【Bluetooth开发】蓝牙开发入门
BLE
蓝牙设备在生活中无处不在,但是我们也只是将其作为蓝牙模块进行使用,发送简单的AT命令实现数据收发。
那么,像对于一些复杂的使用场合:“车载蓝牙”、"智能手表"、“蓝牙音箱”等,我们不得不去了解底层的蓝牙实现原理。
1、蓝牙概念
2、蓝牙发展历程
3、蓝牙技术概述
3.1 Basic Rate(BR)
3.2 Low Energy(LE)
4、常见蓝牙架构
4.1 SOC蓝牙单芯片方案
4.2 SOC蓝牙+MCU方案
4.3 蓝牙host + controller分开方案
4.4 使用场景
5、参考文档
1、蓝牙概念
蓝牙,是一种利用低功率无线电,支持设备短距离通信的无线电技术,能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换,蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM
(即工业、科学、医学)频段,使用IEEE802.11
协议。
2、蓝牙发展历程
自1994年由爱立信推出至今,蓝牙技术已经走过了20个岁月。从最初的Bluetooth V1.0
,到Bluetooth V5.2
,经历了近9个版本的修订后,发展为当前的状况。
“蓝牙”的形成背景是这样的:
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。
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、三星、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。
第一代蓝牙:关于短距离通讯早期的探索,使用的是BR技术,此时蓝牙的理论传输速率,只能达到721.2Kbps。
第二代蓝牙:新增的
EDR(Enhanced Data Rate)
技术,使得蓝牙设备的传输率可达 3Mbps。第三代蓝牙:核心是
AMP(Generic Alternate MAC/PHY)
,这是一种全新的交替射频技术,支持动态地选择正确射频,传输速率高达 24Mbps第四代蓝牙:主推” Low Energy”低功耗,
BLE(Bluetooth Low Energy)
低功耗功能第五代蓝牙:开启「物联网」时代大门,在低功耗模式下具备更快更远的传输能力
3、蓝牙技术概述
蓝牙协议包括两种技术:BR:Basic Rate
和LE:Low Energy
。这两种技术都包括搜索(discovery)管理、连接(connection)管理等机制,但它们是不能互通的!
厂商如果只实现了一种,那么只能与同样实现该技术的设备互通。
如果厂商要确保能和所有的蓝牙设备互通,那么就只能同时实现两种技术,而不去管是否真的需要。
3.1、Basic Rate(BR)
BR:Basic Rate
是正宗的蓝牙技术,可以包括可选(optional)的EDR(Enhanced Data Rate)
技术,以及交替使用的(Alternate)的MAC(Media Access Control)
层和PHY层扩展(简称AMP(Alternate MAC and PHY layer extension)
)。
BR
:最早期的蓝牙技术,速度只能达到721.2Kbps
,在那个年代,已为高大上了。EDR
:随着技术的提升,使用EDR
技术的蓝牙,理论速率可以达到2.1Mbps
。AMP
:使用AMP
技术的蓝牙,理论速率可以达到54Mbps
。
AMP
的Alternate交替使用
体现在:由于蓝牙自身的物理层和AMP技术差异太明显,BR/EDR
和AMP
是不能同时使用的。简单的说,就是:
BR
和EDR
是可以同时存在的,但BR/EDR
和AMP
只能二选一
3.2、Low Energy(LE)
上面所讲的BR技术的进化路线,就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的,你想传的更快,代价就是消耗更多的能量。而有很多的应用场景,并不关心传输速率,反而非常关心功耗。这就是
Bluetooth LE
(称作蓝牙低功耗)产生的背景。
从它的英文名字上就可以看出它是一种低功耗蓝牙技术,是蓝牙技术联盟设计和销售的一种个人局域网技术,旨在用于医疗保健、运动健身、信标、安防、家庭娱乐等领域的新兴应用。
低功耗蓝牙与经典蓝牙使用相同的2.4GHz
无线电频率,因此双模设备可以共享同一个天线。低功耗蓝牙使用的调制系统更简单。
LE
技术相比BR
技术,差异非常大,或者说就是两种不同的技术,凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已。
目前BLE
主要广泛应用于IoT产品领域。
4、常见蓝牙架构
市面上,大致有几种蓝牙架构
4.1、SOC蓝牙单芯片方案
一般是半导体厂商半开源协议栈,把开发的蓝牙协议栈直接烧写到蓝牙芯片中,(比如CSR BC4/5,CSR8670,CSR8675,TI CC2540,NRF51xxx,NRF52xxx,乐鑫ESP32等等),架构如下:
此类芯片一般可以直接做为MCU用,这类产品一般用于消费类电子,集成度很高,调调部参数可以直接使用,常见的有蓝牙耳机。
4.2、SOC蓝牙+MCU方案
在集成好的蓝牙芯片基础上,通过特定的接口(UART居多),发送自定义的command
来达到想要的功能。比如发送0x01代表搜索周围设备......
此部分的应用,将蓝牙作为一个外设使用,用于远程通信.
4.3、蓝牙host + controller分开方案
这种应用算是蓝牙最复杂的应用,客户需要使用蓝牙的场景有很多,牵涉到的蓝牙协议也有很多,需要将Host
与Controller
分开,集成更多的蓝牙协议,比如蓝牙电话(HFP),蓝牙音频(A2DP),蓝牙音乐控制(AVRCP),蓝牙电话本(PBAP),蓝牙短信(MAP)等。
其中Transport是一个协议,H2就是在USB的基础上的协议,H4,H5,BCSP
是UART基础上的协议,当然还有SDIO
。
此部分应用,将定制蓝牙的各种服务,实现蓝牙多功能需求。
4.4、使用场景
大概列举了以下几种,帮助理解:
手机的蓝牙复杂应用,注定要用第3种方案,也就是蓝牙协议栈(host)在主芯片中,蓝牙芯片为HCI架构的。
蓝牙音响,蓝牙耳机:此种应用一般用单芯片方案就能hold住,比如CSR8670/8675/杰理蓝牙等,好处在于开发便捷。
蓝牙手表:要看功能复杂性,如果仅仅有时间显示,传感器交互,那么可以选择单芯片方案(也就是方案1),如果有网络等比较复杂的功能就要使用MCU+蓝牙芯片方案(也就是方案3)了
蓝牙手环,蓝牙心率带等:基本上是单芯片方案
5、参考文档
[1] 蓝牙官网:https://www.bluetooth.com/
[2] https://blog.csdn.net/XiaoXiaoPengBo/article/details/107462426
[3] https://blog.csdn.net/XiaoXiaoPengBo/article/details/107466841
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