基于HCI层的蓝牙开发

中心议题
    * 分析了蓝牙体系结构
    * 给出了基于HCI层的蓝牙设计
解决方案
    * 以51单片机为蓝牙主机

0前言

蓝牙技术作为一种工作在全球通用的2.4GHz ISM(工业、科学、医学)频段上的短距离、小范围的无线通信技术，正应用于工业、农业、医疗和教育等各个领域，受到广泛关注，越来越多的科技工作者正在从事着蓝牙技术的研究与应用开发。

蓝牙开发可基于蓝牙协议的芯片级开发，也可基于蓝牙芯片的应用级开发。作为蓝牙技术的应用者，主要任务是根据各应用领域的不同，应用已有的各类蓝牙芯片进行具体的应用开发，即基于蓝牙芯片的应用级开发。

1蓝牙体系结构

蓝牙体系结构采用分层结构，分为软件协议层和硬件协议层，如图1所示。

硬件协议层主要是蓝牙底层协议，是蓝牙体系结构的硬件部分，所有蓝牙设备都必须包括有底层硬件层。底层协议都是由蓝牙芯片硬件来实现的，由蓝牙芯片供应商提供，无需软件处理。

软件协议层包括中间协议层和高端应用层。中间协议层是蓝牙体系特有层，而高端应用层由各种选用协议层组成，是蓝牙体系的可选层。不论是中间协议层还是高端应用层，它们都是蓝牙体系结构中的软件部分，在二次开发中，都需由开发者用软件来实现。

在硬件层与软件层之间，蓝牙规范定义了一个主机控制器接口(HCI)层，它提供了一个调用下层BB、LM、状态和控制寄存器等硬件资源的统一命令接口，是蓝牙体系中软硬件之间的接口。主机可通过HCI层与蓝牙主控制器连接，用指令-应答的形式实现对蓝牙芯片的控制。

HCI层以上的协议软件实体运行在主机上，而HCI以下的功能由蓝牙芯片来完成，二者之间通过HCI层进行交互。

进行蓝牙二次开发时，开发者必须明白哪些协议是硬件完成的，哪些协议是软件完成的，哪些工作是要开发者完成的，哪些工作是由蓝牙芯片自动完成的。二次开发人员只需知道蓝牙芯片各引脚功能，知道如何使用蓝牙芯片即可，至于内部的蓝牙协议只需了解一点，集

中精力完成蓝牙软件的编写。

2蓝牙的开发模式

当前，各公司推出的蓝牙芯片大致可分成两类，第一类是不带主控制器的，只把基带(BB)和射频(RF)功能分别做在不同的芯片上或同一芯片中，仅实现了链路控制功能，不具备HCI接口功能。另一类是带主控制器的，把主控制器、BB控制器、RF控制器、连接管理器、控制和事件寄存器等集成在一块芯片上，同时把底层软件协议LMP也以固件的形式固化在芯片中，不仅具有链路控制功能，还实现了HCI功能。HCI可使这类蓝牙芯片透明化为普通的可编程外围器件，几乎各种应用都可以直接内嵌这类蓝牙芯片。

根据所选蓝牙芯片的不同，蓝牙的二次开发既可基于多芯片开发，也可基于单芯片开发。基于多芯片开发，就是采用第一类蓝牙芯片，一块是射频芯片，另一块是基带控制芯片，再加上Flash、天线和电源芯片等构成一个蓝牙模块，利用它们就可以进行各种蓝压产品的开发。

这种开发模式由于涉及到RF、BB层和LMP软件协议，开发过程复杂，周期长，但不需要HCI层。早期的蓝牙开发主要采用这种模式。

基于单芯片的开发，也就是基于HCI层的开发，它采用第二类蓝牙芯片，芯片供应商提供完整的蓝牙芯片组集成和USB、I2C或UART接口等各种物理接口。由于主机与蓝牙芯片HCI层在硬件上完全分离，所以蓝牙芯片只需通过USB、I2C或UART接口与主机直接相连，并通过HCI指令和HCI事件与蓝牙芯片通信，主机的处理器不必关心蓝牙系统繁琐复杂的协议处理问题，只需基于HCI层进行应用开发。基于HCI层的开发，可以简化整机的设计过程，降低软件协议实现的难度，能有效地缩短开发周期，因此，常用于蓝牙的嵌入式应用开发中。

在基于HCI层的蓝牙二次开发中，蓝牙主机与蓝牙主控制器是两个不同的概念。蓝牙主控制器是指集成在蓝牙芯片中的微处理器，主要完成HCI指令和HCI事件间的交互及LMP功能。蓝牙主机是指蓝牙芯片外面的、通过HCI层与蓝牙芯片相连的计算机，可以是PC机、单片机或DSP等，主要完成主机与蓝牙芯片间的通信及对蓝牙设备的控制。目前，蓝牙的应用开发基本上都是基于HCI层的二次开发。

3基于HCI层的蓝牙设计

3.1硬件设计

基于HCI层的蓝牙开发，硬件比较简单，主要是软件的开发。这是单芯片开发模式与多芯片开发模式的最大区别。图2的是以51单片机为蓝牙主机的基于HCI层开发的硬件结构示意图。蓝牙芯片通过异步串口通信接口UART与单片机相连。

在整个系统中，单片机作为主机通过HCI层与蓝牙芯片通信，完成蓝牙链路的建立和管理、用户安全管理、数据的封装和拆分以及数据的发送与接收等功能，与其它蓝牙设备建立无线链接，实现蓝牙设备间的无线通信。

3.2软体设计

蓝牙设备间既可实现点对点的通信，也可实现点对多点的通信，既支持异步数据信道(ACL)的数据传输，也支持同步语音信道(SCO)的语音传输。图3给出的是蓝牙设备间点对点链接的ACL数据传输一般流程，主要包括蓝牙模块的初始化、查询、链接、数据通信和链接断开等几个过程。蓝牙设备既可设置成主设备，也可设置成从设备。

所谓的主设备就是先发起链接请求的设备，从设备就是被动接收链接请求的设备。建立链接前，主设备先查询从设备，看看有效范围内有没有其他牙设备。当查询到附近有从设备时，主设备就主动发起链接请求，要求与从设备建立链接，而从设备一直等待链接请求。当两个蓝牙设备间链接成功后，按照蓝牙规范规定的ACL数据包格式，主从设备就可相互间透明地收发数据了。任意蓝牙设备一旦搜寻到附近有另一个蓝牙设备，马上就可建立链接，无需用户进行任何设置。

4 HCI指令的函数封装

基于HCI层的蓝牙二次开发与其它技术的应用开发不同，因为不仅主机与蓝牙芯片间的通信是通过HCI指令-事件机制来实现的，而且蓝牙设备间的通信也是通过HCI指令-事件机制来实现的，并且HCI指令和HCI事件都是十六进制数，而不是通常所见的汇编指令。发送HCI指令或接收HCI事件实际上就是发送或接收固定格式的一串十六进制数。因此实现时，可以先将蓝牙指令以函数的形式封装成一个HCI指令接口函数库。编写HCI驱动程序时，可直接从函数库中调用HCI指令函数，对蓝牙设备进行基本操作，如蓝牙芯片的复位、读取蓝牙地址、初始化、查询、建立链接、收发数据和断开链接等。

若蓝牙主机选51单片机，则先初始化单片机串行通信接口，设置串口通信的波特率和串口工作方式。串口工作于查询方式。

HCI指令接口函数的编写是建立在单片机串口通信的基础之上，在初始化单片机串行口之后，就可根据HCI层协议规范，编写HCI指令接口函数。单片机通过串行口向蓝牙芯片发送HCI指令，接收蓝牙芯片返回的HCI事件，完成HCI指令功能。编写时，可以用汇编语言，也可用单片机C语言。下面以蓝牙复位指令为例，用C进行指令封装。

如果函数返回1，说明蓝牙复位指令执行成功，返回0，则失败。

5结束语

本文对基于HCI层的蓝牙二次开发过程和方法进行了归纳和总结。虽然蓝牙技术的应用开发有多种方案，可从不同协议层开始，但相对而言，还是基于HCI层的开发模式来得方便，比较容易掌握。随着所采用的蓝牙主机不同，HCI指令的封装形式不同。针对蓝牙的嵌入式应用，比较而言，本文提出的在单片机系统中封装HCI指令函数的思路，实现起来比较方便，具有一定的通用性，值得推广。