解析經(jīng)典藍牙設備連接過程

隨著越來越多的經(jīng)典藍牙設備應用在我們的生活和工作中，該類設備的使用場景和相關設計也更加豐富。與此同時，泰凌微電子作為藍牙芯片的源頭廠商，在經(jīng)典藍牙SoC性能提升及方案設計的產(chǎn)出也日新月異；在實際應用中，藍牙設備發(fā)現(xiàn)、連接、斷開等使用場景較為常見，其中設備連接是至關重要的一環(huán)，它涵蓋了設備之間建立連接的整個過程。本文將對經(jīng)典藍牙設備連接過程進行解析，帶大家一起了解連接的整個過程。

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什么是設備連接？

什么設備連接？例如，我們在日常使用手機去連接其它如藍牙耳機等藍牙設備時，搜索到所需的設備后，點擊該設備就會觸發(fā)設備連接過程，也叫尋呼（Page）。而相應的藍牙設備也需要進入被尋呼模式，也就是連接掃描（Page Scan），只有這樣才會被手機等設備連接成功。如下圖，點擊Telink-Test設備即開始了連接過程。

圖1.手機上搜索到Telink-Test設備

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設備連接的流程

圖2.藍牙規(guī)范中的設備狀態(tài)

首先，如上圖Page和Page Scan為藍牙的兩個子狀態(tài)，其中Page為我們通常認為的連接（尋呼）；在設備發(fā)現(xiàn)之后，該子狀態(tài)能以Master的角色進行連接/操作對應的Slave。設備，連接時依賴于發(fā)現(xiàn)過程中獲取到的對端設備地址；而Page Scan子狀態(tài)是和Page相對應的，即等待將被Page的Slave設備所處的狀態(tài)。設備處于Page Scan的狀態(tài)是其可被連接的前提。

開啟Page時，Master(即Page設備)使用Slave（即Page Scan設備）的設備地址(BT_ADDR)及其CLOCK時鐘作為算法參數(shù)生成跳頻序列(paging –hopping sequence)，該序列是一個定義明確的周期序列，其各個頻點均勻分布在2.4G的79個頻率信道上。基于跳頻序列，Master每隔312.5us會更新一個新的頻率信道以發(fā)送ID包；而Slave則每隔1.28s更新一次監(jiān)聽頻率信道，以便在較短時間內(nèi)接收到來自Master的ID包。

下面以一塊泰凌微電子B91開發(fā)板為例，簡述設備連接過程。

圖3. B91開發(fā)板

首先，給開發(fā)板燒錄提前編譯好的測試固件，然后用手機去搜索并連接對應的藍牙設備，用藍牙抓包器抓取空中包，通過抓包內(nèi)容我們可以對應藍牙協(xié)議解析如下內(nèi)容：

圖4.藍牙規(guī)范中的連接步驟

圖5.藍牙規(guī)范中的連接時序圖

圖6.空中包連接時序圖

Step1：當Master處于Page子狀態(tài)，Slave處于Page Scan子狀態(tài)，Master發(fā)送page message 即ID包；

Step2：當Slave接收到page message后，會進入slave response狀態(tài)，Slave會發(fā)送response（接收到page message以后625us），Slave發(fā)送response后，會開始監(jiān)聽來自Master的FHS數(shù)據(jù)包；

Step3：當Master接收到response以后，Master會進入master response狀態(tài)，Master會發(fā)送FHS數(shù)據(jù)包（包含了Master的時鐘、地址、COD等信息）；完成后，Master會監(jiān)聽來自Slave的response；

Step4：Slave接收到來自master的FHS數(shù)據(jù)包，Slave會回復一個response通知Master接收到了FHS數(shù)據(jù)包。

Step5：Slave進入CONNECTION狀態(tài)，Master接收到Slave的response后也會進入CONNECTION狀態(tài)，然后Master發(fā)送一個POLL數(shù)據(jù)包。

Step6：Slave接收到POLL數(shù)據(jù)包后，可能回復任何類型的數(shù)據(jù)包。

以上6步完成后，標志整個的連接過程已經(jīng)成功并結束，后續(xù)會進行鏈路管理階段。

圖7.FHS包內(nèi)容

如果遠端設備即Slave端在設置的超時時間內(nèi)（對應參數(shù)Page_Timeout）沒有返回Page Response時，則Master會觸發(fā)Page Timeout事件，即連接失敗。

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設備連接對應的HCI指令

經(jīng)典藍牙連接過程中涉及到的HCI指令及相關參數(shù)如下：

3.1

HCI_Create_Connection

3.2

HCI_Read_Page_Timeout

該指令用于讀取當前的Page_Timeout 參數(shù)；

3.3

HCI_Write_Page_Timeout

該指令用于設置Page_Timeout 參數(shù)；

3.4

HCI_Read_Page_Scan_Activity

該指令用于讀取Page Scan過程的狀態(tài)等相關參數(shù)；

3.5

HCI_Write_Inquiry_Scan_Activity

該指令用于設置Page Scan的狀態(tài)等相關參數(shù)；

3.6

參數(shù) Page_Timeout

3.7

參數(shù) Page_Scan_Interval

3.8

參數(shù) Page_Scan_Window

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綜述

設備連接是整個藍牙技術不可或缺的一部分。該部分的設計會根據(jù)產(chǎn)品需求調(diào)整Page Scan interval、Page Scan window、Page Scan Type等相關參數(shù)以均衡連接速度、功耗、帶寬等方面。目前泰凌微電子的TLSR951x和TLSR952x兩個系列SoC芯片均支持經(jīng)典藍牙技術，其基于自研的藍牙協(xié)議棧，得益于芯片本身具備的超低功耗工作模式，實現(xiàn)了帶低功耗的Page和Page Scan模式；同時兼具BT與BLE雙模共存，多路BT共存等多種方案，其涵蓋了同一設備電話、音樂下的設備連接，多路同時連接等較為復雜的場景設計，為復雜多樣的客戶產(chǎn)品需求提供了有力支撐。

審核編輯：彭菁