隔可以依应用要求做适当调整。在park模式下，设备依然与piconet同步但没有数据传送。工作在park模式下的设备放弃了MAC地址，偶尔收听master的消息并恢复同步、检查广播消息。如果我们把这几种工作模式按照节能效率以升序排一下队，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暂停模式。连接类型和数据包类型连接类型定义了哪种类型的数据包能在特别连接中使用。蓝牙基带技术支持两种连接类型：同步定向连接（SCO）类型（主要用于传送话音）异步无连接（ACL）类型（主要用于传送数据包）同一个piconet中不同的主从对可以使用不同的连接类型，而且在一个阶段内还可以任意改变连接类型。每个连接类型最多可以支持16种不同类型的数据包，其中包括四个控制分组，这一点对SCO和ACL来说都是相同的。两种连接类型都使用TDD（时分双工传输方案）实现全双工传输。SCO连接为对称连接，利用保留时隙传送数据包。连接建立后,master和slave可以不被选中就发送SCO数据包。SCO数据包既可以传送话音，也可以传送数据，但在传送数据时，只用于重发被损坏的那部分的数据。ACL链路就是定向发送数据包，它既支持对称连接，也支持不对称连接。master负责控制链路带宽，并决定piconet中的每个slave可以占用多少带宽和连接的对称性。slave只有被选中时才能传送数据。ACL链路也支持接收master发给piconet中所有slave的广播消息。纠错基带控制器有三中纠错方案：1/3比例前向纠错（FEC）码2/3比例前向纠错码数据的自动请求重发方案FEC（前向纠错）方案的目的是为了减少数据重发的次数，降低数据传输负载。但是，要实现数据的无差错传输，FEC就必然要生成一些不必要的开销比特而降低数据的传送效率。这是因为，数据包对于是否使用FEC是弹性定义的。报头总有占1/3比例的FEC码起保护作用，其中包含了有用的链路信息。在无编号的ARQ方案中，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到收到的确认。只有数据在收端通过了报头错误检测和循环冗余检测后认为无错后才向发端回确认消息，否则，则返回一个错误消息。鉴权和保密蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。鉴权基于"请求-响应"运算法则。鉴权是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域，比如只允许主人自己的笔记本电脑通过主人自己的移动电话通信。加密被用来保护连接中的个人信息。密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的安全机制。链路管理链路管理（LM）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。LM能够发现其它远端LM并通过LMP（链路管理协议）与之通信。LM模块提供如下服务：发送和接收数据请求名称。LM能够有效地查询和报告名称或者长度最大可达16位的设备ID链路地址查询建立连接鉴权链路模式协商和建立，比如数据模式或者话音/数据模式。在连接建立过程中模式是可以变更的。决定帧的类型。将设备设为sniff模式。工作在在sniffe模式的设备只接收M时隙的数据。M时隙的位置是由LM协商决定的。master只能有规律地在特定的时隙发送数据。将设备设为hold模式。工作在hold模式的设备为了节能在一个较长的周期内停止接收数据，平均每4秒激活一次链路，这由LM定义，L（链路控制器）具体操作。当设备不需要传送或接收数据但仍需保持同步时将设备设为暂停模式。处于暂停模式的设备周期性地激活并跟踪同步，并检查page消息。软件结构蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求。对某些设备，这种要求涉及到无线模块、空中协议以及应用层协议和对象交换格式。但对另外一些设备，比如耳机，这种要求就简单得多。蓝牙设备必须能够彼此识别并装载与之相应的软件以支持设备更高层次的性能.蓝牙对不同级别的设备(如PC、手持机、移动电话、耳机等）有不同的要求，例如，你无法期望一个蓝牙耳机提供地址簿。但是移动电话、手持机、笔记本电脑就需要有更多的功能特性。软件结构需有如下功能：设置及故障诊断工具能自动识别其它设备取代电缆连接音频通信与呼叫控制商用卡的交易与号簿网络协议PC 蓝牙规范接口可以直接集成到笔记本电脑或者通过PC卡或USB接口连接。笔记本电脑的使用模型包括：通过蓝牙蜂窝电话连接远端网络利用蓝牙蜂窝电话做扬声器蓝牙笔记本电脑、手持机和移动电话间的商用卡交易蓝牙笔记本电脑、手持机和移动电话间的时间同步蓝牙是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。适用于几种不同商用操作系统的蓝牙规范正在完善中。电话蓝牙规范接口可以直接集成到蜂窝电话中或通过附加设备连接。电话的使用模型包括（可选）：通过蓝牙无线耳机实现电话的免提功能与笔记本电脑和手持机的无电缆连接与其它蓝牙电话、笔记本电脑和手持机的商用卡交易与信任的蓝牙笔记本电脑或手持机自动同步地址簿其它蓝牙设备的使用模型包括：手持机和其它便携设备·人机接口设备·数据及话音接入点
注释：CVSD：Continuous Variable Slope Delta Modulation，连续可变斜率增量调制。一种自适应增量调制技术，能够获得高质量传输的音频编码。FCC：Federal Communications Comission，美国联邦通信委员会SCO：Synchronous Connection Oriented ，同步定向连接ACL：Asynchronous Connectionless ，异步无连接TDD：Time Division Duplex ，时分双工传输

蓝牙的协议
蓝牙的核心协议由基带,链路管理,逻辑链路控制与适应协议和服务搜索协议等4部分组成
（1）基带协议
基带协议确保各个蓝牙设备之间的射频连接，以形成微微网络。
（2）链路管理协议
链路管理协议（LMP）负责蓝牙各设备间连接的建立和设置。LMP通过连接的发起，交换和核实进行身份验证和加密，通过协商确定基带数据分组大小；还控制无线设备的节能模式和工作周期，以及微微网络内设备单元的连接状态。
（3）逻辑链路控制和适配协议
逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）是基带的上层协议，可以认为L2CAP与LMP并行工作。L2CAP与LMP的区别在于当业务数据不经过LMP时，L2CAP为上层提供服务。
（4）服务搜索协议
使用服务搜索协议（SDP），可以查询到设,备信息和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。[
.
蓝牙协议体系中的协议按SIG的关注程度分为四层：
1.核心协议：BaseBand、LMP、L2CAP、SDP；
2.电缆替代协议：RFCOMM；
3.电话传送控制协议：TCS-Binary、AT命令集；
4.选用协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。
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。

软件设计
PC部分软件设计
PC部分测试程序主要是开发蓝牙应用组建，测试程序运行于Windows操作系统之上，提供了USB和串口驱动程序，应用程序函数接口等，具体可分为PC串口初始化、蓝牙通信参数设定、蓝牙通用外接模块控制、HCl指令封装、数据信息处理等几个部分。其中第一步要做的工作是初始化计算机串口。第二步要进行的是蓝牙模板参数的设定，其中包括蓝牙设备主从设定、蓝牙模板初始化参数的设定、程序监测的设定等几个部分。当收到参数设定成功的消息后，进行下一步，向通用外接模块串口发送命令消息来实现蓝牙设备的初始化、查询、链接建立过程，在收到通用模块发回的链接建立完成后的反馈信息，即可按一定的格式将数据信息发往通用外接模块接口，完成数据信息的无线传输。

通用外接模块软件设计
通用外接模块一方面从 PC方的RS-232串口接收PC端的公共参数信息、命令信息及数据信息，另一方面发送相应的HCI指令给蓝牙模块ROK 101 007，然后将返回的事件进行分析处理，最终将有关程序状态、通讯数据信息返回给本地PC。软件实现的全部功能是通过C51语言进行开发的，由专用寄存器设置子程序、中断处理程序、定时器中断程序、看门狗程序、链路初始化子程序、链路建立子程序、通信数据处理子程序、断开链路子程序、蓝牙测试子程序等功能块来完成。所有程序信息对于通用外接模块以外的扩展应用主体而言都是不可见的，扩展应用只需按一定的格式发送相应的信息给通用的外接模块即可完成整个通信过程。

结论
通过蓝牙无线技术来实现PC端的通话功能，可以利用手机来远程控制电脑，此外蓝牙技术在不断的完善，给 组建无线办公场所、家电无线组网、工业无线控制、设备安全提供了技术支持。；蓝牙在短距离的无线通话中显示了优越性，其应用范围也不断扩展，坚信蓝牙有个美好的明天！

参考文献
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4、 邓荣华，范赣军，基于BlueCore2-Exlemal蓝牙芯片的USB接口的设计和实现，现代电子技术2005
致谢
通过这段时间对蓝牙的研究学习，我学到了很多以前不知道的知识，并且也在研究中培养了一种做事情要有一丝不苟的态度和耐心，要有坚持不放弃的决心。
在此我要向这次活动的举办处表示感谢，让我通过这次机会学到了更多关于蓝牙的知识。
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