藍牙技術是一種無線數據與數字通信的開放性規范。它以低成本、近距離無線連接為基礎，為固定與移動設備建立了一種完整的通信方式和技術。藍牙技術的實質是建立通用無線接口及其控制軟件的標準，使移動通信與計算機網絡之間能實現無縫連接，由此，為不同廠家生產的便攜式設備提供了近距離（10m~100m）范圍內的互操作通道。

　　在工業控制系統和許多應用領域，隨著電子技術的發展，目前控制器和傳感器已經實現了智能化。在一般的傳感器或測試儀表中，大量使用CPU 控制下的數字化技術，因此，許多控制系統或傳感器系統已經實現了數字化傳輸。如果在數字化的控制系統和傳感器中嵌入藍牙技術，則可以實現系統數據和控制命令的無線傳輸，這對于許多應用領域都是十分重要的。

　　本文通過對藍牙協議棧結構的討論，提出一個嵌入式SoC 器件結構。這個嵌入式SoC 器件是一種具有藍牙通信功能的SoC 器件;SoC 中的CPU 對用戶開放，用戶可以使用這種結構的SoC 器件實現智能傳感器或控制器單元。

　　1 藍牙協議棧

　　藍牙技術規范1.0 版本作了如下規定。

　　藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（Industrial ，Scientific and Medical）免付費、免申請的無線電頻段。

　　采用快速確認和跳頻技術，以確保鏈路的穩定。

　　采用二進制調頻（FM）技術的跳頻收發器，抑制干擾和防止衰落。

　　采用前向糾錯（FEC）技術，抑制長距離鏈路的隨機噪聲。

　　數據傳輸速率為1Mb/s 。

　　采用時分雙工傳輸，其基帶協議是電路交換和分組交換的結合。

　　一個跳頻頻率發送一個同步分組，每個分組占用一個時隙，也可擴展到5 個時隙。

　　支持一個異步數據通道，或3 個并發的同步語音通道，或一個同時傳送異步數據和同步語音的通道。每一個語音通道支持64Kbps 的同步話音。異步通道支持最大速率為721Kbps 、反向應答速率為57.6Kbps 的非對稱連接，或者是432.6bps 的對稱連接。

　　目前，工作在2.4GHz 頻段上的無線局域網技術中，除了藍牙技術外，還有IEEE802.11、HomeRF 和紅外技術。總的來說，IEEE802.11 比較適合于辦公室無線網絡，HomeRF 適用于家庭中的移動數據、語音設備等與主機之間的通信，而藍牙技術則可以應用于任何允許無線方式替代線纜的場合。

　　在實際應用中，藍牙技術的應用一般采用嵌入式技術。在應用系統中嵌入藍牙協議棧，可為系統提供一個透明的無線網絡通信層。

　　藍牙技術協議棧的設計只有符合藍牙技術規范的要求，才能實現不同廠家產品的無縫對接。藍牙技術規范（specification）包括協議（protocol）和應用規范（profile）兩個部分。完整的藍牙協議棧如圖1 所示。

　　協議規范中定義了各功能元素的工作方式，提供了藍牙技術實現中功能元素間的橫向體系結構。應用規范則介紹了實現特定應用模型，描述了各層協議間的協同機制，從而提供了技術實現的縱向體系結構。藍牙協議包括核心協議層、替代電纜協議層、電話控制協議層和選用協議層。

　　核心協議。核心協議包括基帶協議、鏈路管理協議（LMP）、邏輯鏈路控制和適配協議（L2CAP）、服務發現協議（SDP）。

　　替代電纜協議。替代電纜協議包括串行電路仿真協議（ RFCOMM ） ，用于實現數據的轉換。

　　電話替代協議。本協議包括二元電話控制規范（TCS Binary）與AT- 命令（AT-command）。用于提供音頻通信的處理規范和相應的控制命令。

　　選用協議。選用協議與用戶的應用有關，包括點到點協議（PPP）、用戶數據報/ 傳輸控制協議/ 互聯網協議（UDP 和TCP/IP）、目標交換協議（OBEX）、無線應用協議（WAP）、無線應用環境（WAE）、vCard 、vCal 、紅外移動通信（IrMC）。選用協議層的具體內容由應用系統根據需要選擇。

　　除了以上協議層外，藍牙協議棧中還應包括二個接口：一個是主機控制接口（HCI），用來為基帶控制器、鏈路控制器以及訪問硬件狀態和控制寄存器等提供了命令接口;另一個是與基帶處理部分直接相連的音頻接口，用以傳遞音頻數據。

　　在藍牙協議棧中，HCI 以上部分通常用軟件實現，包括邏輯鏈路控制和適配協議L2CAP 、串行仿真RFCOMM 、鏈路管理協議（LMP）、電話替代協議和選用協議;而HCI 以下部分則用硬件實現，包括基帶協議和鏈路管理協議（LMP） ，這部分也叫作藍牙協議體系結構中的底層硬件模塊。

　　2 藍牙核心協議棧硬件電路結構

　　底層模塊是藍牙技術的核心模塊，主要由射頻（RF）單元電路、基帶層（base band）電路和鏈路管理層（LMP，Link Manger Protocol）電路組成。

　　（1）射頻（RF）單元

　　RF 單元電路為藍牙技術提供了通信中的物理層，也叫作藍牙收發器。通過2.4GHz 的微波，實現數據流的過濾和傳輸。藍牙協議提供了有關藍牙收發器的各項技術指標。

　　（2）基帶層電路

　　基帶層提供了基帶數字信號處理硬件，其功能是提供鏈路控制，因此也叫作基帶及鏈路控制層電路。通過基帶層電路，可以建立藍牙通信網絡中的物理鏈路，從而形成微微網（piconet）。基帶層中有兩種物理鏈路，一種是面向連接的同步鏈路（SCO） ，另一種是異步無連接鏈路（ACL） 。此外，基帶層還可為語音和數據分組提供不同水平的前向糾錯（FEC）或循環冗余度校驗（CRC）處理，并可對數據進行加密。同時，基帶層電路還為不同類型的數據（ 包括傳輸信息數據、鏈路管理和控制信息） 提供特定的信道。

　　（3）鏈路管理層（LMP）電路

　　鏈路管理層電路也叫作鏈路管理器電路，功能是提供鏈路管理通信協議。鏈路管理協議用來對鏈路進行設置和控制，并負責建立和撤銷各藍牙設備間的連接、功率控制以及認證和加密，同時還控制藍牙設備的工作狀態（保持hold 、休眠park 、呼吸sniff 和活動active ）。鏈路管理層的主要功能由軟件完成，鏈路管理器電路提供運行于藍牙設備的處理器中的軟件。鏈路管理器之間的通信協議稱為鏈路管理協議（LMP） 。

　　藍牙技術整體框架以HCI（Host Controller Interface）為界，區分為硬件模塊以及上層軟件協議兩部分。藍牙技術標準中，選擇了USB、UART 或是RS232 作為硬件模塊與主機間的接口。當藍牙模塊以USB、UART或RS232 中的任何一個接口與主機連接時，HCI 接口上層的通信協議由主機負責處理，而HCI 接口下層的通信協議則由模塊內的基帶層芯片與RF 芯片負責。根據藍牙標準，藍牙系統的基本組成包括天線、收發器、基帶控制器。由此可知，在天線、RF 收法器和基帶控制器的支持下，藍牙系統的組成可以十分靈活，即可實現多種不同的實現方案。

　　嵌入式藍牙系統是將RF 和基帶部分集成在一塊芯片上，單芯片藍牙硬件模塊結構如圖2 所示。在嵌入式藍牙器件中，硬件結構可分為鏈路管理器、鏈路控制器與RF 模塊3 部分，負責處理LMP 層、基帶層與RF 層的協議。鏈路管理器內包含處理器（CPU）、內存等組件。鏈路管理器與基帶層芯片合稱為鏈路控制器。RF 模塊內含RF 射頻發射組件，與主機相連接的接口位于鏈路控制器上。

　　在嵌入式方案中，藍牙協議的上層軟件協議也全部固化在芯片中，芯片通過USB 或UART 接口與應用系統相連接。由于片內嵌入了CPU ，所以，嵌入式藍牙系統實際上是一個智能終端，適合于任何具有CPU 器件的系統。例如，智能傳感器中，只要增加一個單芯片藍牙器件，就可以組成一個以藍牙為通信方式的傳感器。

　　由圖2 可知，它由微處理器（CPU） 、無線收發器（RF）、基帶控制器（BB） 、閃存（ Flash 程序存儲器） 、通用異步收發器UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）、通用串行接口USB（Universal Serial Bus）及藍牙測試模塊組成。其中藍牙基帶控制器是藍牙硬件模塊的關鍵模塊。其主要功能是在微處理器控制下，實現藍牙基帶部分的所有實時處理功能，包括負責對接收的bit 流進行符號定時提取和恢復;分組頭及凈荷的循環冗余度校驗（CRC） ，分組頭及凈荷的前向糾錯碼FEC 處理，加密和解密處理等，且能提供從基帶控制器到其它芯片的接口等。CPU一般采用RISC 結構的嵌入式微處理器，如ARM7TDMI微處理器，才能滿足對藍牙核心協議的高速處理和大量數據bit 流的處理。Flash 存儲器用于存放基帶和鏈路管理層中的所有協議軟件。SRAM 作為CPU 的運行空間，在工作時把Flash 中的軟件調入SRAM 中處理。射頻收發器負責接收或發送高頻的通信信號。UART 和USB 接口提供到HCI 的主機控制器接口傳輸層的物理連接，是上層協議與藍牙硬件模塊進行通信的通道。藍牙測試模塊主要提供無線層和基帶層的認證和一致性規范，同時還管理產品的生產和售后的測試，為可選模塊。