（信号与信息处理专业论文）多功能蓝牙遥控器的设计与实现.pdf

摘要 随着通信、网络技术的快速发展，为传统控制技术的发展带来了新的契机。 蓝牙是一种短距离无线通信技术，它的诞生旨在取代各种数字化硬件设备之间 繁琐的线缆，然而实际上其应用潜力已大大超出最初蓝牙技术开发者们的想象， 蓝牙以其安全、低成本、低功耗等优越的特性，得到了越来越广泛的应用，基 于蓝牙技术的产品不断地推向市场。 本课题的研究工作主要是受武汉某高新技术公司的委托参与研发一款多功 能蓝牙遥控器，该遥控器采用了c s r 公司的b l u e c o r e 0 4 一e x t 芯片、b l u e l a bs d k 及其蓝牙解决方案，与市场上常见的功能单一的蓝牙遥控器不同，该遥控器的 创新之处在于它将蓝牙技术与最新的陀螺仪操控技术融合到了一起，集无线键 盘、空中鼠标、蓝牙免提等功能于一体。本课题在充分研究了蓝牙规范2 o 版本 和相关嵌入式系统开发技术的基础上，完成了该遥控器中基于a t m e g a 8 8 单片机 的数据采集与处理系统的设计和基于b l u e c o r e 0 4 一e x t 芯片的蓝牙应用系统软件 的设计。 本文首先在研究了蓝牙协议栈相关内容的基础上，结合b l u e c o r e 0 4 e x t 蓝 牙芯片的硬件结构，设计了遥控器的蓝牙协议栈实现方式；然后对产品需求进 行了分析，对相关嵌入式系统技术进行了研究，完成了系统总体方案的设计。 本文研究了蓝牙键盘、空中鼠标的原理以及相关核心器件的资料，自定了 单片机与蓝牙芯片之间的串口通信协议，在此基础之上完成了基于a t m e g a 8 8 单片机的数据采集与处理系统的设计与实现，包括系统初始化、蓝牙键盘的实 现和蓝牙鼠标的实现。在基于b l u e c o r e 0 4 e x t 芯片的蓝牙应用系统软件设计中， 采用了模块化的思想，将蓝牙遥控器上蓝牙应用的实现分为三个逻辑层次：底 层传输层、中间接口层和上层应用层，由于本设计基于c s r 公司的蓝牙解决方 案，底层传输层和中间接口层以固件和库的形式被提供，因此重点实现了上层 应用层，在研究了h i d 规范和h f 协议的基础上，本文详细完成了h i d 、h f 、 u a r t 子模块的设计与实现。 在整个课题完成的过程中，对蓝牙技术等知识做了较全面的研究，通过测 试，本研究课题达到了预期的设计要求，即实现了蓝牙键盘、空中鼠标和蓝牙 免提的功能。 关键词：蓝牙，多功能遥控器，空中鼠标，b l u e c o r e 0 4 ，h i d a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n s ，n e t w o r kt e c h n o l o g y , t h e d e v e l o p m e n to ft h et r a d i t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb r o u g h tn e wo p p o r t u n i t i e s b l u e t o o t hi sas h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , a n di t sb i r t hi s d e s i g n e dt or e p l a c et h ec u m b e r s o m ec a b l eb e t w e e nav a r i e t yo fd i g i t a lh a r d w a r e ，b u t i n f a c ti t sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sf a rb e y o n dt h ei m a g i n a t i o no ft h ef i r s tb l u e t o o t h t e c h n o l o g yd e v e l o p e r s ，b l u e t o o t h 、i t l li t st h es u p e r i o rc h a r a c t e r i s t i c so fs a f e t y , l o w c o s t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , m o r ew i d e l yu s e dt om a r k e tp r o d u c t s b a s e do n b l u e t o o t ht e c h n o l o g y r e s e a r c ho ft h i ss u b j e c tb yw u h a nc o m m i s s i o n e da h i g h - t e e hc o m p a n yi n v o l v e d i nd e v e l o p i n gam u l t i f u n c t i o nb l u e t o o t hr e m o t ec o n t r o lt h er e m o t ec o n t r o lu s e s c s r sb l u e c o r e 0 4 一e x tc h i p ，b l u e l a bs d ka n di t sb l u e t o o t hs o l u t i o n so nt h e m a r k e t , f u n c t i o no fas i n g l e b l u e t o o t hr e m o t ec o n t r o l ，t h er e m o t ec o n t r o lo f i n n o v a t i o ni st h a ti tb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi n t e g r a t i o n 、析t l lt h el a t e s tg y r oc o n t r o l t e c h n o l o g yt o g e t h e r , t h es e to fw i r e l e s sk e y b o a r da n da i rm o u s e ，b l u e t o o t hh a n d s f r e e f u n c t i o n si no n e t h i ss u b j e c ti nt h ef u l ls t u d yo ft h eb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o nv e r s i o n 2 0a n de m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yb a s e do nt h ec o m p l e t i o no ft h e r e m o t ec o n t r o la t m e g a 8 8m i c r o e o n t r o l l e r - b a s e dd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s y s t e md e s i g na n db l u e t o o t h b a s e db l u e c o r e 0 4 e x tc h i pa p p l i c a t i o n ss o f t w a r e d e s i g n f i r s t l y , o nt h eb a s i so ft h eb i u e t o o t hp r o t o c o ls t a c kr e l a t e de o n t e n lc o m b i n e d 、析t i lt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h eb l u e c o r e 0 4 - e x tb i u e t o o t hc h i pd e s i g n e dr e m o t e c o n t r o lo ft h eb l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c ki m p l e m e n t a t i o n ；a n a l y s i so fd e m a n df o r p r o d u c t s ，e m b e d d e ds y s t e m st e c h n o l o g y , g i v e nt h ed e s i g no ft h eo v e r a l ls y s t e m p r o g r a m i nt h i s p a p e r , ab l u e t o o t hk e y b o a r d a n da i rm o u s ew o r k sa n dt h ec o l e c o m p o n e n t so ft h ed a t a , ac u s t o m s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h e m i c r o c o n t r o l l e ra n db l u e t o o t hc h i p ，o nt h i sb a s i s ，g i v e nt h ed e t a i l e dd e s i g no ft h e a t m e g a 8 8m i c r o c o n t r o l l e r - b a s e dd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mp r o c e s s ， i n c l u d i n gs y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ，b l u e t o o t hk e y b o a r da n db l u e t o o t hm o u s e b a s e dt h e i i b l u e c o r e 0 4 一e x t - c h i pb l u e t o o t ha p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g n , w eu s et h em o d u l a r i d e a , b l u e t o o t hr e m o t ec o n t r o l ，b l u e t o o t ha p p l i c a t i o n sl a y e r e dt h r e el o g i c a ll e v e l s ：t h e u n d e r l y i n gt r a n s p o r tl a y e r ，t h em i d d l ei n t e r f a c el a y e ra n d t h eu p p e ra p p l i c a t i o nl a y e r , o u rd e s i g ni sb a s e do nc s w sb l u e t o o t hs o l u t i o n ，t h eu n d e r l y i n gt r a n s p o r tl a y e ra n d t h ei n t e r m e d i a t ei n t e r f a c el a y e ri sp r o v i d e di nt h ef o r mo f f i r m w a r ea n dl i b r a r y , s ow e f o c u st oa c h i e v et h eu p p e ra p p l i c a t i o nl a y e r , i nt h eh i ds p e c i f i c a t i o na n dh f p r o t o c o l sb a s e do nt h i sa r t i c l eg i v e ni nd e t a i lt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e h i d ，h f , u a r t , a n ds u b - m o d u l e s b l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n dk n o w l e d g ei nt h ep r o c e s so fc o m p l e t i o no ft h ee n t i r e s u b j e c t , d om o r ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c h p a s s t h et e s t , t h er e s e a r c hp r o j e c tt o a c h i e v et h ed e s i r e dd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t l l a ti sab l u e t o o t hk e y b o a r da n da i rm o u s e ， a n db l u e t o o t hh a n d s f r e ef u n c t i o i l k e yw o r d s ：b i u e t o o t h ，m u l t i - f u n c t i o nr e m o t ec o n t r o l ，a i rm o u s e ，b l u e c o r e 0 4 ，h i d 武汉理。i ：人学硕- = 学何论文 1b 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着通信、信息技术的不断进步，计算机通信设备得到了快速的普及和发 展，在人们的同常生活中各式各样的电子设备随处可见，手机、平板电脑、m p 4 、 数码相框、头戴式耳机、便携式导航仪等已经成为人们工作、生活中的必需品【。 但是，这些设备之间通常采用有线电缆来进行数据的传输，这样一来，这些设 备使用的灵活性便受到了较大的限制。为了解决这个问题，人们迫切希望能有 一种可以取代有线电缆的短距离无线通信技术1 2 1 。蓝牙技术的诞生，满足了人们 的这类需求，极大的扩大了无线通信技术的应用范围，使各种电子设备融为一 体，设备之间通过极其便捷的方式进行通信，使用起来更加自由，带给人们生 活和娱乐一种全新的体验1 3 j 。 在操作电脑时，键盘和鼠标是人们使用最为频繁的两个设备，然而它们与 电脑之间的连线常常限制了人们使用的灵活性，因此人们想到用蓝牙来代替传 统键盘和鼠标的电缆，使人们的操控更加自由1 4 l 。另外，随着3 d 技术的发展， 3 d 电影与3 d 游戏也已经慢慢走进了人们的娱乐生活当中，这时传统的游戏控 制器就不能很好的满足人们进行3 d 游戏的需求了。人们在玩游戏时常常会跟着 游戏画面的流转而左右摇摆、舞动手脚，此时，人们便把手中的游戏控制器或 鼠标当成一个游戏道具，尽情娱乐。蓝牙技术与陀螺仪操控技术【5 】的融合赋予了 游戏控制器或鼠标一种全新的用户体验，配合加速度传感器的使用，可使这些 设备具有较好的重力感应特性，游戏特性也随之得到提升。 传统的耳机需要与电脑或手机之间通过连接线来连接，因此用户只能在设 备旁边使用，在运动时则无法方便的使用这种耳机。与传统耳机相比，蓝牙耳 机贝f j 很好的解决了这类问题，用户不用坐在电脑前，也不用拿着手机便可进行 通话。蓝牙耳机的出现给人们的生活带来了很大的方便，可以说是真正实现了“沟 通无处不在”l 们。 目阿，市场上已有许多蓝牙键盘、蓝牙鼠标和蓝牙耳机等产品，但是这类 产品大多功能比较单一，为了实现键髓、鼠标和耳机的功能人们常常得分别购 买这三种设备，这样一来既增加了开资使用起来又不方便，因此将这三种设备 武汉理+ ：人学硕士学何论文 的功能融合在一起，将给人们的生活带来更大的便利，并且降低了成本，对蓝 牙技术的普及和进一步发展也有着重大的意义。 武汉某高新技术公司研发并生产的云影音智能机h 3 是新一代家庭娱乐产 品，通过使用它，人们可以在电视机上看高清电影、听高品质音乐、浏览网页、 玩3 d 体感游戏等。h 3 主机基于i n t e l 公司的c e 31 0 0 高性能处理器和自主研发 的梅花l i n u x 操作系统。为了更好的配合h 3 主机的使用，给用户带来更好的娱 乐体验，公司研制了一款集蓝牙无线键盘、空中鼠标、蓝牙免提等多种功能于 一体的多功能蓝牙遥控器r c 3 0 0 。 r c 3 0 0 蓝牙遥控器采用了c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ( c s r ) 公司的 b l u e c o r e 0 4 e x t 芯片、b l u e l a bs d k 及其配套的蓝牙解决方案，采用了a t m e l 公司的a t m e g a 8 8 单片机作为数据采集和处理的主控制器。基于r c 3 0 0 蓝牙遥 控器的硬件总体框架，完成键值、鼠标位胃、加速度数据等的采集、处理与蓝 牙应用技术的具体实现是该蓝牙遥控器产品设计与开发的重要内容。 本课题的研究工作正是来源于这一实际的需求，受该公司的委托参与研发 r c 3 0 0 多功能蓝牙遥控器。本人对蓝牙应用关键技术等知识进行了较深入的研 究，完成了该遥控器中基于a t m e g a 8 8 单片机的数据采集与处理系统的设计和基 于b l u e c o r e 0 4 e x t 芯片的蓝牙应用系统软件的设计。 1 2 蓝牙技术的优势 近些年，计算机、半导体等相关电子技术发展迅速，在数据通信需求的巨 大推动作用下，短距离无线通信技术也得到了快速的发展，涉及到商业、科学、 医疗、军事、工业、教育等众多领域1 7 j 。 目前，在短距离无线通信所使用的技术中，主要有i e e e 8 0 2 1 1 、h o m e r f 和蓝牙，它们均工作在2 4 g h z 频段上，除此之外还有红外技术【8 l 。下面将针对 各种技术的特点做一下比较。 ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 l 主要制定了媒体接入控制( m a c ) 层和开放式系统互联参 考模型( o s i 依m ) 的物理层，该标准经过发展，在原有版本的基础上又产生了 8 0 2 1 l b a g 等扩展标准，这些标准在技术和性能上各自存在差异1 9 j ，如表1 1 所 示。在2 4 g h z 频段上，8 0 2 1 l 标准族可以选择三种不同的物理层传输技术：直 接序列扩频( d s s s ：d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) ，跳频扩谱( f h s s ： f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 以及红外线，8 0 2 1 l 的m a c 层利用了载波 2 武汉理i ：人学硕十学何论文 监听多重访问冲突避免协议9 1 。但是为了进行无线语音数据通信，数据设备需 要先安装无线网卡，同时因为i e e e 8 0 2 1 l 具有较高的可靠性，使得它的成本也 高于其它技术。因此，i e e e 8 0 2 1 l 还不能满足对于那些只想通过单一无线技术 来实现所需功能的用户的需求1 0 l 。 表1 1 几种主要8 0 2 11 标准的差别 频段最大物理层第三层数据 标准( g h z )数据速率速率传输技术 ( m b i t s s )( m b i t s s ) 8 0 2 1 1 2 421 2f h s s d s s s 8 0 2 1 l a5 05 43 2o f d m 【i r 8 0 2 1 l b2 41 16 - , 7d s s s 8 0 2 1 l g 2 45 43 2o f d m ( 2 ) h o m e r f 设计的初始目的就是为了满足家庭网络的需求。h o m e r f 利 用了跳频扩谱的方式，以5 0 跳秒的速率在2 4 5 g h z 频带的扩展频谱上进行跳频， 通过一台放在家里的主机来完成语音设备和移动数据之问的通信。h o m e r f 既可 以利用载波监听多重访问冲突避免( c s m a c a ) 协议来支持数据传输，又可以 通过时分复用的方式来支持语音通信。同时，h o m e r f 较好的集成了t c p f l p ， 它具有通信质量高、简捷、易用、安全性高等特点【i 。因此，对于家庭网络的 应用，用户比较适合选择h o m e r f 。 ( 3 ) 相比于无线射频技术，在工作原理上红外技术简单得多，由于红外系 统具有成本低、结构简单、方向性较好等特点，目前在市面上红外的应用比较 广泛，然而红外具有通信距离短、方向受限等显著的缺点【1 2 】。但是，对于那些 要求低成本、设备简单的用户来说，红外仍不失为一个很好的选择。 ( 4 ) 与上述三种技术有所不同，蓝牙技术制定了一整套全新的协议，适用 场合也变得更加广泛。蓝牙工作在2 4 5 g h z 频段，该频段为全球通用的工业、 科研和医疗( i s m ) 频段，使用者无需申请便可使用该频段，每一台蓝牙设备都 具有全球唯一的地址0 3 1 。蓝牙技术不仅可以支持无线数锯通信，还可以支持无 线语音通信。由于使用了跳频、t d m a 和t d d 等技术，蓝牙的射频电路比较简 武汉理：l ：人学硕- ：学位论文 单，可以使用专用集成电路配合软件来实现通信协议的大部分内容，因此蓝牙 设备技术上的高性能得以保证【1 4 1 。蓝牙支持散射网( s c a t t e m e t ) 和微微网 ( p i c o n e t ) 两种组网方式，同时，蓝牙还具有低成本、低功耗、操作便捷、支 持设备数目多等优点【1 5 l 。由于蓝牙技术不受到方向的限制，因此它提供了红外 技术无法提供的良好的全方位性和智能性，并且蓝牙设备低廉的价格也是 i e e e 8 0 2 1 1 技术无法比拟的。 综合上述几点可以看出，i e e e 8 0 2 1 1 在办公场所的企业无线网络应用中比 较适合，h o m e r f 在家庭中的无线数据与语音通信应用中比较适合，红外在对成 本要求比较高且功能需求不太高的应用中比较适合，而蓝牙在任何可以使用无 线方式替代有线电缆的应用中均比较适合。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 蓝牙技术的发展及现状 蓝牙产业标准的开发工作始于1 9 9 8 年。当时，e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、n o k i a 和t o s h i b a 等公司共同成立了“蓝牙特殊利益集团”( s i g ) ，其目的是在全球范 围内开发并促进在i s m 频段的具有较低成本的短距离无线通信解决方案【l 。 为了在更大的范围内推广蓝牙技术，蓝牙特殊利益集团作了如下决定：当 其适配器成员要将其蓝牙产品推向市场时，可以免费获得相关的知识产权。1 9 9 8 年5 月，蓝牙特殊利益集团向外界宣布成立并宣布了其成立的动机。此后，朗 讯、微软、摩托罗拉和3 c o m 也加入到蓝牙特殊利益集团中，成为该集团的9 个领导成员。据蓝牙官方网站提供的资料显示，到目前为止，已超过1 5 0 0 0 个 加盟公司，其中包括了许多世界著名的计算机、电子、通信及汽车等公司i o n 。 蓝牙标准是一种全球性的无线技术标准，用于无线语音和数据的传输，使 用无需经过许可的i s m 波段( 2 4 至2 4 8 5g h z ) ，使用展频、调频、全双工信号， 标称速率为1 6 0 0 跳秒，通过采用跳频技术来减少共用2 4 g h z 频谱的无线技术 之问的干扰。在业务的支持上，蓝牙标准同时支持语音业务和数据业务，即同 时支持面向同步连接( s c o ) 和异步无连接( a c l ) 两种链路类型。采用蓝牙技 术组成的网络为一个微微网( p i c o n e t ) ，最多可容纳2 5 6 台设备，其中只有8 台 设备处于工作状态，其他设备处于监视状态。在8 台工作设备中，有l 台为主 设备，用于对网络进行初始化，其余的为从设备，多个微微嘲相互重叠便可组 4 武汉理+ l ：人学硕十学位论文 成散射网( s c a t t e m c t ) ( 1 8 l 。通过采用前向纠错( f e c ) 编码技术与自动重传请求 ( a r q ) 技术，蓝牙系统能较好的抑制信道的噪声干扰，从而保证了较高的通 信质量。蓝牙系统同时采用了链路层的安全管理机制( 如加密、认证和密钥管 理等) 和应用层的安全管理机制来保证通信的安全性【1 9 l 。表1 2 中列出了常见的 蓝牙系统参数和相关技术指标。 表1 2 蓝牙系统参数和相关技术指标 工作频段i s m 频段，2 4 0 2 g h z - - 2 4 8 0 g h z 双工方式全双工，t d d 时分双工 业务类型支持电路交换和分组交换业务 发射功率l m w - - 一1 0 0 m w 跳频频率数7 9 个频点m h z 跳频速率1 6 0 0 次秒 工作模式 p i a r k h o l d s n i f f 数据连接方式面向连接业务s c o ，无连接业务a c l 纠错方式i 3 f e c , 2 3 f e c ，a r q 鉴权 、 采用反应逻辑算术 信道加密采用0 位、4 0 位、6 0 位加密字符 语音编码方式连续可变斜率调制c v s d 发射距离一般可达l o m ，增加功率的情况下可达1 0 0 m 从1 9 9 8 年蓝牙诞生到现在，蓝牙标准已推出多个核心的版本，从1 o 、1 1 、 1 2 、2 o 、2 0 + e d r 、2 i + e d r 、3 0 + h s 到最新的4 0 版本i z 。1 1 版本之后，为 了提高蓝牙的抗干扰性，蓝牙开始采用跳频技术。 到了2 0 + e d r 版本，该版本采用了增强数据速率( e d r ) 技术，这是之前 版本所没有的。采用e d r 技术后，蓝牙传输速率得到了较大提高，从普通蓝牙 的1 m b p s 提高到2 m b p s 或3 m b p s 。r c 3 0 0 蓝牙遥控器采用的便是蓝牙2 0 版本， 这个版本足以满足遥控器对传输速度的需求。 在2 i + e d r 版本中，主要是侧重于用户体验方面，在配对技术上作了较大 的改进，采用了近距离无线通信( n f c ) 技术，使蓝牙设备的配对更加简捷。 2 0 0 9 年6 月，发布了3 0 + h s 版本，该版本最主要的特性就是高速，在射频 5 武汉理i ：人学硕十学位论文 方面与w i f i 共用同一个射频，因此传输速率非常快，提高到2 o 版本的8 倍， 最高可达2 4 m b p s 。交替射频( a m p ) 技术也在此版本中被加入，使用该技术后 蓝牙协议栈可以针对任务动态的选择最好的射频。 2 0 1 0 年6 月，发布了4 0 版本，该版本是目前最新的版本。该版本最主要 的特性就是支持低能耗数据通信，这意味着使用蓝牙的外设的用电量将大大降 低，同时蓝牙4 0 还支持3 0 的高速数据传输。蓝牙4 0 版本融合了传统蓝牙技 术、蓝牙高速技术以及蓝牙低耗能技术，在蓝牙发展史上具有里程碑意义。 目前，越来越多的消费类电子产品都采用纽扣电池供电，怎样能使待机时 自j 更长是各大厂家所关注的，低耗能技术的引入使得蓝牙能应用到更多的领域， 相信在不久的将来，在家庭娱乐、医疗保健、健身等领域人们都能看到蓝牙的 身影。有专家预言，蓝牙技术在2 0 1 5 年将达到无线网络市场将近5 0 的占有率， 由此可见，蓝牙低耗能技术的产生无疑给整个无线网络带来了新的发展1 2 1 1 。 另一方面，更高的传输速率也是蓝牙技术的一个发展方向。当前，蓝牙特 殊利益集团正在开展将蓝牙植入超宽带( u w b ) 技术和8 0 2 1 l 中的研究，已获 得突破性进展，届时蓝牙的传输速率将大大提高，可达几百兆，到那时蓝牙的 应用范围将进一步扩大瞄j 。可以说，蓝牙技术将会受到更多的瞩目，在全世界 的发展将充满商机1 1 3 2 多功能蓝牙遥控器的现状 遥控器自上世纪5 0 年代问世，到8 0 年代人们开始将红外技术用到遥控器 中，红外技术的应用掀起了一场遥控器革命。随着短距离无线通信技术的高速 发展，红外技术的缺陷便逐渐暴露出来，红外通信距离较短、使用时方向受限 制，于是人们便在思考着能有一种新的技术来解决红外技术的不足之处，蓝牙 技术的诞生无疑给出了人们的这一考虑的最好答案。 近些年，在家庭娱乐领域，互联网与电视机越来越紧密地结合在了一起。 在电视机上可以看高清电影、浏览网页、玩游戏等，甚至直接把电视机当成电 脑的显示器。如此一来，如何在客厅晕操控电视机便成了最大的问题，难道要 用遥控器的上下左右键上网? 或者是在茶几上摆放一个鼠标? 为了满足用户的 这种需求，空中鼠标1 2 1 】便应运而生。空中鼠标可以像传统的有线鼠标一样操控 屏幕上的光标，然而空中鼠标不需要放在任何平面上，只需要握住它在空中晃 动就可以实现鼠标的功能，并且免除了有线电缆的束缚。 6 武汉理f ：人学硕十学位论文 另一方面，蓝牙无线游戏控制器的推出也受到了广大游戏玩家的喜爱。例 如任天常公司推出的w i i 游戏控制器，上市至今，受到了人们极大的关注，当人 们手握游戏控制器时，能够模仿现实中的动作。这款游戏控制器可以让你在游 戏中根据需要做出各种动作，它的出现颠覆了传统的游戏操作方式，给人们带 来了更加逼真的游戏体验团l 。但是这类产品的售价比较高，常常只有游戏发烧 友舍得购买。 然而在国内，目l j 还很少有将蓝牙键盘、鼠标和耳机等多种功能融于一体 的产品。武汉某高新技术公司凭借敏锐的洞察力，发现市场上这一块产品的缺 乏，率先研制了r c 3 0 0 多功能蓝牙遥控器，这款遥控器集蓝牙无线键盘、空中 鼠标、蓝牙免提等功能于一体，配合公司自主研发的云影音智能机h 3 使用，带 给用户更好的游戏体验，有着较高的性价比。具体实现中，遥控器上各种功能 的数据传输均符合标准h i d 协议，传统的蓝牙遥控器通常只能跟与之匹配的设 备进行通信，与此不同，蓝牙h i d 遥控器可以当作一个标准h i d 设备，可以与 任何蓝牙h i d 系统进行通信。另一方面，h i d 系统可以自动探测到采用标准h i d 协议的终端设备并与之建立连接。 1 4 课题的主要工作 本课题主要研究了嵌入式系统数据采集与处理相关技术的应用以及蓝牙技 术在数据、语音传输等相关方面的应用，受武汉某高新技术公司的委托参与研 发了r c 3 0 0 多功能蓝牙遥控器，结合该遥控器的硬件架构，进行了全面的需求 分析，研究了相关蓝牙协议与规范。在具体设计中，采用了模块化的恩想，将 蓝牙遥控器上蓝牙应用的实现分成了底层传输层、中间接口层和上层应用层三 个逻辑层次，重点实现了上层应用层，最终完成了该多功能蓝牙遥控器的开发 工作。在课题的完成过程中，主要需要完成以下几项工作： ( 1 ) 全面了解蓝牙规范，掌握蓝牙协议体系的结构以及蓝牙协议栈的常用 实现方式，据此设计出r c 3 0 0 蓝牙遥控器上蓝牙技术实现的总体框架。 ( 2 ) 研究蓝牙h i d 规范，主要掌握该标准的数据通信格式等内容。 ( 3 ) 研究蓝牙应用协议中的h f p 协议及蓝牙免提的实现方法，来实现遥控 器上蓝牙免提的功能。 ( 4 ) 掌握蓝牙键盘、空中鼠标以及核心器件的原理，并在a t m e g a 8 8 单片 机上编程实现按键键值、鼠标位置和加速度数据的采集以及与蓝牙芯片之间通 7 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 舀o ( 5 ) 研究c s r 公司b l u e c o r e 0 4 e x t 蓝牙芯片的工作原理，研究c s r 公司 b l u e l a bs d k ，r c 3 0 0 蓝牙遥控器的设计采用的就是c s r 公司的蓝牙解决方案， 主要需要完成篮牙上层应用程序的编程。 1 5 论文组织结构 本论文总共分为五章，各章节的主要内容安排如下： 第一章绪论。主要分析了课题的研究背景、相关技术的发展现状、课题主 要工作简介以及本论文的组织结构。 第二章多功能蓝牙遥控器的总体方案设计。首先对蓝牙规范进行了简单的 分析，包括对蓝牙协议栈的研究，在此基础之上设计出了r c 3 0 0 蓝牙遥控器的 总体实现方案。 第三章基于a t m c g a 8 8 单片机的数据采集与处理系统设计。首先设计出了 该部分总体框架，之后介绍和分析了核心器件的选型，之后分别研究了蓝牙键 盘、蓝牙鼠标、蓝牙免提的原理及实现。 第四章基于b l u e c o r e 0 4 e x t 芯片的蓝牙应用系统软件设计。蓝牙遥控器 的上层应用均在这里实现，具体应用是基于c s r 公司的蓝牙解决方案，本章在 分析了相关协议的基础上重点研究了h i d 、h f 、u a r t 三个子模块的设计与实 现，最后给出了蓝牙系统的功能验证。 第五章总结与展望。主要总结了本课题所作的研究工作，以及对下一步的 工作进行展望。 附录中给出了r c 3 0 0 蓝牙遥控器的实物图。 8 武汉理+ ：人学硕十学位论文 第2 章多功能蓝牙遥控器方案设计 多功能蓝牙遥控器设计过程中的重点工作就是通过蓝牙来实现遥控器与主 机之间的数据通信。本章首先对蓝牙规范进行了简单的分析，在对蓝牙协议体 系有了一定了解的基础之上，设计出了r c 3 0 0 蓝牙遥控器的总体实现方案。 2 1 蓝牙规范概述 蓝牙特殊利益集团所颁布的蓝牙规范，包括了核心协议( c o r es p e c i f i c a t i o n ) 和协议子集规范( p r o f i l es p e c i f i c a t i o n ) 两个部分阱l 。核心协议部分主要定义了 蓝牙协议栈中各层的功能协议，协议子集规范描述了协议子集所需要的有关蓝 牙协议以及如何利用这些相关的协议来具体实现一些特定的应用，还描述了如 何使用和配置蓝牙协议栈中的各层协议。随着市场需求的不断扩大、新的应用 模型的不断推出，蓝牙协议子集规范也不断得到扩充。蓝牙协议栈的结构如图 2 1 所示。 罔网圈蜃t c 终p 岛u d p圈圈 划掣b 一，；i 篆钏鬈袭l ；1i 仉( a p v 悼了i 二二二二二二二二二) 辑链路控制与适配协喀砷s 砷；三二二二二二二二 二二二二二二二二二二二二二二圣机控制器接睁一( h c i ) 二二二二二二 链路管理器协避( 一l i n km a n 叠g e rp m t 。c 。i 门 二二二二二二每 i 峰链路控制c b a s e b a n d & l i n kc o n t r 。e r 二二二 二二二二： 射频( r a d i o ) 二：二二 图2 1 蓝牙协议栈 9 武汉理i ：人学硕十学位论文 蓝牙协议栈是蓝牙规范中的核心内容，该协议栈可以使蓝牙设备之问完成 相互定位并建立起连接，建立连接后的蓝牙设备之间可以进行数据的交换【2 3 1 。 在蓝牙规范中，采用了类似丌放式系统互联参考模型( o s i r m ) 的分层方式， 由低到高的定义了蓝牙协议栈中的各个层次，采用这样的分层方式可以使应用 程序做到相互操作【z 4 j 。 根据蓝牙协议的逻辑功能来划分，蓝牙协议栈由低到高大致可分为底层传 输协议、中介层协议和上层应用协议这三个部分【1 4 1 ，下面对底层传输协议、中 介层协议和上层应用协议分别做一下简单的描述。 ( 1 ) 底层传输协议主要是由硬件部分来完成的，包括射频( 1 心) 、基带层 ( b b ) 和链路管理层( l m ) 2 5 j 。其中，射频主要定义了满足要求的蓝牙无线收 发器；基带层主要定义了使蓝牙设备互相通信的主要过程，并且定义了各蓝牙 设备之间的物理射频连接；链路管理层主要负责各蓝牙设备之间连接的建立和 设置，建立和解除蓝牙单元之间的连接，功率控制及认证和加密，控制蓝牙设 备的状态1 2 6 j 。底层传输协议可以被上层应用模块访问，必须通过蓝牙主机控制 器接口( h c i ) 来完成两个模块之间数据和消息的传递1 2 7 1 。蓝牙主机控制器接口 ( h c i ) 为基带控制器和链路管理器提供命令接口和访问硬件状态及控制寄存器 的入口，在蓝牙设备的主机和蓝牙控制器之间提供了一个通用接口【2 引。 ( 2 ) 中介层协议介于底层传输协议与上层应用协议之间，主要包括逻辑链 路控制与适配协议( l 2 c a p ) 、串口仿真协议( r f c o m m ) 和服务发现协议( s d p ) 等 2 9 j 。其中，l 2 c a p 是蓝牙协议栈的核心组成部分，也是其他协议实现的基础， 为高层协议层屏蔽了下层传输协议的细节，向上层提供面向连接和无连接的数 据服务p 叫；r f c o m m 为各种应用提供了基于l 2 c a p 协议层之上的虚拟串口； s d p 为上层应用提供一种机制来发现其他蓝牙设备中提供的可用服务及其属性， 以及如何使用这些服务的方法1 3 1 1 。 ( 3 ) 上层应用协议主要包括位于蓝牙协议栈上的应用软件及其所涉及的协 议p 引。在蓝牙规范中，只定义了底层传输层和部分中介层的协议，而对于应用 层，则由开发人员来实现。 在r c 3 0 0 蓝牙遥控器中底层传输协议主要由所选用的蓝牙模块来实现，底 层的射频系统、基带控制器和链路管理器等对于高层用户来说是透明的，在实 际开发中，不需要过多的考虑这部分内容，主要通过h c i 提供的接口来完成对 蓝牙底层的控制，而高层的应用协议则是r c 3 0 0 遥控器丌发的重点。， l o 武汉理i ：人学硕十学何论文 2 2 蓝牙协议栈的实现方式 2 2 1 蓝牙协议栈的常用实现方式 随着微电子技术的发展，人们将射频收发器、基带控制器和链路管理器等 模块都封装进了一颗很小的蓝牙芯片上。也就是说，蓝牙方案已经单芯片化了， 蓝牙芯片一般都集成了微处理器，可以在蓝牙：占片内部运行部分或全部蓝牙协 议1 3 3 1 。根据蓝牙协议和上层应用程序的集成方式不同，蓝牙协议栈的实现通常 有两种方式，即单处理器模式和多处理器模式【3 4 l ，结构框架如图2 - 2 所示。 a p p l i c a t i o n a p p l i c a t i o ni n t e r f a c e - d p r f c o m 司 l 2 c a p l m p b a s e b a n d b l u e t o o t hr a d i o ( a ) a p p l i c a t i o n s d pr f c o m m l 2 c a p h c i 一 一 h c i l m p b a s c b a n d b l u e t o o t hr a d i o ( b ) 图2 2 ( a ) 单处理器模式结构框架；( b ) 多处理器模式结构框架 如图2 2 所示，在单处理器模式中，是将所有的蓝牙底层传输协议、高层传 输协议和用户应用程序都放到蓝牙芯片内部集成的微处理器中实现，不需要再 另行添加其他处理器就可以成为一个蓝牙设备1 3 引。这种模式的优点是整个系统 的集成度很高，系统设计得到了大大的简化，也有效的节约了开发的成本，然 而由于微处理器的运算能力和片内资源均有限，这种模式往往适合于协议栈和 应用程序不太复杂，对运算能力要求不太高的情况，一般用于点对点的连接或 者是作为微微网中的从设备。 在多处理器模式中，蓝牙底层传输协议是以固件( f i r m w a r e ) 的形式集成到 蓝牙模块中的，由篮牙模块内部的高性能微处理器控制，该微处理器被称作主 机控制器，而高层传输协议以及用户应用程序则山外部的处理器( 可以为p c ， 武汉理i ：人学硕七学位论文 也可以为嵌入式微处理器) 来控制实现，该处理器被称作主机，因此这种模式 又叫主机一主机控制器模式，两者之间通过主机控制器接1 ：3 来连接【3 6 1 。使用这 种模式，系统的处理能力大大增强，但是系统的设计也比较复杂，这种模式比 较适合于应用程序较为复杂的情况，比如要同时连接多个设备或完成多种服务 等场合。 2 2 2 系统蓝牙协议栈实现方式的选取 本课题研究的多功能遥控器是基于蓝牙技术的，蓝牙应用的实现是一个重 点内容，因此选择合适的系统蓝牙协议栈的实现方式则显得十分重要。 在r c 3 0 0 蓝牙遥控器中，通过蓝牙传递的数据主要有蓝牙键盘的键值、蓝 牙鼠标的位置数据、遥控器的加速度数据以及语音数锯，没有涉及到复杂的组 网情况，也不需要完成太复杂的工作，并且作为手持设备，设备的体积是用户 所关注的，另外也出于对成本的考虑，最终选取了单处理器模式来实现该遥控 器中的蓝牙协议栈【3 。 目前，蓝牙芯片的主要供应商有c s r 和b r o a d c o m 两家公司，根据调查， c s r 的蓝牙芯片应用在手机类产品上是主流，而b r o a d c o m 的蓝牙芯片应用在笔 记本上是主流。现在主流的l i n u x 和w i n c e 等操作系统在驱动中直接支持c s r 公司的蓝牙芯片，并且考虑到h 3 主机使用的是嵌入式l i n u x 操作系统，因此本 课题选择了c s r 公司的蓝牙芯片b l u e c o r e 0 4 e x t ( b c 0 4 一e x t ) 来进行开发。 b c 0 4 e x t 芯片的型号是b c 4 1 7 1 4 3 ，芯片内主要有一个2 4 5 g h z 的射频模 块、一个1 6 位的r