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.
2. Overview of Bluetooth Protocol Stack
2.1. Protocol Standards and Specification of Bluetooth
Bluetooth uses a variety of protocols. Core protocols are defined by the trade organization Bluetooth
SIG (Special Interest Group). Additional protocols have been adopted from other standards bodies. In this
section, an overview of the core protocols and those adopted protocols that are widely used will be fully
discussed. Core protocols provide the standards and qualification for Bluetooth products.
Currently, the Bluetooth specification has several versions 1.0, 1.1, 2.0, 2.1, 3.0, 4.0 [2] . On April 21,
2010, the Bluetooth SIG completed the Bluetooth Core Specification version 4.0, which includes Classic
Bluetooth, Bluetooth high speed and Bluetooth low energy protocols. Bluetooth high speed is based on
Wi-Fi, and Classic Bluetooth consists of legacy Bluetooth protocols [3] .
Bluetooth is a standard wire-replacement communications protocol primarily designed for low power
consumption, with a short range (power-class-dependent: 100 m, 10 m and 1 m, but ranges vary in
practice; see table below) based on low-cost transceiver microchips in each device. Because the devices
use a radio (broadcast) communications system, they do not have to be in line of sight of each other.
TABLE I. PARAMETERS OF EACH CLASS
In most cases the effective range of class 2 devices is extended if they connect to a class 1 transceiver,
compared to a pure class 2 network. This is accomplished by the higher sensitivity and transmission
power of Class 1 devices. While the Bluetooth Core Specification does mandate minimums for range, the
range of the technology is application specific and is not limited. Manufacturers may tune their
implementations to the range needed to support individual use cases.
The Bluetooth Specification includes two parts: Protocol Specification and Application Framework.
The Protocol Specification defines Bluetooth protocols on each layer and the Application Framework
indicates that how to use those protocols to manufacture applications.
The Protocol Stack can be divided into three parts from top to bottom: Transfer Protocol, Mediation
Agreement and Application Protocol. The Transfer Protocol, including LMP, L2CAP, HCI, are in charge
of confirming the mutual position of Bluetooth devices, establishing the physical link and logical link and
managing them. The Mediation Agreement provide support for high-level application protocol or
programs which work on the Bluetooth logical link, and provide application layer with all kinds of
interfaces (such as RFCOMM, SDP, IrDA, PPP, UDP, TSC and AT instruction set etc.).
2.2. Bluetooth Core Protocol
Bluetooth Core Protocol is divided into four parts as:
1) Baseband Protocol (BP)
Baseband layer, also known as baseband packet, is a physical layer protocol in the Bluetooth protocol
stack. The Baseband in the Bluetooth manages physical channels and links apart from other services like
error correction, data whitening, hop selection and Bluetooth security. The Baseband layer lies on top of
the Bluetooth radio layer in the Bluetooth stack. The baseband protocol is implemented as a
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蓝牙技术
卡尔·尼伯尔
介绍
蓝牙是驻留在微芯片上的永久性有限无线电连接。 它最初是由瑞典移动电话创建者爱立信（Ericsson）于1994年扩展的，它是一种让笔记本电脑通过手机拨打电话的方法。 到那时，许多组织已经签署协议，为各种设备创建低功耗，无思想的蓝牙平均值（LeVitus，216-220）。 业界观众预计，到2005年，蓝牙将在数十亿个设备中安装。
讨论
蓝牙是由爱立信的工程师在1990年代后期开发的，蓝牙是一种越来越特殊的技术，它可以促进各种电子设备之间进行深思熟虑的无线通信。其主要的重要方面是，它允许设备彼此无线“交谈”（定位和编排数据），从而终止了对电缆，软线和适配器向外连续缠结的要求，这对于当今的众多专业知识至关重要。
蓝牙特别兴趣小组（SIG）成立于1998年，负责管理蓝牙知识的扩展和序幕（LeVitus，216-220）。 IBM，英特尔，东芝和诺基亚与爱立信建立了联系，成为SIG的初始合伙人，此后已有8,000多家组织签约。为了交易带有蓝牙要求和徽标的产品，制造商应是SIG的合作伙伴，并且设备应符合概述的要求。这些程序可确保国际蓝牙无线设备可以相互交流，而不受派生公司或国家/地区的影响。
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其启用的用例。
范围可能会因实施中使用的无线电类别而异：
第3类无线电设备–射程可达1米或3英尺
Class2无线电–最常见于移动设备中，射程为10米或33英尺
1类无线电–主要用于工业用例，射程100米或300英尺
这就产生了蓝牙技术，该技术适合于传输较小的文件，例如手机合同和文本文档，以及较低质量的图片和音频（Kumkum，160-162）。 以这些迁移速度； 蓝牙可能最终不会实际处理流视频或高质量图片和音频，除非在将来启动新的蓝牙标准时这可能会改变。
利用简单和主管
创建和配置允许使用蓝牙的设备并不复杂，只需花费很少的额外精力即可将两个设备彼此靠近并拧紧。 无需安装驱动程序或其他软件即可构成临时的个人无线网络（Kumkum，160-162）。 它具有统一的组织，这意味着尽管有产品或原产国，但归功于蓝牙技术的某些两种无线产品仍具有彼此正确对话的能力。
常见的应用
蓝牙技术的主要普通应用之一是免提手机程序。 当今，每款时尚的手机都构造了蓝牙（Meier，15-20）。 只能将手机与蓝牙耳机配对，当他的手机在钱包或口袋中时，他可能会说话。 当今的几种汽车立体声音响也都装有蓝牙，可以在他的车辆中进行免提通话。 而且，如果他的车辆带有植物立体声或他不想恢复的大型售后市场，那么他可能仍喜欢使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日通过蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）采用的典型的新蓝牙无线技术。新标准支持更高的数据删除速度，并领先于先前的标准（Meier，15-20）。 凭借其卓越的速度，该技术有可能改变消费电子行业的形象。
技术协议
蓝牙设置蓝牙技术标准是为了使不同的应用程序可以彼此“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，每个应用程序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失败。并非任何应用程序都应使用所有协议，而应使用其中一个或一些列表。下图显示了协议之间的关系，但是在某些应用程序中，该关系可能会更改。
完整的协议栈包括蓝牙特殊协议（例如LMP和L2CAP），而不是特殊协议（例如OBEX和UDP）。设计协议和协议栈的基本原理是：尽可能使用现有的高级协议，确保协议和蓝牙技术的结合，并充分利用适合蓝牙技术标准的软件和硬件。开放的蓝牙技术使设备制造商可以自由选择喜欢或习惯的协议。
蓝牙协议系统中的协议，根据SIG，蓝牙协议系统分为四层：核心协议，电缆更换协议，电话控制协议，采用协议。
除了上面的协议层之外，该标准还定义了主机/控制器接口（HCI），该接口为基带控制器，连接管理器，硬件状态和控制寄存器提供了命令接口。
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程序的需求。毕竟，电缆替换协议，技术控制协议和基于核心协议的采用协议构成了面向对象的协议。
核心协议，LMP（链路管理协议）
其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，交换和检查连接来识别和加密，并通过会议确定基带数据包的大小。它还以微微网控制无线设备的电源模式和工作周期以及单元设备的连接状态。
L2CAP（逻辑链路控制和适配协议）
该协议用于使用不同的更高级别协议在两个设备之间多路复用逻辑连接，并提供广播数据包的分段和重组。在基本模式下，L2CAP为数据包提供的有效载荷最高可配置为64kB，其中672字节为默认MTU，而48字节为最小强制支持的MTU。在重传和流控制模式下，可以通过执行重传和CRC检查将L2CAP配置为每个通道可靠或同步数据。蓝牙核心规范附录1在核心规范中增加了两个附加的L2CAP模式。这些模式有效地弃用了原始的重传和流控制模式：
增强重传模式（ERTM）：此模式是原始重传模式的改进版本。此模式提供了可靠的L2CAP通道。
流模式（SM）：这是非常简单的模式，没有重传或流控制。此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（无线电将刷新数据包的时间），下层蓝牙BDR / EDR空中接口可选地和/或额外地保证了这些模式中任何一种的可靠性。下层保证按顺序排序。
只能通过AMP逻辑链路来操作在ERTM或SM中配置的L2CAP通道。
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，将手机连接到蓝牙耳机时，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）以及协议多路复用器设置需要连接到他们每个人。每个服务都由通用唯一标识符（UUID）标识，并为官方服务（蓝牙配置文件）分配了简短的UUID（16位而不是完整的128位）/视频
电缆更换协议（RFCOMM）
射频通信（RFCOMM）是用于创建虚拟串行数据流的电缆替换协议。 RFCOMM提供二进制数据传输，并在蓝牙基带层上仿真EIA-232（以前为RS-232）控制信号。与TCP类似，RFCOMM为用户提供了一个简单可靠的数据流。许多电话相关的配置文件直接将其用作AT命令的载体，并用作OBEX通过蓝牙的传输层。
电话控制协议（TCP）。
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。另外，“ TCS BIN定义了用于管理蓝牙TCS设备组的移动性管理过程。”TCS-BIN仅由无绳电话配置文件使用，但无法吸引实施者。因此，它仅具有历史意义。
采用的协议
采用的协议由其他制定标准的组织定义，并已整合到蓝牙的协议栈中，从而使蓝牙仅在必要时创建协议。所采用的协议包括：点对点协议（PPP）：用于通过点对点链接传输IP数据报的Internet标准协议。TCP/ IP / UDP：用于与连接到Internet的设备进行通信。对象交换协议（OBEX）：用于交换对象的会话层协议，为对象和操作表示提供模型。它使用客户端-服务器模式。无线应用程序环境/无线应用程序协议（WAE / WAP）：WAE指定了用于无线设备的应用程序框架，而WAP是一种开放标准，旨在为移动用户提供电话和信息服务的访问权限。
技术
光谱和干扰
蓝牙技术使用标称速率为1600跳/秒的扩频，跳频，全双工信号，在2.4至2.485 GHz的未经许可的工业，科学和医学（ISM）频段中运行。在大多数国家/地区都可以使用2.4 GHz ISM频段，并且未获得许可。
SIM频段对所有无线电系统都是开放的，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以确保链路的稳定性。跳频技术可将频带划分为多个跳频通道，在连接中，无线电收发器会根据某些代码序列不断从一个通道“跳”到另一个通道。仅发送者和接收者根据此法律进行通信，其余干扰可能不会遵循相同的规则。跳频的瞬时带宽非常窄，但是通过扩频技术，它可以使窄带宽扩展到宽带的一百倍，使得干扰的影响可能变得很小。与工作在相同频段的其他系统相比，蓝牙的跳频工作更快，蓝牙的数据包更短，从而使其比其他系统更稳定。
错误修正
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型：1/3前向纠错（FEC），2/3前向纠错和自动重复请求（ARQ）。纠错的目的是减少重传的可能性，同时增加额外的费用，但是在合理的无差错环境中，多余的投标会减少输出。因此，数据包定义本身也保持灵活的方式。因此，可以定义软件是否采用FEC。通常，当信道噪声较大时，蓝牙系统将使用FEC，以确保通信质量：对于SCO链路，使用1/3 FEC；对于SCO链路，则使用1/3 FEC。 2/3 FEC用于ACL链接。在未编号的ARQ中，在一个时隙中发送的数据必须在下一个时隙中收到接收确认。仅在头错误检测和接收方的CRC之后检查数据是否无误时，才将确认发送给发送方，否则将发回错误消息。
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其启用的用例。
范围可能会因实施中使用的无线电类别而异：
第3类无线电设备–射程可达1米或3英尺。
Class2无线电–最常见于移动设备中，射程为10米或33英尺。
1类无线电–主要用于工业用例，射程100米或300英尺。
功率
为了使蓝牙设备即使在非常低的功耗状态下也可以处于连接状态，蓝牙规定了三种节能状态：驻留状态，保持状态和监听状态。这些州的节能效率逐级下降。
最常用的无线电是2类，用户功率为2.5mW。蓝牙技术被设计为具有非常低的功耗。规范中通过在不活动时使无线电掉电来加强此功能。
3.0版HS中的通用备用MAC / PHY仅在需要进行数据传输时才为无线电中的高速设备和天线发现远程AMP，从而带来功率优化优势并有助于无线电的安全性。
低功耗蓝牙技术，针对要求最大电池寿命而不是高数据传输速率的设备进行了优化，其功耗为传统蓝牙技术的1/2至1/100。
安全
蓝牙系统的移动性和开放性使安全问题变得极为重要。尽管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，蓝牙系统提供身份验证，加密和密钥管理等功能。每个用户都有一个个人识别码（PIN），将其转换为128位链接密钥，以进行单向或双向认证。身份验证完成后，链接将使用加密密钥进行加密。链路层安全性机制提供了大量的认证方案和灵活的加密方案（方法允许协商密码的长度）。当通信设备来自不同国家时，此机制非常重要，因为某些国家/地区会指定最大密码长度。蓝牙系统将选择所有系统中最小的最大允许密码长度
应用
蓝牙应用程序可分为四个主要方面：家庭，工作，途中和娱乐。
家庭
现代家庭住宅与众不同。随着现代技术的无缝改进，越来越多的人开始家庭办公，更加自由和高效地生活。而且，除了家庭办公以外，他们还将技术扩展到其他方面，例如家庭生活。
通过使用蓝牙技术的产品，人们可以摆脱家庭办公室周围的电缆。鼠标，键盘，打印机，笔记本电脑，计算机，耳机和扬声器可以在PC环境中无线使用，这不仅增加了办公室的美观程度，而且还用于室内装饰并提供了更多的创作自由。此外，借助移动设备和家用PC的同步并共享日历信息，用户可以随时随地访问最新信息。
蓝牙设备不仅可以简化家庭办公，还可以使家庭娱乐更加方便：您不必将客人放在一边，而不必任由他们选择音乐。用户可以在PC或Apple iPod音频文件上存储30英尺的无线控制。适配器中还可以使用蓝牙技术，允许人们通过从相机，手机和笔记本电脑向电视蓝牙耳机发送照片来与朋友共享。华硕BT GO是蓝牙技术的完美典范，它具有文件共享备份，计算机性能实时调整蓝牙（BT Turbo Remote），蓝牙移动计算机共享Internet访问（BT到Net），听音乐的功能。 ，远程控制，同步调度个人管理。
工作
以前，办公室通常是在纠缠不清的各种电线混乱。电力设备，计算机和键盘，打印机，鼠标，PDA的电缆之间的连接电缆，所有这些混乱的工作环境，在某些情况下，这办公室的风险将增加，如员工可能会被周围的电线或电缆跳闸，但与蓝牙无线技术，办公室不再存在凌乱的电线，整个办公室像一台机器一样，有序，高效运行。PDA可与计算机共享日历和联系人列表同步，计算机外围设备可以直接沟通，通过蓝牙耳机的员工走路时在办公室回答所有的电话，没有电线。
不仅限于使用蓝牙技术，解决了办公环境的杂乱。Bluetooth设备
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