藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)的嵌入式實(shí)現(xiàn) - 全文

　一. 引言

　　藍(lán)牙技術(shù)將計(jì)算和通訊很好地結(jié)合起來，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的概念提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線鏈接，使人們能隨時(shí)隨地地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換與傳輸。隨著各種藍(lán)牙終端設(shè)備的普及，為它們提供局域網(wǎng)訪問的嵌入式局域網(wǎng)接入點(diǎn)會(huì)有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。使用籃牙無線通信的直接網(wǎng)絡(luò)接入要優(yōu)于同等條件下的有線接入，隨著各種藍(lán)牙終端設(shè)備的普及，為它們提供局域網(wǎng)訪問的嵌入式接入點(diǎn)會(huì)有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　本文所介紹的局域網(wǎng)接入點(diǎn) LAP(LAN Access Point)解決了藍(lán)牙設(shè)備對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)的訪問問題，它不同于目前基于Windows開發(fā)平臺(tái)的藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)。如圖一所示，本嵌入式局域網(wǎng)接入點(diǎn)類似于一個(gè)小小插件，直接插在現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里，只是在最后一步才是無線的，這樣就有效地利用了已有網(wǎng)絡(luò)資源，需要更少的配制和干預(yù)，也更接近人們的使用習(xí)慣，讓各種藍(lán)牙終端設(shè)備便利的接入現(xiàn)有的局域網(wǎng)，給藍(lán)牙技術(shù)的推廣應(yīng)用帶來極大的方便。藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙協(xié)議子集中的LAN Access Profile，對(duì)于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的藍(lán)牙設(shè)備，藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)可以運(yùn)行PPP 協(xié)議與該類藍(lán)牙設(shè)備實(shí)現(xiàn)通訊，從而達(dá)到將該類藍(lán)牙設(shè)備接入到Ethernet及Internet的目的。

　　二. 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)的硬件主要由兩大部分組成：藍(lán)牙模塊和嵌入式微處理器，另外還有電源、鍵盤、顯示等輔助電路。圖二給出了籃牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)LAP (LAN Access Point)的硬件框圖。藍(lán)牙模塊采用愛立信的 BOM4E，它將無線射頻、基帶、鏈路控制器和管理器封裝在一起。在模塊中，無線層和鏈路控制器通過硬件來實(shí)現(xiàn)，而鏈路管理器在固件中實(shí)現(xiàn)，將該模塊附著在一個(gè)主機(jī)設(shè)備上后，該設(shè)備就具有了藍(lán)牙無線通信的功能。藍(lán)牙模塊的射頻單元功率也符合FCC關(guān)于ISM頻段的要求，采用時(shí)分雙工(TDD)方案來實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。藍(lán)牙模塊通過UART接口同微處理器通訊，它提供了標(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)控制器接口(Host Control Interface), 允許包括應(yīng)用在內(nèi)的高層協(xié)議訪問基帶層、鏈路管理層以及其他的硬件寄存器，主機(jī)發(fā)射和接受數(shù)據(jù)時(shí)，無論是同步業(yè)務(wù)還是異步業(yè)務(wù)都是通過HCI來傳送。當(dāng)接收到來自微處理器的HCI命令后，模塊可以進(jìn)入某一種給定的操作模式，比如，完成一種鑒權(quán)操作，或者執(zhí)行一個(gè)設(shè)備的尋呼狀態(tài)。反之，模塊可以通過HCI事件向高層協(xié)議傳送一個(gè)設(shè)備請(qǐng)求操作結(jié)果等。

　　微處理器是本系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)藍(lán)牙中間層協(xié)議的處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)以及整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。IP2022是一款高性能的微處理器，它有兩個(gè)全雙工串化解串接口(Ser/Des),能方便地同藍(lán)牙模塊以及網(wǎng)絡(luò)接口相連。它包含64K FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，20K SRAM程序存儲(chǔ)器。內(nèi)置三個(gè)定時(shí)器和一個(gè)硬件看門狗。微處理器的網(wǎng)絡(luò)處理功能通過以太網(wǎng)接口RJ45直接將藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)接入到局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)中。它能進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和下行，既能將無線接收到的數(shù)據(jù)打包為標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP包上傳到局域網(wǎng)，也能接受來自局域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)。用戶可以使用預(yù)創(chuàng)建軟件模塊和配置工具，對(duì)IP2022進(jìn)行編程和重編程，為各種設(shè)備間通信和人機(jī)通信創(chuàng)建真正的單片式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案。在模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議及部分應(yīng)用層協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)傳輸層，可以進(jìn)行TCP、UDP傳輸，在應(yīng)用層，有FTP文件傳輸?shù)确?wù)。

　　三. 軟件協(xié)議棧

　　藍(lán)牙的核心部分是協(xié)議棧，藍(lán)牙協(xié)議棧允許多個(gè)設(shè)備進(jìn)行相互的定位、連接和交換數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)互操作和交互式的應(yīng)用。藍(lán)牙的協(xié)議棧分別運(yùn)行在藍(lán)牙模塊及微處理器上面，是管理系統(tǒng)資源、控制硬件、通過HCI對(duì)來自主機(jī)的命令進(jìn)行處理、完成藍(lán)牙功能的嵌入式軟件。由于本系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊提供了基帶的功能和實(shí)現(xiàn)鏈路管理器協(xié)議，主機(jī)是通過HCI層來控制藍(lán)牙的，所以系統(tǒng)要做的工作就是要給主機(jī)提供HCI的接口，并在HCI接口上開發(fā)中間層協(xié)議以及為應(yīng)用提供應(yīng)用接口。在藍(lán)牙的協(xié)議中，藍(lán)牙主機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)L2CAP功能和上層HCI的驅(qū)動(dòng)程序;PPP、IP、TCP/UDP等協(xié)議歸屬于TCP/IP協(xié)議，已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且被絕大多數(shù)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在本系統(tǒng)中由微處理器IP2022來完成。設(shè)計(jì)協(xié)議和協(xié)議棧的主要原則是盡可能利用現(xiàn)有的各種高層協(xié)議，保證現(xiàn)有協(xié)議與藍(lán)牙技術(shù)的融合以及各種應(yīng)用之間的互通性，充分利用兼容藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的軟硬件系統(tǒng)。協(xié)議棧(如圖三)的各種單元在邏輯上可以被分為三組：底層協(xié)議組、中間件協(xié)議組、應(yīng)用協(xié)議組。

　　1) 底層協(xié)議組：這個(gè)協(xié)議組包含的協(xié)議主要用于使籃牙設(shè)備能確認(rèn)彼此的相互位置，并且能夠創(chuàng)建、配置和管理物理以及邏輯的鏈路，以便使高層協(xié)議和上層應(yīng)用經(jīng)這些鏈路利用傳輸協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)。這個(gè)協(xié)議組包括無線、基帶、鏈路控制器和管理器協(xié)議。本系統(tǒng)采用的藍(lán)牙模塊已經(jīng)固化有藍(lán)牙的底層協(xié)議，并且提供了標(biāo)準(zhǔn)的訪問接口(HCI)，不再這里討論。

　　2) 中間協(xié)議組：這是本系統(tǒng)需要開發(fā)的核心部分，包括有邏輯鏈路控制及適配協(xié)議(L2CAP)、服務(wù)搜索協(xié)議(SDP)、基于TS07.10的串口仿真協(xié)議(RFCOMM)。

　　3) 應(yīng)用協(xié)議組：本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了籃牙的協(xié)議子集LAN Access Point(LAP)，這種應(yīng)用模式在藍(lán)牙連接上使用IETF的點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議(PPP)，PPP是一種廣泛使用的Internet標(biāo)準(zhǔn)，為IP通訊提供了主機(jī)配置和準(zhǔn)備，PPP是為在同等單元之間傳輸數(shù)據(jù)包這樣的簡(jiǎn)單的鏈路而設(shè)計(jì)的。這種鏈路提供全雙工操作，并按照順序傳遞數(shù)據(jù)包。PPP為基于各種主機(jī)、網(wǎng)橋和路由器的簡(jiǎn)單連接提供一種共通的解決方案。使用PPP是LAP的關(guān)鍵，PPP適用于數(shù)據(jù)接入點(diǎn)和數(shù)據(jù)終端間的連接。IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能夠在PPP鏈路上傳輸，PPP在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到了要在串行連接上使用，因此在LAP中PPP可以運(yùn)行在串口仿真協(xié)議RFCOMM之上。UDP、TCP&IP是由IETF定義，主要用于Internet上的通訊。

四. 協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

　　籃牙協(xié)議棧的設(shè)計(jì)主要包括：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，任務(wù)的管理，內(nèi)存的管理等等。

　　1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：系統(tǒng)采用單進(jìn)程的結(jié)構(gòu)，由主程序循環(huán)的調(diào)用幾個(gè)任務(wù)。當(dāng)一個(gè)任務(wù)執(zhí)行完之后，才會(huì)進(jìn)入對(duì)下一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行。任務(wù)的執(zhí)行不影響中斷的產(chǎn)生和中斷服務(wù)程序的調(diào)用，可以保證系統(tǒng)對(duì)外部事件的響應(yīng)，構(gòu)成典型地前后臺(tái)系統(tǒng)。

　　2) 重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的確定：根據(jù)對(duì)藍(lán)牙協(xié)議的分析可知，協(xié)議的中心任務(wù)是建立和管理幾個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間的連接，建立通訊鏈路，并借此傳輸數(shù)據(jù)。因此對(duì)這種連接的建立，維護(hù)和參數(shù)管理是軟件最基本的功能。根據(jù)藍(lán)牙規(guī)范中連接的屬性和各種協(xié)議數(shù)據(jù)包的定義，可以確定對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如可以用結(jié)構(gòu)l2cap_con來描述邏輯鏈路控制和適配協(xié)議層的對(duì)等層間的連接通道。

　　struct l2cap_con {

　　BD_ADDR remote_bd; /* 6 bytes */

　　unsigned short local_cid;

　　unsigned short remote_cid;

　　int current_state;

　　unsigned short psm;

　　unsigned short remote_mtu;

　　unsigned short flush_timeout;

　　…

　　};

　　其中BD_ADDR是一個(gè)6字節(jié)的結(jié)構(gòu)，記錄連接中另一方的藍(lán)牙地址，local_cid是邏輯信道本地端設(shè)備信道標(biāo)示符，remote_con是遠(yuǎn)端信道標(biāo)示符，current_state表示目前的連接狀態(tài)，psm是協(xié)議/服務(wù)復(fù)用段，remote_mtu是遠(yuǎn)端最大傳輸單位等等。還有其他一些變量用來說明這個(gè)連接的一些屬性和狀態(tài)。通過這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以描述在L2CAP 對(duì)等層間的數(shù)據(jù)通道。除了結(jié)構(gòu)l2cap_con之外，還有許多用來描述各層協(xié)議數(shù)據(jù)包屬性的結(jié)構(gòu)也都是系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，這里不再詳細(xì)列出。

　　3) 任務(wù)管理：針對(duì)協(xié)議任務(wù)和事件數(shù)量多，并且之間相關(guān)性大的特點(diǎn)，使用有限狀態(tài)機(jī)的方法來處理，并采用過程驅(qū)動(dòng)方案來實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)，為每個(gè)輸入狀態(tài)啟動(dòng)一個(gè)過程。當(dāng)某一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)利用當(dāng)前狀態(tài)來選取一個(gè)適當(dāng)?shù)膭?dòng)作，該動(dòng)作處理輸入事件并更新當(dāng)前狀態(tài)變量值。如圖四所示是L2CAP的面向連接信道的狀態(tài)機(jī)，顯示了由哪一個(gè)事件導(dǎo)致狀態(tài)轉(zhuǎn)換，以及在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)采取哪一個(gè)動(dòng)作。信道的操作共有七個(gè)狀態(tài)：關(guān)閉、高層連接請(qǐng)求、L2CAP層連接請(qǐng)求、配置、打開、高層斷開連接請(qǐng)求、L2CAP層斷開連接請(qǐng)求。

　　4) 內(nèi)存管理：內(nèi)存管理通常是操作系統(tǒng)的核心任務(wù)之一，由于本系統(tǒng)沒有使用操作系統(tǒng)，所以這部分任務(wù)是系統(tǒng)必需而重要的任務(wù)。輸入的數(shù)據(jù)包必須被保存在內(nèi)存中，并將其傳遞給適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)作進(jìn)一步的處理。同時(shí)，應(yīng)用程序產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)也必須以數(shù)據(jù)包的形式存儲(chǔ)在內(nèi)存中，并將其傳遞給硬件設(shè)備傳送出去。設(shè)計(jì)要做到快速分配存儲(chǔ)空間，并且避免數(shù)據(jù)包在各層協(xié)議之間移動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)復(fù)制。針對(duì)本系統(tǒng)處理的實(shí)際情況：藍(lán)牙協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)只有一些固定的大小的包類型，因此采用系統(tǒng)分配大小固定的緩沖區(qū)的方案。這樣作可以杜絕內(nèi)存碎片。需要緩沖區(qū)的時(shí)候，系統(tǒng)調(diào)用allot_bt_buffer函數(shù)。只要緩沖區(qū)分配完成，需要保存的僅僅是指向緩沖區(qū)的指針，所以歸還緩沖區(qū)到空閑緩沖區(qū)列表的時(shí)候，系統(tǒng)調(diào)用unallot_bt_buffer，將被釋放的緩沖區(qū)的指針交還給它。采用這種方法，協(xié)議軟件只需傳遞指向該緩沖區(qū)的指針，處理過程統(tǒng)一，并且避免了處理過程中數(shù)據(jù)的移動(dòng)。

　　從一般軟件設(shè)計(jì)分類的角度來看，設(shè)備管理和系統(tǒng)資源管理是操作系統(tǒng)的任務(wù)。在綜合考慮系統(tǒng)簡(jiǎn)單性和成本等因素之后，本系統(tǒng)中沒有使用獨(dú)立的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而是由嵌入式軟件完成部分應(yīng)該由操作系統(tǒng)完成的功能。

　　五. 結(jié)束語

　　本嵌入式局域網(wǎng)訪問點(diǎn)已可以應(yīng)用于對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程訪問上。如果將現(xiàn)有接入點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)改動(dòng)和擴(kuò)展，就能實(shí)現(xiàn)其他功能，例如給它擴(kuò)展上一個(gè)語音解碼芯片后很容易擴(kuò)展到語言信號(hào)的傳輸。