蓝牙BLE基础知识

目录

一、初识蓝牙BLE

1.课程介绍

2.为什么需要蓝牙技术

3.蓝牙发展历史

4.蓝牙技术优势

5.蓝牙技术简介

6.学习补充

二、物理层（Physical layer）

1.模拟调制

2.数字调制

3.射频信道

4.学习补充

三、链路层（link layer）

1.白化

2.链路层状态机

3.状态机详解

4.链路层数据包格式

5.知识补充

四、控制接口层(HCL)

1.物理接口

2.逻辑接口

3.HCI两种格式类型

五、L2CAP和属性

1.L2CAP介绍

2.L2CAP信道标识

3.学习收获

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一、初识蓝牙BLE

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1.课程介绍

• 蓝牙BLE结构

2.为什么需要蓝牙技术

蓝牙和ziggbe技术更加的Low Power， 各个技术的使用场景不同， 各有优缺点。

3.蓝牙发展历史

4.蓝牙技术优势

比较于ziggbe， ble的传输速率更快。

5.蓝牙技术简介

        蓝牙技术是一种无线通信技术，可以通过短距离无线信号传输数据。它使用在2.4GHz频段的无线电波来传输数据，具有低功耗、低成本和短距离通信的特点。 蓝牙技术最初是由爱立信公司在1994年提出的，目的是解决移动设备之间的无线通信问题。蓝牙技术得名于丹麦国王哈拉尔德·布隆尼尔（Harald Bluetooth），他在10世纪时推动了丹麦和挪威两国的统一。 蓝牙技术的应用非常广泛，主要用于个人电子设备之间的短距离通信，比如手机、平板电脑、电脑、耳机、键盘、鼠标等。它也被广泛应用于汽车、家庭音频设备、医疗设备和物联网等领域。 蓝牙技术的特点包括简单易用、低功耗、广域覆盖、可靠性较高等。目前，蓝牙技术的版本不断升级，最新版本是蓝牙5.2，具有更广泛的覆盖范围、更高的传输速度和更低的功耗。 总之，蓝牙技术通过无线通信方式，使得各种设备之间可以方便地进行数据传输和通信，大大提高了设备的互连性和便利性。

6.学习补充

• 蓝牙BLE（Bluetooth Low Energy）和蓝牙Mesh

蓝牙BLE（Bluetooth Low Energy）和蓝牙Mesh是两种不同的蓝牙通信技术，其主要区别如下： 
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1. 功能：蓝牙BLE主要是用于设备之间低功耗的点对点通信，适用于诸如智能手表、健康传感器、蓝牙耳机等小型设备。而蓝牙Mesh则是为了支持大规模设备之间的多对多通信，适用于物联网场景中的照明控制、家庭自动化等应用。
2. 网络拓扑：蓝牙BLE采用主从设备的连接方式，即一个主设备可以与多个从设备进行通信。而蓝牙Mesh则是采用网状拓扑结构，其中每个设备都可以与其他设备直接通信，形成一个自组织、多对多的网络。
3. 数据传输方式：蓝牙BLE的数据传输较简单，通常是通过广播和连接的方式进行，适合小量数据传输。蓝牙Mesh则可以支持大规模设备之间的复杂数据传输，通过多跳技术将数据从一个设备传输到另一个设备。
4. 覆盖范围：蓝牙BLE的覆盖范围相对较近，通常在几十米的范围内进行通信。而蓝牙Mesh可以通过多跳技术扩大网络范围，支持更大的覆盖范围。
5. 应用场景：蓝牙BLE常用于个人设备和低功耗设备的通信，如智能手表、健康传感器等。蓝牙Mesh则适用于大规模设备之间的互联和控制，如智能家居、工业自动化等。
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总之，蓝牙BLE和蓝牙Mesh是两种不同的蓝牙通信技术，应用于不同的场景和设备。蓝牙BLE主要用于低功耗的点对点通信，而蓝牙Mesh则用于多对多、大规模设备之间的互联和控制。

• 为什么uart发送AT指令可以控制uart模块工作

二、物理层（Physical layer）

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• 物理层

无论是数据的发送还是数据的接收， 数据都是一层一层的转发的。物理层实现的是基本的高频信号的无线电波通信

1.模拟调制

采取不同的幅度和不同的频率来区分不同的数据

• 模拟调幅

• 模拟调频

2.数字调制

3.射频信道

物理层将蓝牙的通信频段分成了很多， 为了支持频率跳变技术， 防止干扰。

4.学习补充

• 蓝牙协议的物理层的具体的功能

蓝牙协议的物理层主要负责将数字信号转换为物理信号，以进行蓝牙设备之间的无线通信。具体来说，蓝牙的物理层干了以下几件事情：
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1. 调制与解调：物理层负责将数字信号转换为模拟信号，并将其调制成载波信号。这样，数字数据就能通过载波信号在空中传输。接收端则将接收到的模拟信号解调为数字信号。
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2. 频率跳变：为了避免与其他无线设备干扰，蓝牙物理层通过频率跳变（Frequency Hopping）技术，在不同的载波频率上进行传输。蓝牙设备每隔一段时间就会跳转到不同的频率上发送数据，因此能够抵御干扰。
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3. 信道管理：蓝牙物理层将频率划分为多个信道，用于传输数据。物理层通过频率跳变技术在这些信道之间切换，使得多个蓝牙设备能同时进行通信，而不互相干扰。
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4. 发射功率控制：物理层负责控制蓝牙设备的发射功率，以确保通信距离适中。发射功率的控制也有助于延长设备的电池寿命。
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总之，蓝牙协议的物理层负责将数字信号转换为物理信号，并通过调制、解调、频率跳变、信道管理和发射功率控制等技术提供可靠的无线通信。

• 为什么uart发送AT指令可以控制uart模块工作

三、链路层（link layer）

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链路层解决的问题是通信双方的连接和数据的传输， 一些组装， 校验等等

1.白化

白化这项技术也是为了解决数据传输和接收的问题

2.链路层状态机

3.状态机详解

什么是就绪态？就绪态是一种等待状态，等待上级下发指令从而进行指令的执行，做个比方，联欢会上你准备唱首歌，你和后台打好招呼，只要一招收就开始放伴奏，那么这个背后的操作人员就处于就绪态，等待你的指示形式，那么在蓝牙BLE的链路层，就绪态就是一种非活动的中间状态，它的重要之处就是听话，无时无刻在等待你得之灵形式，当你想让设备查看周围是否存在其他蓝牙设备时，可以告诉它帮我看看周围有没有可连接的设备，此时链路层就会从就绪态切换到扫描态扫描其他信息从而上报给你，如上图所示，任何的一种状态在处理完成之后都需要回到就绪态来继续等待指令，从就绪态可以前往扫描态、广播态和发起态三种状态。

扫描态即如同我们的耳朵，能够搜集周围的音频信息，蓝牙则是搜寻2.4G且符合蓝牙标准的数据信息，来告知我们周围是否存在其他设备，在蓝牙BLE中扫描态被分为两种形式

扫描态又分为主动扫描和被动扫描， 自动扫描自动的拿取设备的更多的信息。

连接态又分为两种分别是主连接和从连接。

4.链路层数据包格式

5.知识补充

• 蓝牙协议中的链路层具体干了什么

/*
在蓝牙协议中，链路层是蓝牙通信的最底层，负责提供可靠的数据传输和连接管理。具体来说，链路层在蓝牙设备之间进行以下操作：
​
1. 连接管理：链路层负责建立、维护和关闭蓝牙设备之间的物理连接。它处理设备之间的连接请求、连接确认和连接断开操作。
2. 数据传输：链路层通过数据链路层协议（例如ACL协议，Asynchronous Connection-Less）来传输数据，可进行可靠或不可靠的数据传输，具体取决于所选择的链路层服务类型。
3. 数据帧封装：链路层将来自上层（例如L2CAP协议）的数据进行封装成链路层数据帧，添加必要的控制信息（如帧同步、地址和误码检测）。
4. 分组与重组：链路层根据需求将链路层数据帧进行分组，使其适应蓝牙物理层的传输，然后再在接收端进行重组以还原数据帧。
5. 误码检测与纠正：链路层负责检测和纠正传输过程中的数据传输错误。它使用如CRC（循环冗余检测）等技术来检测和纠正数据错误，以确保传输的数据的可靠性。
​
需要注意的是，链路层只负责设备之间的数据传输和连接管理，并不处理更高级别的协议内容，如数据传输的语义和语法。这些更高级别的操作将由上层协议（如L2CAP、RFCOMM等）来处理。
*/

• host控制uart模块的原理理解

/*
host下发命令给控制器， 控制器接收命令做出处理回复主机这个过程叫做事件
​
我们发送的一些命令其实都是HCL层帮我们封装好的一些宏， 其实本质是一些数据
*/

• 如何理解MAC地址

/*
注意， 在发送复位指令的时候， 可能因为发送了复位指令在消息队列中的消息就不见了
​
MAC地址（Media Access Control address，媒体访问控制地址）是用于唯一标识网络设备的硬件地址。在计算机网络中，每个网络接口卡（NIC）都被分配了一个唯一的MAC地址。
​
理解MAC地址可以从以下几个方面来考虑：
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1. 唯一性：MAC地址是全球唯一的，并且由网络设备的制造商在生产过程中为每个设备分配。这样，每个网络设备都具有一个独特的MAC地址，用于识别和标识设备。
2. 硬件标识： MAC地址是与网络设备的物理硬件相关联的标识符。它通常由48位二进制数表示，分为六组，每组以冒号或破折号分隔。前三组称为组织唯一标识符（OUI），用于标识设备的制造商，后三组用于具体的设备标识。
3. 数据链路层：MAC地址在数据链路层起着重要作用。它用于在局域网（如以太网）中识别和定位物理设备。数据包通过包含源MAC地址和目标MAC地址的数据帧在网络中进行传输。
4. 不可更改性：通常情况下，MAC地址是固定的，不能修改。它是作为网络设备硬件的一部分而分配的，所以它唯一且不可更改。因此，MAC地址能够在网络中唯一地识别和标识设备。
​
总的来说，MAC地址是用于唯一标识网络设备的硬件地址，它由制造商分配，并且在数据链路层中用于定位和传输数据包。它的唯一性和不可更改性使得它成为网络中识别设备的重要标识符。
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标识在局域网内部的一些特定的标识好的物理设备
*/

四、控制接口层(HCL)

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1.物理接口

2.逻辑接口

因为逻辑接口面向的是将控制器和主机做在一起的这种方案设计的，所以在主机与控制之间通信就不需要硬件接口， 这种就叫做软件接口， 也就是逻辑接口

3.HCI两种格式类型

• 数据包数据格式

• 命令包格式

Reset类似的uart指令或者说是命令都是在芯片内部固化的程序进行解析的， 转换为对应的机器码， 指导硬件电路工作

五、L2CAP和属性

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1.L2CAP介绍

2.L2CAP信道标识

3.学习收获

• Elipese IDE

Eclipse IDE（Integrated Development Environment，集成开发环境）是一款开源的、跨平台的集成开发工具，主要用于软件开发和编程。它提供了丰富的功能和工具，包括代码编辑器、调试器、编译器、项目管理和版本控制等，可以用于开发多种编程语言，如Java、C++、Python等。
​
Eclipse IDE是一个非常受欢迎的开发工具，广泛用于企业级应用、Web开发、移动应用、科学计算和开源项目等各个领域。它的强大之处在于它的插件体系，允许开发者根据自己的需要安装各种插件，以扩展其功能和适应不同的开发需求。

• 关于蓝牙的l2cap层的理解

L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）是蓝牙协议栈中的一个重要层，位于蓝牙核心协议栈中的传输层之上。它提供了在蓝牙设备之间建立逻辑连接的功能，并定义了数据的传输方式和协议。
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L2CAP层主要负责以下几个方面的功能：
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1. 提供逻辑连接：L2CAP层允许两台蓝牙设备之间建立逻辑连接，建立了一个可靠的端到端通信通道。这个逻辑连接可以用于传输数据、通信和控制信息。
2. 分段与重组：L2CAP层将上层应用的数据进行分段，然后发送给接收方进行重组。这样可以适应不同的数据包大小，并保证数据的完整性。
3. 数据包的可靠性：L2CAP层可以使用可靠的传输方式来发送数据包，确保数据的可靠传输。它使用错误检测和重传机制来处理数据包的丢失、错误或损坏。
4. 流量控制：L2CAP层还提供了流量控制机制，以确保发送方和接收方之间的数据传输速度协调一致。这可以防止数据发送方的过载，保证数据传输的平稳性。
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总的来说，L2CAP层在蓝牙协议栈中扮演着重要的角色，负责建立逻辑连接、分段与重组数据、保证数据可靠性，以及控制数据传输的流量等功能。它为上层的应用提供了一个可靠的通信通道，并为蓝牙设备之间的数据传输提供了必要的支持。

• 为什么uart发送AT指令可以控制uart模块工作

通过单片机的UART发送AT指令使蓝牙模块工作的原因主要有以下几点：

1. AT指令集：蓝牙模块内部集成了AT指令集的解析和执行功能。AT指令集规定了各种操作命令的格式和功能，通过发送合适的AT指令，可以对蓝牙模块进行配置和控制。

2. UART通信：蓝牙模块一般通过UART与单片机进行通信。UART是一种通信接口，通过串口通信，单片机可以发送数据到蓝牙模块并接收来自蓝牙模块的响应。

3. 数据传输：通过发送特定的AT指令，单片机可以向蓝牙模块发送数据，蓝牙模块将这些数据进行处理并传输给其他设备，实现了蓝牙通信。

4. 配置和控制：AT指令还允许单片机对蓝牙模块进行配置和控制。通过发送不同的AT指令，可以设置蓝牙模块的名称、波特率、工作模式、传输协议等参数。

总的来说，通过单片机的UART发送AT指令，利用了蓝牙模块内部的AT指令集和UART通信功能，实现了对蓝牙模块的配置、数据传输和控制。