一. 引言

　　藍牙技術(shù)將計算和通訊很好地結(jié)合起來，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的概念提供點對點和點對多點的無線鏈接，使人們能隨時隨地地進行數(shù)據(jù)信息的交換與傳輸。隨著各種藍牙終端設(shè)備的普及，為它們提供局域網(wǎng)訪問的嵌入式局域網(wǎng)接入點會有廣泛的應(yīng)用場合。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會有廣泛的應(yīng)用場合。

　　本文所介紹的局域網(wǎng)接入點 LAP(LAN Access Point)解決了藍牙設(shè)備對有線網(wǎng)絡(luò)的訪問問題，它不同于目前基于Windows開發(fā)平臺的藍牙網(wǎng)關(guān)。如圖一所示，本嵌入式局域網(wǎng)接入點類似于一個小小插件，直接插在現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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，讓各種藍牙終端設(shè)備便利的接入現(xiàn)有的局域網(wǎng)，給藍牙技術(shù)的推廣應(yīng)用帶來極大的方便。藍牙局域網(wǎng)接入點實現(xiàn)了藍牙協(xié)議子集中的LAN Access Profile，對于已經(jīng)實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的藍牙設(shè)備，藍牙局域網(wǎng)接入點可以運行PPP 協(xié)議與該類藍牙設(shè)備實現(xiàn)通訊，從而達到將該類藍牙設(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LAP (LAN Access Point)的硬件框圖。藍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現(xiàn)，而鏈路管理器在固件中實現(xiàn)，將該模塊附著在一個主機設(shè)備上后，該設(shè)備就具有了藍牙無線通信的功能。藍牙模塊的射頻單元功率也符合FCC關(guān)于ISM頻段的要求，采用時分雙工(TDD)方案來實現(xiàn)全雙工傳輸。藍牙模塊通過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，主機發(fā)射和接受數(shù)據(jù)時，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)議傳送一個設(shè)備請求操作結(jié)果等。

　　微處理器是本系統(tǒng)的核心部分，負責(zé)藍牙中間層協(xié)議的處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)以及整個系統(tǒng)的控制功能。IP2022是一款高性能的微處理器，它有兩個全雙工串化解串接口(Ser/Des),能方便地同藍牙模塊以及網(wǎng)絡(luò)接口相連。它包含64K FLASH數(shù)據(jù)存儲器，20K SRAM程序存儲器。內(nèi)置三個定時器和一個硬件看門狗。微處理器的網(wǎng)絡(luò)處理功能通過以太網(wǎng)接口RJ45直接將藍牙無線網(wǎng)絡(luò)接入到局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)中。它能進行數(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IP2022進行編程和重編程，為各種設(shè)備間通信和人機通信創(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

　　藍牙的核心部分是協(xié)議棧，藍牙協(xié)議棧允許多個設(shè)備進行相互的定位、連接和交換數(shù)據(jù)，并能實現(xiàn)互操作和交互式的應(yīng)用。藍牙的協(xié)議棧分別運行在藍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對來自主機的命令進行處理、完成藍牙功能的嵌入式軟件。由于本系統(tǒng)的藍牙模塊提供了基帶的功能和實現(xiàn)鏈路管理器協(xié)議，主機是通過HCI層來控制藍牙的，所以系統(tǒng)要做的工作就是要給主機提供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。在藍牙的協(xié)議中，藍牙主機軟件實現(xiàn)L2CAP功能和上層HCI的驅(qū)動程序;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)實現(xiàn)，在本系統(tǒng)中由微處理器IP2022來完成。設(shè)計協(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：這個協(xié)議組包含的協(xié)議主要用于使籃牙設(shè)備能確認彼此的相互位置，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)采用的藍牙模塊已經(jīng)固化有藍牙的底層協(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)實現(xiàn)了籃牙的協(xié)議子集LAN Access Point(LAP)，這種應(yīng)用模式在藍牙連接上使用IETF的點到點協(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)包這樣的簡單的鏈路而設(shè)計的。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、網(wǎng)橋和路由器的簡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)計時已經(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)議棧的實現(xiàn)

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

　　1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計：系統(tǒng)采用單進程的結(jié)構(gòu)，由主程序循環(huán)的調(diào)用幾個任務(wù)。當(dāng)一個任務(wù)執(zhí)行完之后，才會進入對下一個任務(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)對外部事件的響應(yīng)，構(gòu)成典型地前后臺系統(tǒng)。

　　2) 重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的確定：根據(jù)對藍牙協(xié)議的分析可知，協(xié)議的中心任務(wù)是建立和管理幾個藍牙設(shè)備之間的連接，建立通訊鏈路，并借此傳輸數(shù)據(jù)。因此對這種連接的建立，維護和參數(shù)管理是軟件最基本的功能。根據(jù)藍牙規(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6字節(jié)的結(jié)構(gòu)，記錄連接中另一方的藍牙地址，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是遠端最大傳輸單位等等。還有其他一些變量用來說明這個連接的一些屬性和狀態(tài)。通過這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以描述在L2CAP 對等層間的數(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)，這里不再詳細列出。

　　3) 任務(wù)管理：針對協(xié)議任務(wù)和事件數(shù)量多，并且之間相關(guān)性大的特點，使用有限狀態(tài)機的方法來處理，并采用過程驅(qū)動方案來實現(xiàn)有限狀態(tài)機，為每個輸入狀態(tài)啟動一個過程。當(dāng)某一個事件發(fā)生時，系統(tǒng)利用當(dāng)前狀態(tài)來選取一個適當(dāng)?shù)膭幼鳎搫幼魈幚磔斎胧录⒏庐?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，顯示了由哪一個事件導(dǎo)致狀態(tài)轉(zhuǎn)換，以及在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時采取哪一個動作。信道的操作共有七個狀態(tài)：關(guān)閉、高層連接請求、L2CAP層連接請求、配置、打開、高層斷開連接請求、L2CAP層斷開連接請求。

　　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)作進一步的處理。同時，應(yīng)用程序產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)也必須以數(shù)據(jù)包的形式存儲在內(nèi)存中，并將其傳遞給硬件設(shè)備傳送出去。設(shè)計要做到快速分配存儲空間，并且避免數(shù)據(jù)包在各層協(xié)議之間移動時的數(shù)據(jù)復(fù)制。針對本系統(tǒng)處理的實際情況：藍牙協(xié)議數(shù)據(jù)報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。

　　從一般軟件設(shè)計分類的角度來看，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)簡單性和成本等因素之后，本系統(tǒng)中沒有使用獨立的實時操作系統(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)訪問點已可以應(yīng)用于對機器人的遠程訪問上。如果將現(xiàn)有接入點進行適當(dāng)改動和擴展，就能實現(xiàn)其他功能，例如給它擴展上一個語音解碼芯片后很容易擴展到語言信號的傳輸。