【Bluetooth开发】蓝牙开发入门

BLE

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 Energy（LE）

• 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 EDR（Enhanced 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 AMP（Generic 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， BLE（Bluetooth 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：BR：Basic Rate和LE：Low 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)

BR：Basic Rate是正宗的蓝牙技术，可以包括可选（optional）的EDR（Enhanced Data Rate）技术，以及交替使用的（Alternate）的MAC（Media Access Control）层和PHY层扩展（简称AMP（Alternate 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 Energy（LE）

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 CC2540，NRF51xxx，NRF52xxx，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