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蓝牙设备在生活中无处不在但是我们也只是将其作为蓝牙模块进行使用发送简单的AT命令实现数据收发。
那么像对于一些复杂的使用场合“车载蓝牙”、智能手表、“蓝牙音箱”等我们不得不去了解底层的蓝牙实现原理。 1、蓝牙概念 2、蓝牙发展历程 3、蓝牙技术概述 3.1 Basic Rate(BR) 3.2 Low EnergyLE 4、常见蓝牙架构 4.1 SOC蓝牙单芯片方案 4.2 SOC蓝牙MCU方案 4.3 蓝牙host controller分开方案 4.4 使用场景 5、参考文档 1、蓝牙概念
蓝牙是一种利用低功率无线电支持设备短距离通信的无线电技术能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM即工业、科学、医学频段使用IEEE802.11协议。
2、蓝牙发展历程
自1994年由爱立信推出至今蓝牙技术已经走过了20个岁月。从最初的Bluetooth V1.0到Bluetooth V5.2经历了近9个版本的修订后发展为当前的状况。
“蓝牙”的形成背景是这样的 1998 年 5 月爱立信、诺基亚、东芝、 IBM和英特尔公司等五家著名厂商 在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术其宗旨是提供一种短距离、 低成本的无线传输应用技术。 芯片霸主 Intel 公司负责半导体芯片和传输软件的开发爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发 IBM 和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。 1999 年下半年著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。 全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品 使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景并预示着 21 世纪初将迎来波澜壮阔的全球无线通信浪潮。 第一代蓝牙关于短距离通讯早期的探索使用的是BR技术此时蓝牙的理论传输速率只能达到721.2Kbps。 第二代蓝牙新增的 EDREnhanced Data Rate技术使得蓝牙设备的传输率可达 3Mbps。 第三代蓝牙核心是 AMPGeneric Alternate MAC/PHY这是一种全新的交替射频技术支持动态地选择正确射频传输速率高达 24Mbps 第四代蓝牙主推” Low Energy”低功耗 BLEBluetooth Low Energy低功耗功能 第五代蓝牙开启「物联网」时代大门在低功耗模式下具备更快更远的传输能力
3、蓝牙技术概述
蓝牙协议包括两种技术BRBasic Rate和LELow Energy。这两种技术都包括搜索discovery管理、连接connection管理等机制但它们是不能互通的
厂商如果只实现了一种那么只能与同样实现该技术的设备互通。
如果厂商要确保能和所有的蓝牙设备互通那么就只能同时实现两种技术而不去管是否真的需要。
3.1、Basic Rate(BR)
BRBasic Rate是正宗的蓝牙技术可以包括可选optional的EDREnhanced Data Rate技术以及交替使用的Alternate的MACMedia Access Control层和PHY层扩展简称AMPAlternate MAC and PHY layer extension。 BR最早期的蓝牙技术速度只能达到721.2Kbps在那个年代已为高大上了。 EDR随着技术的提升使用EDR技术的蓝牙理论速率可以达到2.1Mbps。 AMP使用AMP技术的蓝牙理论速率可以达到54Mbps。 AMP的Alternate交替使用体现在由于蓝牙自身的物理层和AMP技术差异太明显BR/EDR和AMP是不能同时使用的。 简单的说就是BR和EDR是可以同时存在的但BR/EDR和AMP只能二选一 3.2、Low EnergyLE 上面所讲的BR技术的进化路线就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的你想传的更快代价就是消耗更多的能量。而有很多的应用场景并不关心传输速率反而非常关心功耗。这就是Bluetooth LE称作蓝牙低功耗产生的背景。 从它的英文名字上就可以看出它是一种低功耗蓝牙技术是蓝牙技术联盟设计和销售的一种个人局域网技术旨在用于医疗保健、运动健身、信标、安防、家庭娱乐等领域的新兴应用。
低功耗蓝牙与经典蓝牙使用相同的2.4GHz无线电频率因此双模设备可以共享同一个天线。低功耗蓝牙使用的调制系统更简单。
LE技术相比BR技术差异非常大或者说就是两种不同的技术凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已。
目前BLE主要广泛应用于IoT产品领域。 4、常见蓝牙架构 市面上大致有几种蓝牙架构 4.1、SOC蓝牙单芯片方案
一般是半导体厂商半开源协议栈把开发的蓝牙协议栈直接烧写到蓝牙芯片中比如CSR BC4/5,CSR8670,CSR8675,TI CC2540NRF51xxxNRF52xxx乐鑫ESP32等等架构如下 此类芯片一般可以直接做为MCU用这类产品一般用于消费类电子集成度很高调调部参数可以直接使用常见的有蓝牙耳机。
4.2、SOC蓝牙MCU方案
在集成好的蓝牙芯片基础上通过特定的接口UART居多发送自定义的command来达到想要的功能。比如发送0x01代表搜索周围设备...... 此部分的应用将蓝牙作为一个外设使用用于远程通信.
4.3、蓝牙host controller分开方案
这种应用算是蓝牙最复杂的应用客户需要使用蓝牙的场景有很多牵涉到的蓝牙协议也有很多需要将Host与Controller分开集成更多的蓝牙协议比如蓝牙电话HFP蓝牙音频A2DP蓝牙音乐控制AVRCP蓝牙电话本PBAP蓝牙短信MAP等。
其中Transport是一个协议H2就是在USB的基础上的协议H4,H5,BCSP是UART基础上的协议当然还有SDIO。
此部分应用将定制蓝牙的各种服务实现蓝牙多功能需求。 4.4、使用场景
大概列举了以下几种帮助理解 手机的蓝牙复杂应用注定要用第3种方案也就是蓝牙协议栈host在主芯片中蓝牙芯片为HCI架构的。 蓝牙音响蓝牙耳机此种应用一般用单芯片方案就能hold住比如CSR8670/8675/杰理蓝牙等好处在于开发便捷。 蓝牙手表要看功能复杂性如果仅仅有时间显示传感器交互那么可以选择单芯片方案也就是方案1如果有网络等比较复杂的功能就要使用MCU蓝牙芯片方案也就是方案3了 蓝牙手环蓝牙心率带等基本上是单芯片方案
5、参考文档
[1] 蓝牙官网https://www.bluetooth.com/
[2] https://blog.csdn.net/XiaoXiaoPengBo/article/details/107462426
[3] https://blog.csdn.net/XiaoXiaoPengBo/article/details/107466841
