蓝牙技能是一种无线数据与数字通讯的敞开性标准。它以低成本、近间隔无线衔接为根底，为固定与移动设备树立了一种完好的通讯办法和技能。蓝牙技能的本质是树立通用无线接口及其操控软件的标准，使移动通讯与计算机网络之间能完结无缝衔接，由此，为不同厂家出产的便携式设备供给了近间隔（10m~100m）范围内的互操作通道。
在工业操控体系和许多运用领域，跟着电子技能的开展，现在操控器和传感器现已完结了智能化。在一般的传感器或测验外表中，很多运用CPU 操控下的数字化技能，因而，许多操控体系或传感器体系现已完结了数字化传输。假如在数字化的操控体系和传感器中嵌入蓝牙技能，则能够完结体系数据和操控指令的无线传输，这关于许多运用领域都是非常重要的。
本文经过对蓝牙协议栈结构的评论，提出一个嵌入式SoC 器材结构。这个嵌入式SoC 器材是一种具有蓝牙通讯功用的SoC 器材;SoC 中的CPU 对用户敞开，用户能够运用这种结构的SoC 器材完结智能传感器或操控器单元。
1 蓝牙协议栈
蓝牙技能标准1.0 版别作了如下规则。
蓝牙作业在全球通用的2.4GHz ISM（Industrial ，Scientific and Medical）免付费、免请求的无线电频段。
选用快速承认和跳频技能，以保证链路的安稳。
选用二进制调频（FM）技能的跳频收发器，按捺搅扰和避免式微。
选用前向纠错（FEC）技能，按捺长间隔链路的随机噪声。
数据传输速率为1Mb/s 。
选用时分双工传输，其基带协议是电路交流和分组交流的结合。
一个跳频频率发送一个同步分组，每个分组占用一个时隙，也可扩展到5 个时隙。
支撑一个异步数据通道，或3 个并发的同步语音通道，或一个一起传送异步数据和同步语音的通道。每一个语音通道支撑64Kbps 的同步话音。异步通道支撑最大速率为721Kbps 、反向应对速率为57.6Kbps 的非对称衔接，或者是432.6bps 的对称衔接。
现在，作业在2.4GHz 频段上的无线局域网技能中，除了蓝牙技能外，还有IEEE802.11、HomeRF 和红外技能。总的来说，IEEE802.11 比较适合于办公室无线网络，HomeRF 适用于家庭中的移动数据、语音设备等与主机之间的通讯，而蓝牙技能则能够运用于任何答应无线办法代替线缆的场合。
在实践运用中，蓝牙技能的运用一般选用嵌入式技能。在运用体系中嵌入蓝牙协议栈，可为体系供给一个通明的无线网络通讯层。
蓝牙技能协议栈的规划只需契合蓝牙技能标准的要求，才干完结不同厂家产品的无缝对接。蓝牙技能标准（specification）包含协议（protocol）和运用标准（profile）两个部分。完好的蓝牙协议栈如图1 所示。
协议标准中界说了各功用元素的作业办法，供给了蓝牙技能完结中功用元素间的横向体系结构。运用标准则介绍了完结特定运用模型，描绘了各层协议间的协同机制，然后供给了技能完结的纵向体系结构。蓝牙协议包含中心协议层、代替电缆协议层、电话操控协议层和选用协议层。
中心协议。中心协议包含基带协议、链路办理协议（LMP）、逻辑链路操控和适配协议（L2CAP）、服务发现协议（SDP）。
代替电缆协议。代替电缆协议包含串行电路仿真协议（ RFCOMM ） ，用于完结数据的转化。
电话代替协议。本协议包含二元电话操控标准（TCS Binary）与AT- 指令（AT-command）。用于供给音频通讯的处理标准和相应的操控指令。
选用协议。选用协议与用户的运用有关，包含点到点协议（PPP）、用户数据报/ 传输操控协议/ 互联网协议（UDP 和TCP/IP）、方针交流协议（OBEX）、无线运用协议（WAP）、无线运用环境（WAE）、vCard 、vCal 、红外移动通讯（IrMC）。选用协议层的详细内容由运用体系依据需求挑选。
除了以上协议层外，蓝牙协议栈中还应包含二个接口：一个是主机操控接口（HCI），用来为基带操控器、链路操控器以及拜访硬件状况和操控寄存器等供给了指令接口;另一个是与基带处理部分直接相连的音频接口，用以传递音频数据。
在蓝牙协议栈中，HCI 以上部分通常用软件完结，包含逻辑链路操控和适配协议L2CAP 、串行仿真RFCOMM 、链路办理协议（LMP）、电话代替协议和选用协议;而HCI 以下部分则用硬件完结，包含基带协议和链路办理协议（LMP） ，这部分也叫作蓝牙协议体系结构中的底层硬件模块。
2 蓝牙中心协议栈硬件电路结构
底层模块是蓝牙技能的中心模块，首要由射频（RF）单元电路、基带层（base band）电路和链路办理层（LMP，Link Manger Protocol）电路组成。
（1）射频（RF）单元
RF 单元电路为蓝牙技能供给了通讯中的物理层，也叫作蓝牙收发器。经过2.4GHz 的微波，完结数据流的过滤和传输。蓝牙协议供给了有关蓝牙收发器的各项技能指标。
（2）基带层电路
基带层供给了基带数字信号处理硬件，其功用是供给链路操控，因而也叫作基带及链路操控层电路。经过基带层电路，能够树立蓝牙通讯网络中的物理链路，然后构成轻轻网（piconet）。基带层中有两种物理链路，一种是面向衔接的同步链路（SCO） ，另一种是异步无衔接链路（ACL） 。此外，基带层还可为语音和数据分组供给不同水平的前向纠错（FEC）或循环冗余度校验（CRC）处理，并可对数据进行加密。一起，基带层电路还为不同类型的数据（ 包含传输信息数据、链路办理和操控信息） 供给特定的信道。
（3）链路办理层（LMP）电路
链路办理层电路也叫作链路办理器电路，功用是供给链路办理通讯协议。链路办理协议用来对链路进行设置和操控，并担任树立和吊销各蓝牙设备间的衔接、功率操控以及认证和加密，一起还操控蓝牙设备的作业状况（坚持hold 、休眠park 、呼吸sniff 和活动active ）。链路办理层的首要功用由软件完结，链路办理器电路供给运转于蓝牙设备的处理器中的软件。链路办理器之间的通讯协议称为链路办理协议（LMP） 。
蓝牙技能全体结构以HCI（Host Controller Interface）为界，区分为硬件模块以及上层软件协议两部分。蓝牙技能标准中，挑选了USB、UART 或是RS232 作为硬件模块与主机间的接口。当蓝牙模块以USB、UART或RS232 中的任何一个接口与主机衔接时，HCI 接口上层的通讯协议由主机担任处理，而HCI 接口基层的通讯协议则由模块内的基带层芯片与RF 芯片担任。依据蓝牙标准，蓝牙体系的根本组成包含天线、收发器、基带操控器。由此可知，在天线、RF 收法器和基带操控器的支撑下，蓝牙体系的组成能够非常灵敏，即可完结多种不同的完结计划。
嵌入式蓝牙体系是将RF 和基带部分集成在一块芯片上，单芯片蓝牙硬件模块结构如图2 所示。在嵌入式蓝牙器材中，硬件结构可分为链路办理器、链路操控器与RF 模块3 部分，担任处理LMP 层、基带层与RF 层的协议。链路办理器内包含处理器（CPU）、内存等组件。链路办理器与基带层芯片合称为链路操控器。RF 模块内含RF 射频发射组件，与主机相衔接的接口坐落链路操控器上。
在嵌入式计划中，蓝牙协议的上层软件协议也悉数固化在芯片中，芯片经过USB 或UART 接口与运用体系相衔接。因为片内嵌入了CPU ，所以，嵌入式蓝牙体系实践上是一个智能终端，适合于任何具有CPU 器材的体系。例如，智能传感器中，只需添加一个单芯片蓝牙器材，就能够组成一个以蓝牙为通讯办法的传感器。
由图2 可知，它由微处理器（CPU） 、无线收发器（RF）、基带操控器（BB） 、闪存（ Flash 程序存储器） 、通用异步收发器UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）、通用串行接口USB（Universal Serial Bus）及蓝牙测验模块组成。其间蓝牙基带操控器是蓝牙硬件模块的要害模块。其首要功用是在微处理器操控下，完结蓝牙基带部分的一切实时处理功用，包含担任对接纳的bit 流进行符号守时提取和康复;分组头及净荷的循环冗余度校验（CRC） ，分组头及净荷的前向纠错码FEC 处理，加密宽和密处理等，且能供给从基带操控器到其它芯片的接口等。CPU一般选用RISC 结构的嵌入式微处理器，如ARM7TDMI微处理器，才干满意对蓝牙中心协议的高速处理和很多数据bit 流的处理。Flash 存储器用于寄存基带和链路办理层中的一切协议软件。SRAM 作为CPU 的运转空间，在作业时把Flash 中的软件调入SRAM 中处理。射频收发器担任接纳或发送高频的通讯信号。UART 和USB 接口供给到HCI 的主机操控器接口传输层的物理衔接，是上层协议与蓝牙硬件模块进行通讯的通道。蓝牙测验模块首要供给无线层和基带层的认证和一致性标准，一起还办理产品的出产和售后的测验，为可选模块。
3 嵌入蓝牙协议栈的SoC 结构规划
依据上述蓝牙协议栈硬件结构能够看出，假如运用SoC 结构规划蓝牙协议栈，则能够完结嵌入蓝牙通讯模块，一起向用户敞开内部CPU 的意图。在规划嵌入蓝牙协议的SoC 结构时，需求考虑如下问题。
数据处理才能与速度。数据处理才能首要体现在两个方面：一个是数据缓冲存储器的规划，另一个是对数据处理算法支撑的程度。数据处理速度是一个重要的问题。数据处理速度不只与体系时钟频率有关，还与CPU 和内部总线的结构直接相关。
通讯操作与体系运转的联系。在嵌入了蓝牙通讯栈的SoC 中，通讯是体系的一个功用，SoC 还需求完结体系的其它功用。因为CPU 串行结构的特色，当体系需求一起启用通讯功用和其它重要功用时（ 例如施行体系的数据收集操作等） ，就需求运用恰当的办法进行和谐。实践上这也便是嵌入式蓝牙SoC 器材的体系实时性问题。
器材的功率损耗。功率损耗是SoC 规划中的一个重要问题。除了选用相应的技能完结最低功率损耗问题外，还有必要经过体系结构规划下降体系的功率损耗。关于对功率损耗有特殊要求的体系，低功耗规划更是必不可少的内容。
由上述三个要求可知，在嵌入式蓝牙SoC 中，假如数据处理量比较大，则需求考虑数据处理的速度问题。用户体系CPU 归于串行作业办法，因而，在大数据量的通讯过程中，怎么完结体系的其它功用，是SoC 结构规划的一个重要方面。例如，运用蓝牙技能传输图画时，其间的通讯体系有必要坚持接连作业状况，一起，还需求SoC 中规划很多的Flash 存储器。因为传输图画有必要进行紧缩宽和紧缩，所以，在坚持通讯接连和图画的紧缩/ 解紧缩这两种不同的操作中，就有必要进行充沛和谐，选用硬件并行处理的技能。这种情况下，CPU 就仅仅是一个操作操控器材，用来发动或停止某个操作。由此可知，应当针对不同类型的运用场合规划相应的SoC结构。
关于智能传感器，其根本功用如下。
信号转化。这一部分电路的作用是把相应的物理量转化为电压信号，然后对其进行放大和滤波处理。处理的成果作为数据收集电路的输入信号。
数据收集。数据收集电路的功用是把信号转化电路输出的模拟信号转化为数字信号（ 数据序列） ，然后把数字信号输出给CPU ，以便进行相应的处理。
数据处理。智能传感器中的数据处理功用一般并不一致。一般情况下，需求数字滤波即可。有些智能传感器还需求对信号进行其它处理，例如信号起伏的判别、信号特征的提取、显现处理等。总归，依据不同的运用领域，数据处理的要求不尽相同。
数据传输。在操控体系中，智能传感器收集并整理好的数据，需求传输给体系的中心操控器或其它操控单元。因为操控体系的特色，数据传输一般需求经过一段空间间隔，因而，需求运用专门的电路和办法完结数据传输。例如，对数据进行编码处理后，运用电流环或RS232 等办法传输。在现有操控体系中，绝大多数情况下都选用有线传输办法完结传感器与操控体系的衔接。
关于智能传感器来说，传输数据量一般并不是很大（ 例如压力、温度等传感器） ，因而，满意智能传感器需求的嵌入式蓝牙SoC 器材中，并不需求很大的存储容量;但有必要考虑蓝牙协议完结所必需的程序存储空间。
从图1 能够看出，蓝牙协议栈的处理软件会占用比较大的存储器，因而，有必要对其进行简化。一起，为了保证操控体系安全可靠，还需求考虑运用用户协议代替蓝牙技能所界说的处理协议。由以上剖析能够得出定论：
智能传感器的数据传输量比较小，不需求进行紧缩或编码处理，能够设置在1 K 字节以下。
为了保证操控体系的安全可靠性，需求把上层处理协议变为用户层协议，由用户自行编写。
为了规划满意智能传感器的嵌入式蓝牙SoC 结构，对蓝牙协议栈进行了简化处理，只运用蓝牙协议中的中心协议和代替电缆协议。SoC 中的蓝牙协议栈由软件和硬件两部分组成。中心协议中的基带协议由硬件完结，而链路办理和其它部分则运用软件完结。一切有关协议的软件寄存在ROM 中，用户运用通讯栈时可直接调用。
需求指出的是，通讯栈的规划为一个全体，因而调用时也有必要全体调用。换句话说便是，把通讯栈看成是一个完好的子程序模块加以调用。依据上述定论，提出一种具有敞开运用户协议的嵌入式蓝牙SoC 模块结构，如图3 所示。
图3 中，RF 收发器、基带操控器和蓝牙协议ROM 一起组成蓝牙协议栈。蓝牙协议栈在CPU 的操控下完结通讯使命。简化的嵌入式蓝牙协议栈结构如图4 所示。其间用户运用协议由用户自行规划，以保证通讯的安全性和可靠性。
别的，对蓝牙协议栈中的LMP 进行了相应的简化。在智能传感器的运用中，通讯链路一般比较简单，因而，LMP 不需求对链路进行杂乱的处理。本规划中，LMP 的首要功用由软件完结。当需求运用蓝牙通讯发送数据或接纳数据时，用户程序只需调用LMP 软件模块即可。LMP 协议由两部分组成：
① 软件。经过CPU 对链路进行设置和操控，完结蓝牙设备衔接、功率操控以及认证和加密，一起还操控蓝牙设备操控器电路。
② 硬件。LMP 操控器电路在LMP 软件的操作下，操控蓝牙设备的作业状况（坚持hold、休眠park、呼吸sniff 和活动active）。
图3 中的CPU 经过敞开总线模块向用户敞开，用户程序保存在用户程序存储器中。数据存储器选用Flash存储电路，用来保存蓝牙通讯中的发送和接纳数据;一起，作为传感器数据收集体系的数据存储器。数据存储器的运用分配由用户决议，传感器的规划者可经过用户程序对数据存储器进行分块操控运用，经过用户程序设置相应的发送或接纳数据存储深度和开始地址，以及数据收集体系的数据存储深度。
图3 中敞开总线模块供给了一个向用户敞开的总线，运用户能够充沛运用CPU 、存储器的资源。此外，图3 中的通用通讯接口和测验电路向用户供给了部分衔接和测验输入输出通道。
从以上模块规划的成果能够看出，这种结构的智能传感器具有完好的蓝牙通讯功用，一起，为用户供给了运用处理的灵敏性。例如，LMP 中的认证和加密办法与算法完全由用户自行决议，然后供给了用户体系的安全性和可靠性。别的，因为通用串行通讯接口和测验电路的存在，为用户体系供给了硬件测验的硬件支撑。
依据图3和上述剖析，能够得到用于智能传感器的嵌入式蓝牙SoC 器材的电路结构，如图5 所示。通讯栈模块调用操作流程如图6 所示。
结语
把蓝牙协议栈嵌入到智能传感器中，将为操控体系供给非常灵敏的组成办法;一起，经过选用相应的安全措施，能够进步体系的安全性和可靠性。本文经过对蓝牙协议栈和智能传感器作业特征的剖析，规划了智能传感器中嵌入蓝牙协议栈的SoC 结构。为了满意智能传感器的运用，嵌入式蓝牙SoC 中，CPU、存储器以及相应的总线和外部电路应向用户敞开。关于用户而言，只需规划相应的传感器前置电路，即可构成具有蓝牙通讯功用的智能传感器。因为蓝牙通讯协议的操作功用现已保存在ROM 中，所以用户只需求调用相应的软件程序即可完结蓝牙通讯。一起，这种SoC 中的蓝牙协议栈中有关认证和加密的部分向用户敞开，详细的认证、加密办法和算法可由用户自行界说。此外，本文对智能传感器嵌入式蓝牙SoC 中蓝牙协议栈进行了简化处理。
