MCU-Controlling Based Bluetooth Data Transferring Jia LIU,
Guangmin SUN*, Dequn ZHAO, Xu YAO, Yihang ZHANG
Abstract
Based on researching of Bluetooth Protocol, a kind of Bluetooth data transferring system based on MCU-controlling has been proposed in the paper. In the system, the MCU in which the Bluetooth HCI protocol has been embedded is used to control the Bluetooth module on UART and make the Bluetooth devices in the Bluetooth network establish connection and transfer data automatically. In the hardware design, the chip C8051F020 is selected as the host controller. Because chip C8051F020 has two UART serial interfaces, it can meet the requirement of design, simplify the circuit and enhance system anti-jamming capability. The Bluetooth module used in the system is CSR Bluetooth Core 4 with Bluetooth Standard 2.0 class 1 which has the advantages of high signal sensitivity, long distance of connection and easy to use..
Keywords: Bluetooth; Data Communication; MCU; HCI; UART
1. Introduction
Bluetooth is a radio technology, supporting communication of device in short distance, and making wireless information transfer between numerous devices possible. The Bluetooth has been used in a series of technologies, methods and theories for hardware and software designs. For example, wireless communication and technologies in network, engineering and software dependability theory, protocol testing technology, standard describing language, built-in RTOS, cross-platform development and graphical user interfaces technology, interface technology for software and hardware, and CMOS chips
integration technology etc.[1]. Because of the small size and the low power, the application of Bluetooth technology is more than a computerrsquo;s peripheral device. It can be integrated inside of any digital device, especially for micro devices and portable devices, which do not require high quality on transfer speed. In modern life, with fast development of digital technology, the wireless information transfer is needed frequently between all kinds of digital devices and computers. Especially in industrial control and
data collection, a secure wireless way to connect and exchange information between computer and MCU is particularly important. Based on the problem, a Bluetooth communication system based on MCUcontrolling is proposed in the paper. The system is controlled by MCU and can communicate with any other Bluetooth device in the range of Bluetooth network, such as cellar phone, PDA etc.
Bluetooth is a forever, limited radio connect that resides on a microchip. It was originally expanded through Swedish mobile phone creator Ericsson in 1994 as a method to let laptop computers make calls above a mobile phone. As then, numerous organizations have signed on to create Bluetooth the low-power thoughtless wireless average for a broad variety of devices (LeVitus, 216-220). Industry spectators anticipate Bluetooth to be fitted in billions of devices through 2005.
Discussion
Developed by engineers at Ericsson in the late 1990s, Bluetooth is more and more special technology that facilitates thoughtless wireless communication among a diversity of electronic devices. Its mainly important aspect is that it permits devices to “talk” (relocate and orchestrate data) wirelessly with each other, terminating the requirement for the outwardly continuous tangle of cables, cords, and adapters important for numerous todayrsquo;s expertise.
The Bluetooth Special Interest Group (SIG) was formed in 1998 to manage the expansion and prologue of Bluetooth knowledge (LeVitus, 216-220). IBM, Intel, Toshiba and Nokia connected with Ericsson as the beginning associates of the SIG, and in excess of 8,000 organizations have contracted since. So as to trade products with the Bluetooth requirement and logo, manufacturers should be associates of the SIG and the devices should meet well-outlined credentials. These procedures make sure that Bluetooth wireless devices international may converse with each other, apart from company or nation of derivation.
Speed and Range
Range is application specific and although a minimum range is mandated by the Core Specification, there is not a limit and manufacturers can tune their implementation to support the use case they are enabling.
Range may vary depending on class of radio used in an implementation:
- Class 3 radios – have a range of up to 1 meter or 3 feet
- Class 2 radios – most commonly found in mobile devices , have a range of 10 meters or 33 feet
- Class 1 radios – used primarily in industrial use cases , have a range of 100 meters or 300 feet
That creates Bluetooth technology appropriate for transporting lesser files for example cell phone contracts and text documents, also as lower-quality pictures and audio (Kumkum, 160-162). At these relocate speeds; Bluetooth may not actually deal streaming video or high-quality pictures and audio at this end, except this possibly will alter in the future when fresh Bluetooth standards are initiated.
Simple and Competent to Utilize
Creating and configuring Bluetooth allowed devices is moderately uncomplicated, with little extra commotion than acquire the two devices close to one another and twist them on. There is no requirement to mount drivers or further software to complex an ad-hoc, personal wireless network (Kumkum, 160-162). It has a uniform organization, meaning that some two wireless products attributing Bluetooth technology, despite of product or nation of origin, have the ability to converse faultlessly with each other.
Common Applications
One of the mainly ordinary applications of Bluetooth is hands-free cell phone procedure. About each cell phone fashioned in our day has constructed Bluetooth
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基于单片机控制的蓝牙数据传输系统
刘佳，孙广民*，赵德群，徐垚，张一航
摘要
在研究蓝牙协议的基础上，提出了一种基于MCU控制的蓝牙数据传输系统。该系统采用嵌入HCI协议的MCU来控制UART蓝牙模块，使蓝牙网络中的蓝牙设备自动建立连接并传输数据。在硬件设计中，选择芯片C8051F020作为主控制器。由于芯片C8051F020有两个UART串口，可以满足设计要求，简化电路，增强系统抗干扰能力。系统中使用的蓝牙模块是CSR蓝牙芯4与蓝牙标准2.01，具有信号灵敏度高、连接距离长、使用方便的优点。
关键词: 蓝牙；数据传输；MCU; HCI; UART
1.介绍
蓝牙是一种无线电技术，支持短距离的设备通信，并使众多设备之间的无线信息传输成为可能。蓝牙已经被用于硬件和软件设计的一系列技术、方法和理论中。例如，无线通信和网络技术、工程和软件可靠性理论、协议测试技术、标准描述语言、内置RTOS、跨平台开发和图形用户界面技术、软件和硬件接口技术以及CMOS芯片集成技术等[1]。由于体积小、功耗低，蓝牙技术的应用不仅仅是计算机的外围设备，它可以集成在任何数字设备内部，特别是对于传输速度不要求高质量的微型设备和便携式设备。
在现代生活中，随着数字技术的快速发展，各种数字设备和计算机之间经常需要无线信息传输。尤其是在工业控制领域,计算机和MCU之间连接和交换信息的安全无线方式显得尤为重要。针对这一问题，本文提出了一种基于MCU控制的蓝牙通信系统。该系统由MCU控制，可与蓝牙网络范围内的任何其他蓝牙设备通信，如手机、掌上电脑等。
蓝牙是一种永久的、有限的无线电连接，驻留在微芯片上。它最初是在1994年通过瑞典手机制造商爱立信作为一种让笔记本电脑在手机上打电话的方法而扩展的。到那时，许多组织已经签约为各种各样的设备创建低功耗、欠考虑的无线平均值蓝牙(LeVitus，216-220)。业内观众预计，到2005年，蓝牙将被安装在数十亿个设备中。
讨论
蓝牙是20世纪90年代末由爱立信的工程师开发的一种越来越特殊的技术，它可以促进各种电子设备之间轻率的无线通信。其主要的重要方面是，它允许设备以无线方式相互“交谈”(重新定位和编排数据)，终止了对当今众多专业技术来说非常重要的电缆、电线和适配器向外连续缠结的要求。
蓝牙特别兴趣小组(SIG)成立于1998年，旨在管理蓝牙知识的扩展和序幕(LeVitus，216-220)。国际商用机器公司、英特尔公司、东芝公司和诺基亚公司与爱立信公司建立了联系，作为SIG的创始合伙人，此后已有8000多家公司签约。为了交易具有蓝牙要求和标志的产品，制造商应该是SIG的合作者，并且设备应该满足清晰的证书。这些程序确保蓝牙无线设备国际可以相互交谈，除了派生公司或国家。
速度和范围
范围是特定于应用程序的，尽管核心规范规定了最小范围，但没有限制，制造商可以调整其实现以支持他们正在启用的用例。
范围可能因实施中使用的无线电类别而异:
- 3类无线电——射程可达1米或3英尺
- 2类无线电——最常见于移动设备，范围为10米或33英尺
- 1类无线电——主要用于工业用例，范围为100米或300英尺
这就产生了蓝牙技术，适用于传输较小的文件，例如手机合同和文本文档，也适用于传输较低质量的图片和音频(kum，160-162)。在这些重新定位的速度下，蓝牙实际上可能不会在这一端处理流式视频或高质量的图片和音频，除非在将来启动新的蓝牙标准时这种情况可能会改变。
简单且易于利用
创建和配置蓝牙允许的设备相当简单，比获取彼此靠近的两个设备并打开它们几乎没有额外的混乱。不需要安装驱动程序或其他软件来复杂特殊的个人无线网络(kum，160-162)。它有一个统一的组织，这意味着一些属于蓝牙技术的两种无线产品，不管是哪种产品或来自哪个国家，都能够完美地相互交流。
常见应用
蓝牙的主要普通应用之一是免提手机程序。我们今天生产的每一部手机都构建了蓝牙(迈尔，15-20岁)。只需将手机与蓝牙耳机配对，他就可以通话，而手机在钱包或口袋里。今天的一些汽车音响也在他的车上安装了蓝牙免提通话功能。如果他的汽车有一个工厂立体声系统或者一个他只是不想恢复的成熟的售后市场系统，他可能还喜欢用蓝牙车载套件进行免提识别。
蓝牙3.0
蓝牙3.0是2009年4月21日通过蓝牙SIG采用的最新蓝牙无线标准。新标准支持更高的数据删除速度，并在前面的标准(迈尔，15-20)之前构建。这项技术以其优越的速度有可能改变消费电子行业。
技术
协议
蓝牙技术标准旨在使不同的应用程序能够相互“通信”。通信中的远程设备使用相同的协议栈，而不同的应用程序需要不同的协议栈。但是，每个应用都需要蓝牙技术的数据链路层和物理层。整个蓝牙协议栈显示为blow。不是任何应用程序都应该使用所有的协议，而是其中的一个或一些列表。下图显示了协议之间的关系，但在某些应用中，这种关系可能会发生变化。完整的协议栈包括蓝牙特殊协议(如LMP和L2CAP)和非特殊协议(如OBEX和UDP)。设计协议和协议栈的基本原则是尽可能使用现有的高级协议，保证协议和蓝牙技术的结合，并充分利用适应蓝牙技术标准的软硬件。开放蓝牙技术使设备制造商可以自由选择他们喜欢或习惯的协议。
蓝牙协议系统中的协议
根据SIG，蓝牙协议系统有四层
- 核心协议
- 电缆替代协议
- 电话控制协议
- 通过协议
除了上面的协议层，标准还定义了主机/控制器接口(HCI)，它为基带控制器、连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。
蓝牙核心协议由SIG制定的特殊协议组成。大多数蓝牙设备需要核心协议，而其他协议的使用取决于应用的需要。毕竟，基于核心协议的电缆替换协议、技术控制协议和采用的协议构成了面向对象的协议。
- 核心协议
- LMP(链路管理协议)
用于控制两个设备之间的无线电链路。在控制器上实现。
它通过启动、交换和检查连接进行识别和加密，并通过会议决定基带数据包的大小。它还控制无线设备的功率模式和工作周期，以及微微网中单元设备的连接状态。
- L2CAP(逻辑链路控制和适应协议)
该协议用于使用不同的高级协议多路复用两个设备之间的多个逻辑连接，并提供广播数据包的分段和重组。
在基本模式下，L2CAP为数据包提供最高可配置为64kB的有效负载，672字节为默认MTU，48字节为最低强制支持的MTU。
在重传和流量控制模式下，通过执行重传和循环冗余校验，可以为每个信道配置可靠或同步的数据。
蓝牙核心规范附录1在核心规范中增加了两种额外的L2CAP模式。这些模式实际上不支持原始的重传和流量控制模式:
- 增强型重传模式(ERTM):该模式是原始重传模式的改进版本。这种模式提供了可靠的L2CAP通道。
- 流模式(SM):这是一个非常简单的模式，没有重传或流控制。这种模式提供了不可靠的L2CAP通道。
通过配置重传次数和刷新超时(此后无线电将刷新数据包的时间)，这些模式中任一模式的可靠性可选地和/或附加地由低层蓝牙BDR/EDR空中接口来保证。下层保证有序排序。只有在ERTM或新加坡配置的L2CAP信道可以通过放大器逻辑链路运行。
- SDP服务发现协议
服务发现协议(SDP)允许设备发现其他设备支持的服务及其相关参数。例如，当将移动电话连接到蓝牙耳机时，SDP将用于确定耳机支持哪些蓝牙配置文件(耳机配置文件、免提配置文件、高级音频分发配置文件(A2DP)等)。)以及连接到每个协议复用器所需的协议复用器设置。每项服务都由一个通用唯一标识符(UUID)标识，官方服务(蓝牙配置文件)分配一个简短的UUID (16位而不是完整的128位)/vichitra。
- 电缆更换协议(RFCOMM)
射频通信(RFCOMM)是一种用于创建虚拟串行数据流的电缆替换协议。射频通信提供二进制数据传输，并通过蓝牙基带层模拟EIA-232(以前为RS-232)控制信号。
RFCOMM向用户提供简单可靠的数据流，类似于TCP。它被许多与电话相关的配置文件直接用作AT命令的载体，也是蓝牙上OBEX的传输层。
- 电话控制协议
电话控制协议——二进制(TCS BIN)是一种面向比特的协议，它定义了用于在蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的呼叫控制信令。此外，“TCS BIN定义了处理蓝牙TCS设备组的移动性管理程序。”
TCS-BIN仅由无绳电话配置文件使用，这未能吸引实施者。因此，它只具有历史意义。
- 通过的协议
采用的协议由其他标准制定组织定义，并纳入蓝牙协议栈，只允许蓝牙在必要时创建协议。通过的协议包括:
- 点对点协议:通过点对点链路传输IP数据报的互联网标准协议。
- TCP/IP/UDP:用于与连接到互联网的设备通信。
- 对象交换协议(OBEX):用于对象交换的会话层协议，为对象和操作表示提供模型。它使用客户端-服务器模式。
- 无线应用环境/无线应用协议(WAE/WAP):WAE为无线设备指定一个应用框架，而WAP是一个开放标准，为移动用户提供电话和信息服务的接入。
技术
谱和干扰
蓝牙技术在2.4至2.485 GHz的未经许可的工业、科学和医疗(ISM)频带中运行，使用标称速率为1600跳/秒的扩频、跳频、全双工信号。2.4 GHz ISM频段在大多数国家都可以使用，并且没有执照。
SIM频段对所有无线电系统开放，因此使用某个频段会遇到不可预测的干扰源。因此，蓝牙设计了特殊的快速确认和跳频技术来保证链路的稳定性。跳频技术将频带分成许多跳频信道，在一个连接中，无线电收发信机根据特定的代码序列不断地从一个信道“跳跃”到另一个信道。只有发送方和接收方根据该规则进行通信，其余的干扰可能不会按相同的规则进行。跳频的瞬时带宽非常窄，但通过扩频技术它可以使窄带宽扩大一百倍，成为宽带，使得干扰的影响可能变得非常小。与其他工作在同一频段的系统相比，蓝牙跳频工作更快，蓝牙数据包更短，比其他系统更稳定。
纠错
蓝牙支持电路交换和分组交换两种技术，并定义了两种类型的链路连接，即面向连接的同步链路(SCO)和面向无连接的异步链路(ACL)。
蓝牙使用三种纠错模式:1/3前向纠错、2/3前向纠错和自动重复请求(ARQ)。纠错的目的是降低重传的可能性，同时增加额外费用，但在合理的无差错环境下，冗余投标会降低产量。因此包定义本身也保持了灵活的方式。因此，软件可以定义是否采用前向纠错。一般来说，当信道噪声较大时，蓝牙系统会使用前向纠错，以保证通信质量:对于上向纠错链路，使用1/3前向纠错；前交叉链路使用2/3前向纠错。在无编号的ARQ，在一个时隙发送的数据必须在下一个时隙收到接收确认。只有在报头错误检测和接收方的循环冗余校验之后，数据被检查为无误时，确认才会发送给发送方，否则将返回错误消息。
范围
范围是特定于应用程序的，尽管核心规范规定了最小范围，但没有限制，制造商可以调整其实现以支持他们正在启用的用例。
范围可能因实施中使用的无线电类别而异:
- 3类无线电——射程可达1米或3英尺
- 2类无线电——最常见于移动设备，范围为10米或33英尺
- 1类无线电——主要用于工业用例，范围为100米或300英尺
力量
为了使蓝牙设备即使在非常低的功率状态下也能连接，蓝牙规定了三种节能状态:停车状态、保持状态和嗅探状态。这些州的节能效率一个接一个地下降。
最常用的无线电是2类，用户功率为2.5毫瓦。蓝牙技术被设计成具有非常低的功耗。这在规范中得到了加强，允许无线电在不活动时断电。
3.0版HS中的通用备用媒体访问控制/PHY支持仅在数据传输需要时才在无线电上发现用于高速设备和tums的远程放大器，从而提供功率优化优势并有助于无线电的安全性。
蓝牙低能耗技术，针对需要最长电池寿命而不是高数据传输速率的设备进行了优化，消费者的功耗是传统蓝牙技术的1/2到1/100。
安全
蓝牙系统的移动性和开放性使得安全问题变得极其重要。虽然蓝牙系统使用的调频技术已经提供了一定的安全性，但是蓝牙系统仍然需要对链路层和应用层进行安全管理。在链路层，蓝牙系统提供认证、加密和密钥管理等功能。每个用户都有一个个人身份号码，该号码将被转换为128位链接密钥，用于单向或双向认证。一旦认证完成，链接将使用加密密钥进行加密。链路层安全机制提供了大量的认证方案和灵活的加密方案(允许查询密码长度)。当通信设备来自不同国家时，这种机制非常重要，因为一些国家将指定最大密码长度。蓝牙系统将选择微
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