http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/9001517
蓝牙设计
1. 问:什么是蓝牙通信?
答:蓝牙通讯最初设计初衷是方便移动电话(手机)与配件之间进行低成本、低功耗无线通信连接,现在已经成为IEEE802.15标准,得到全球上万家厂商支持。
2. 问:如果从事蓝牙开发有没有前途?
答:严格地说,这不是一个技术问题,而是一个世界观问题。什么是前途?如果单纯是金钱,从事技术是不太可能暴富的(注意比尔.盖茨是个技术商人);如果想用你所能改善世界,这是可能的,毕竟蓝牙的主要用途是民用。附带说一句,考虑赚钱和改变世界是中国和西方人世界观的主要差别。
3. 问:蓝牙有什么优势?
答:首先是低功耗,以BLE 4.0为例,一节钮扣电池在静态工作状态可以支持一年;其次是低成本,TI公司的CC2540蓝牙SOC方案芯片出售价仅1美元,可以让人们低廉使用蓝牙技术;再次是开放性,2.4GHz的频段全球开放,没有政府监管;最后是适合时代潮流,现在是手机的时代,蓝牙技术本来就为它而生。
4. 问:蓝牙4.0协议和BLE是什么?
答:蓝牙4.0协议是2010年6月由SIG(Special Interest Group)发布的最新标准,它有2种模式:BLE(Bluetooth low energy)只能与4.0协议设备通信,适应节能且仅收发少量数据的设备(如家用电子);BR/EDR(Basic Rate / Enhanced Data Rate),向下兼容(能与3.0/2.1/2.0通信),适应收发数据较多的设备(如耳机)。
5. 问:目前支持蓝牙4.0的移动设备有哪些?
答:苹果公司的iPhone 4S、iPhone 5、miniPad和iPad 3;小米手机2;三星公司的Galaxy SIII和Note II;HTC ONE系列。
6. 问:如何开始蓝牙4.0的开发呢?
答:概括地讲至少以下三方面的准备吧。硬件方面,需要购买TI公司蓝牙迷你套件,包括蓝牙USB电子狗和KeyFob以及CC Debugger传真器;软件方面,安装IAR for 8051,TI公司BTool软件;技术知识,《CC2540/41 BLE Software Developer’s Guide 1.3》和《CC2540/41 User’s Guide》。
7. 问:刚开始接触蓝牙如何快速上手?
答:理论联系实践是比较好的学习方法,建议先学习《CC2540/41 BLE Software Developer’s Guide 1.3》,然后将SimpleBLEPerepheral工程导入IAR for 8051,结合电子狗和BTool,调试蓝牙通讯中的广播/连接/绑定/访问。光看书不动手,空虚;不看书光动手,浅薄。
8. 问:IAR调试CC2540时程序导入到了芯片的Flash中了吗?
答:确实。CC2540是SOC(System On Chip)芯片,它的内核就是8051,它需要从ROM中取指令,从RAM中取数据来运行。仿真时,CC Debugger会把程序导入芯片Flash中,再执行仿真。
9. 问:当IAR调试中出现警告“缺少断点,无法运行到main()”?
答:出现这个错误的原因是,IAR for 8051最多只能设置3个断点,如果设置过多,当程序下载后,将出现些调试警告。解决的方法很简单,去掉一些断点,再重新载入程序。
10. 问:为什么IAR调试时有很多变量无法查看它的值?
答:主要的原因是IAR编译器设置了优化功能,函数中的自动变量以及一些静态函数都被优化过了,所以没有生成对应的调试信息,无法查看和设置断点。解决的方法是关闭编译器的优化功能,右键点击工程的Options -> C/C++ Compiler -> Optimizations中的Level设置为None。
11. 问:蓝牙协议分层很多且比较复杂,该如何掌握呢?
答:蓝牙协议从应用层到物理层一共分了8层,看上去比较复杂且API函数很多。首先不必要知道每一层的具体实现,掌握与应用紧密关联GAP/GATT(或者GAP Role和GATT Profiles)层就可以满足大部分设计需要;每一层的软件都是通过OSAL来调用的,因此需要了解OSAL的基本原理:任务/事件/消息/定时器/动态分配内存;最后把蓝牙通讯过程理解,将有助于开发。
12. 问:OSAL是一个操作系统吗?
答:OSAL(Operating System Abstraction Layer)操作系统抽象层,它不是一个真正的操作系统(它没有Context Switch上下文切换功能),但它巧妙地组织各任务,支持任务优先级,任务之间可以通过事件和消息来通信,为任务提供软定时器和动态内存分配。要避免的陷阱是,应用任务的单个函数运行时间不能太长(如操作大批量数据的Flash写),否则它无法及时调度高优先级的LL(Link Layer)任务而导致蓝牙通信中断。
13. 问:蓝牙节点是如何组成微微网的呢?
答:蓝牙节点组网中,只能存在一个主节点(Central)和多个从节点(Peripheral),从节点是发出信号者,主节点是扫描且发起连接者。
14. 问:主节点和从节点通信的过程是怎样的呢?
答:当从节点发出广告信号(包括设备地址和设备名称之类的附加信息);主节点收到此广告信号后,向从节点发出扫描请求;当从节点回应扫描时,就完成了设备发现过程。
接着主节点向从节点发出连接请求(包括连接时隙、从节点待机次数、连接超时值),从节点回应连接,就完成了建立连接。
为了安全起见,一些数据的访问需要认证,它的完成是这样的:一方(可以是主节点,也可以是从节点)向另一方索要6位数字的密码,之后,两个节点彼此交换安全密钥用于加密和认证,此过程称为配对。
认证的过程比较繁琐,BLE协议支持两节点保存认证的安全密钥(一般是非易失性存储器中),以便于两节点下次连接后快速认证,这就是绑定技术。
15. 问:蓝牙通信中两个节点如何交换数据?
答:这是蓝牙通信中最让初学者迷惑的地方。大部分通信,尤其是TCP/IP,交换数据的婚介是数据包,但蓝牙通信中,工程师找不到数据包访问方式,于是就产生疑问。其实蓝牙最底层也是基于无线数据包交换,只是通过层层封装,交付给工程师的API接口就变成了Client访问Server的方式。
16. 问:Client和Server节点是如何定义呢?
答:通俗地说吧,Server(服务器)就是数据中心,Client(客户端)就是访问数据者。特别说明,它与主/从设备是独立的概念:一个主设备既可以充当Server,又可以充当Client;从设备亦然。
17. 问:Server是如何提供数据呢?
答:Server首先将一个服务按“属性/句柄/数值/描述”这种格式予以组织,然后调用API函数GATTServApp_RegisterService将服务数据进行注册。举个实例吧,设提供一个电池电量服务字节,它允许Client读取,数据为一个8比特无符号数(0~100%),它的组织如下:02 25 00 19 2A, 这5个数据(小端格式)分别是:0x02=只读属性,0x0025=句柄;0x2A19=服务UUID。
18. 问:不明白Server提供服务中的UUID?
答:UUID(Universal Unique Identifier)全球惟一标识符,本来是SIC组织分配给特定蓝牙服务的标识,如分配0x2A25为设备序列号的UUID,这样任意蓝牙设备都可以通过它得到另一个设备的序列号。
打个类比,它就像书名,如《现代操作系统》,所有人一看就知道它是计算机大师Andrew S. Tanenbaum写的书。
19. 问:什么是Server提供服务中的句柄呢?
答:句柄(Handle)就是服务数据在数据中心的地址,当所有的服务数据组织起来后,它总得有个先后顺序,某个服务的位置就是它的句柄。还是上面的类比,如果想去图书馆借阅《现代操作系统》,需要查明该书在哪一层楼,哪个房间,这就是该书的Hanle。
20. 问:为什么Server提供的服务中有描述?
答:有些服务是有描述(Descriptor)的,它是用于Client配置该服务的功能(通知或者显示)。像某人没有借到《现代操作系统》该书(可能是被别人借光了),他(她)可以打个电话给图书馆工作人员,请求一旦该书可以借阅了给他一个通知,这个过程相当于配置该书的Descriptor。
21. 问:服务的属性与描述有区别吗?
答:有区别,服务的属性是Server设置访问权限。就像图书馆的工作人员可以设置《现代操作系统》仅能在阅览室看不能外借(只读),或者即可以看也可以外借(读/写)。
22. 问:Client如何访问Server的服务呢?
答:大致分三类:读取服务的值,需要知道服务的UUID或者Handle;写服务的值,需要知道服务的Hanle;写服务描述符,需要知道该Descriptor的Hanle。
23. 问:如何知道一个服务的Handle?
答:根据服务的UUID调用API函数GATT_ReadUsingCharUUID
协议栈会返回该服务的Handle。特别注意的是,一个服务的Descriptor的Handle总是该服务的Handle+1,如电池电量服务的Handle是0x0025,那么它的Descriptor的Handle是0x0026。
24. 问:Server可以访问Client吗?
答:蓝牙通信中,Server不能直接访问(读/写)Client,但是可以通知(Notification)Client,通知的前提是Client通过写Descriptor使能通知功能。例如,某Server发现电池电量已经低于安全阀值,它可以调用GATT_Notification通知所有已连接的Client,但是Client接收后如果处理是它自己的事情。
25. 问:如果得知电池容量?
答:任何使用电池供电的设备都必须精确监控电池容量,否则设备可以突然断电而停止工作,它的基本原理是通过ADC(模数转换器)计算电池电压。以CC2540芯片用一钮扣电池为例,电池电压从2.0v~3.0v,即电量的0%~100%;CC2540有一10比特的ADC,量程范围为0~511,参考电压为1.25v,最大测量电压为3.75v,以上信息可以得知:(v/3)/ 1.25 * 511 = adc,则2.0v=273adc,3.0v=409adc,根据下图可以很容易得知ADC转换为电压的公式:
Percentage / (X – 273) = 100 / 136 = 25 / 34,变换后为:
Percentage = (X - 273) * 25 / 34,为四舍五入提高计算精度则有:
Percentage = [(X - 273) * 25 + 33] / 34。
26. 问:蓝牙发射信号功率调整会影响通信距离吗?
答:会,以TI公司的CC2540为例,它支持4种发射功率选择:4dBm、0dBm、-6dBm和-23dBm,按无线电功率定义:LdBm=10lg(Pwr/1mW),以上4种分贝值换算成瓦特为:2.51mW、1mW、0.251mW和0.005mW,有效通信距离分别为:30米、10米、7米和3米。
27. 问:如何知道两个蓝牙通信节点之间的距离?
答:要知道蓝牙通信节点(如手机和蓝牙设备)之间的距离,最容易实现的方法是通过读取接收RSSI(Received Signal Strength
Indication)值来计算。无线通讯中功率与距离的关系如下:
其中A可以看作是信号传输1米远时接收信号的功率,n是传播因子(它受障碍,温度和湿度等影响),r是节点之间的距离。当确定了常数A与n的值后,距离r就可以根据PR(dBm)计算出来。
28. 问:如何获取蓝牙节点的接收RSSI值?
答:具体的设备接收RSSI值的方法不一样,以iPhone手机为例,iOS提供API函数获取RSSI值;TI公司的CC2540芯片的BLE协议栈中,首先将读取RSSI值回调函数挂载到gapRolesRssiRead_t类型的指针下,建立连接后,主设备调用GAPCentralRole_StartRssi(),从设备调用
GAPRole_SetParameter(GAPROLE_RSSI_READ_RATE, ……)。这样就可以定时读取接收的RSSI值了。
29. 问:如何开展读取RSSI值的实验?
答:读取RSSI值的实验可以这样搭建,主设备固定位置,向从设备发送信号,从设备LED光和Buzzer报警为通信成功,逐次移动从设备,而获取RSSI值随物理距离之间的关系。下图是笔者做实验的数据:
Distance(m) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
RSSI(dBm) |
-47 |
-59 |
-73 |
-80 |
-80 |
-79 |
-85 |
-88 |
-86 |
-87 |
Loss(p) |
0 |
0 |
9 |
11 |
27 |
2 |
50 |
32 |
22 |
49 |
实验器材为2块CC2540芯片,主芯片发射功率为4dBm(2.51mW),Loss是通信节点中失败次数。
30. 问:如何将接收RSSI实验数据得到距离计算公式呢?
答:最好的工具是EXCEL软件,以上表中的实验数据和EXCEL 2007为例。首先选中Distance和RSSI两行,点击“插入->散列图”,软件会自动生成如下图:
选取其中任意点,点右键,“添加趋势线->对数”,将会出现下图:
可见RSSI与距离的关系是比较符合指数函数,再点击“显示公式”
此时得到指数函数公式为:y = -49.53 – 17.7 ln (x),再把自然对数换成10常用对数,则有:y = -49.53 – 40.71 lg (x)。通过以上几步就轻松得到RSSI与距离之间的计算公式。
31问:针对RSSI采样值选用什么样的滤波算法?
答:RSSI采样值遵循以下特点:有个别的脉冲干扰引起极大值和极小值的出现,其他采样数据值沿平均值分布,比较适合的算法是:滑动防脉冲干扰平均滤波法。它的原理是,设有N个单位的队列,用新的采样值覆盖旧的采样值,去除队列中最大值和最小值后,再计算队列中采样数据的平均值。用C语言描述如下:
static INT8S Filter(INT8S chVal)
{
#define FIFO_NUM 10
INT8S chMinVal, chMaxVal, chTemp;
INT16S nCnt, nSum;
static INT8S s_chIx = 0, s_chIsFull = FALSE;
static INT8S s_achBuf[FIFO_NUM];
/* Save the NEW value, kick out the OLDest one */
s_achBuf[s_chIx] = chVal;
if (++s_chIx >= FIFO_NUM)
{
s_chIx = 0; /* Wrap to 1th unit */
s_chIsFull = TRUE;
}
/* Number of sampled data less than N */
if (!s_chIsFull)
{
nSum = 0;
for (nCnt = 0; nCnt < s_chIx; ++nCnt)
{
nSum += s_achBuf[nCnt];
}
return (INT8S)(nSum / s_chIx);
}
/* Get the SUM and Max. and Min. */
chMaxVal = chMinVal = nSum = 0;
for (nCnt = 0; nCnt < FIFO_NUM; ++nCnt)
{
chTemp = s_achBuf[nCnt];
nSum += chTemp;
if (chTemp > chMaxVal)
{
chMaxVal = chTemp;
}
else if (chTemp < chMinVal)
{
chMinVal = chTemp;
}
}
/* Calculate the average */
nSum -= (chMaxVal + chMinVal); /* SUB Max. and Min. */
nSum /= (FIFO_NUM - 2); /* Get average */
return (INT8S)nSum;
}