[蓝牙] 二、蓝牙BLE协议及架构浅析&&基于广播超时待机说广播事件

时间 2019-11-06

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第一章 BLE基本概念了解

1、蓝牙4.0和BLE区别

　　蓝牙4.0是一种应用很是普遍、基于2.4G射频的低功耗无线通信技术。蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy ）,人们又常称之为BlueTooth Smart，是由SIG( the Bluetooth Special Interest Group) 在2010年6月起草，在原有标准的蓝牙4.0核心协议上添加的一种低功耗技术。

　　蓝牙低功耗不等同于蓝牙4.0，只是蓝牙4.0的一个分支。蓝牙4.0是蓝牙3.0+ HS(高速蓝牙)规范的补充，专门面向对成本和功耗都有较高要求的无线方案，可普遍用于卫生保健、体育健身、家庭娱乐、安全保障等诸多领域。伴随着智能穿戴、智能硬件的兴起，BLE的应用愈来愈普遍，已经深刻到咱们的平常生活种的方方面面。

2、BLE的特色

1）快速地创建链接。

2）小数据包。一个数据包最多只包含20个字节。

3）发送和接收持续时间短。

4）尽可能少的工做时间，尽可能快地进入休眠模式。

5）超低的峰值电流和待机电流。

6）超长的待机时间。

以上特色使得BLE很是适合用在短距离、低延迟、小数据量的应用场合。

也正是因为这个缘由，使得由一颗CR1632的纽扣电池的BLE设备能够续航半年至一年以上。

3、单模和双模

　　蓝牙4.0包含两个内容：传统蓝牙(CLASSIC)和低功耗(LE)。

　　咱们经常使用的蓝牙芯片例如CC2540、NRF5182二、QN9020、CSR1000等都只支持蓝牙低功耗(BLE)，因此咱们称之为单模芯片；而支持传统蓝牙和蓝牙低功耗的IC通常是手机、平板和PC机上的芯片组。咱们称之为双模芯片。固然，单颗支持传统蓝牙和蓝牙低功耗的芯片好像有些厂家也有，只是不太常见。

　　传统蓝牙能够用来链接蓝牙耳机，也能够链接支持SPP协议的蓝牙模块；蓝牙低功耗能够用来链接外部的智能外设。蓝牙低功耗技术制定的初衷是为了最大程度上延长蓝牙设备的续航时间，这就是为何通常常见的穿戴式设备不支持语音传输，只在一些间歇式、数据量小的场合应用的缘由。

注：有的同窗可能会问，假如我必定要用BLE传音频呢?不考虑功耗和续航时间的话固然能够，可是不推荐这样作。

注：来自..\nrf51822\nRF51822EK_TM配套资料\实战教程\(1)初识蓝牙低功耗1

第二章探讨BLE软件体系结构

4、应用层和协议栈

nRF51822 SOC BLE的软件分为上下2部分：

1) 应用部分（APPLICATION）

　　这部分NORDIC公司是以SDK的形式提供的。SDK里面包含心率、防丢、电池电量等常见的BLE profiles。开发者能够把SDK做为蓝本，在此基础上进行修改、移植、开发本身的应用程序。

2) 蓝牙协议栈部分(SOFTDEVICE)

　　蓝牙协议栈是nRF51822实现蓝牙功能的关键。这部分NORDIC公司只提供HEX文件，不提供源代码。nRF51822的蓝牙协议栈有如下几种：

a)S110。这个是咱们常常用到的从协议栈。安装好SDK之后，在安装目录下的S110文件里面全部的项目工程工程源代码都是与之对应的。S110有不少个版本，并且还在不断升级，须要注意的是，必须保证S110跟SDK的版本是匹配的。

b)S120。这个是从协议栈。安装好SDK之后，能够在安装目录下的S120文件夹里面找到对应的源代码。开发者也须要注意版本匹配问题。

c)S130。这个是主从一体的协议栈。官方提供了一个DEMO程序。

注：应用部分和协议栈部分是相互独立的，它们之间经过API接口函数进行通信。

5、BLE协议栈

5.一、数据链路层的功能：

　　数据链路层负责广播、扫描、链接的创建和维护。

5.二、数据链路层定义了4个角色：

1) scaner和advertiser

2) master和advertiser

　　在创建链接以前，scanner(手机、平板、PC)负责扫描、发起扫描请求和发起链接请求；而 advertiser(智能外设)任务是发起广播、相应扫描请求信号、响应链接请求进而跟scanner端创建连接。数据链路层同时也负责将各类数据包按正确的数据格式组织起来，正确地发送到对方。创建连接之后scanner被称为master,advertiser被称为slave.

5.三、数据链路层的2种信道：

1)广播信道：提供给尚未创建链接的蓝牙设备提供发射广播、扫描、创建链接的信道。BLE有3个广播信道:3七、3八、39,在每个广播事件发生时，advertiser分别在这3个信道上各发送一次广播信号。传统蓝牙的广播信道有16-32个，而BLE只有3个，这就是为何BLE的广播时间比较短的缘由。

2)数据信道：提供给已经创建蓝牙链接的master和slave端提供可靠的数据通讯信道。BLE规定，数据信道有37个。为增强通信的可靠性，避开干扰，BLE设备经过自适应跳频的方式在这37个信道上传输数据。

※ nRF51822采用的是Random Static address，在启动的时候协议栈从FICR里面读取做为设备的蓝牙地址.若是用户须要使用Public address,则须要使用sd_ble_gap_address_set()这个函数从新设定蓝牙地址。

5.四、帧格式：

1) Preamble：前导码，广播接收端能够用来进行同步和自动增益控制(AGC)。在广播帧中Preamble固定为“01010101“。

2) Access Address：在广播帧中Access Address固定为0x8E89BED6。

3) PDU Header: 用来表示不一样类型的帧。

A) 以ADV_开头的帧表示该帧是广播帧，是由advertiser(蓝牙外设)发出的，它们有4种类型，分别用在不一样的蓝牙设备上面。

B) ADV_SCAN_IND为扫描帧，是由scanner（手机、平板、PC）发出的。

C) ADV_SCAN_REQ为扫描请求帧，是由scanner（手机、平板、PC）发出的。只在scanner想从advertiser获取更多的广播数据的时候才由scanner发出。相应的，当ADV_SCAN_REQ被发出之后，advertiser

会以SCAN_RSP做为回应。

D) SCAN_RSP为ADV_SCAN_ REQ的回应。

E) CONNECT_REQ为scanner向advertiser发起的创建链接的请求。

F) Res为保留字段，不用理会。

G) TxAdd、RxAdd 用来表示发送该广播帧的蓝牙设备的蓝牙地址类型。1表示random address 0表示public address。蓝牙地址的种类咱们在前一节已叙述。

H) Length 表示后面PDU Payload的大小。

4) PDU Payload 为广播的实际载荷。

5) CRC 为整个广播帧的24-bit CRC值。

第三章 TI的相关资料摘要

FROM：..\nrf51822\nRF51822EK_TM配套资料\店主搜集BLE学习资料

TI 2013研讨会蓝牙4.0讲解部分PPT 20130508.pdf

6、兼容性示意图

7、低功耗蓝牙协议栈(Bluetooth Low Energy Protocol Stack)

8、BLE物理层(PHY)

• 3 个固定的广播通道

• 37 个自适应自动跳频数据通道

比较好~后面有characteristic的详细介绍

注：BLE_CC2540_DeepDive_Training_2011这篇文章是上篇的英文版，比较全

第四章 nRF51822-BLE工程理解

Attention：other's talk about the project code, good

http://blog.csdn.net/lr2131/article/details/42106169?t=1434597809616

9、广播

9.一、由一个广播超时系统休眠看广播事件

注：自动休眠的时间是在广播中的 m_adv_params.timeout = APP_ADV_TIMEOUT_IN_SECONDS;设置的！

注：下面代码来自X-CASE初版部分测试代码

 1 /**@brief Function for initializing the Advertising functionality.
 2  *
 3  * @details Encodes the required advertising data and passes it to the stack.
 4  *          Also builds a structure to be passed to the stack when starting advertising.
 5  */
 6 static void advertising_init(void)
 7 {
 8     uint32_t      err_code;
 9     ble_advdata_t advdata;
10     uint8_t       flags = BLE_GAP_ADV_FLAGS_LE_ONLY_GENERAL_DISC_MODE;
11 
12 ble_uuid_t adv_uuids[] = 13 { 14 {BLE_UUID_HEART_RATE_SERVICE, BLE_UUID_TYPE_BLE}, 15 {BLE_UUID_BATTERY_SERVICE, BLE_UUID_TYPE_BLE}, 16 {BLE_UUID_DEVICE_INFORMATION_SERVICE, BLE_UUID_TYPE_BLE} 17 };//广播工程蓝牙3个服务的uuid 18 
19     // Build and set advertising data
20     memset(&advdata, 0, sizeof(advdata));
21 
22     advdata.name_type               = BLE_ADVDATA_FULL_NAME;
23     advdata.include_appearance      = true;
24     advdata.flags.size              = sizeof(flags);
25     advdata.flags.p_data            = &flags;
26     advdata.uuids_complete.uuid_cnt = sizeof(adv_uuids) / sizeof(adv_uuids[0]);
27     advdata.uuids_complete.p_uuids  = adv_uuids;
28 
29     err_code = ble_advdata_set(&advdata, NULL);
30     APP_ERROR_CHECK(err_code);
31 
32     // Initialize advertising parameters (used when starting advertising)
33     memset(&m_adv_params, 0, sizeof(m_adv_params));
34 
35     m_adv_params.type        = BLE_GAP_ADV_TYPE_ADV_IND;
36     m_adv_params.p_peer_addr = NULL;                           // Undirected advertisement
37     m_adv_params.fp          = BLE_GAP_ADV_FP_ANY;
38     m_adv_params.interval    = APP_ADV_INTERVAL;
39 m_adv_params.timeout = APP_ADV_TIMEOUT_IN_SECONDS; 40 }

注：广播事件中断在下面code中

注：加剧显示部分则是上面39行广播时间timeout事件到了，在其中作系统休眠处理~

 1 /*****************************************************************************
 2 * Static Event Handling Functions
 3 *****************************************************************************/
 4 
 5 /**@brief Function for handling the Application's BLE Stack events.
 6  *
 7  * @param[in]   p_ble_evt   Bluetooth stack event.
 8  */
 9 static void on_ble_evt(ble_evt_t *p_ble_evt)
10 {
11     uint32_t        err_code;
12     static uint16_t m_conn_handle = BLE_CONN_HANDLE_INVALID;
13 
14     switch (p_ble_evt->header.evt_id)
15     {
16     case BLE_GAP_EVT_CONNECTED:
17         led_stop();
18 
19         m_conn_handle = p_ble_evt->evt.gap_evt.conn_handle;
20 
21         // Initialize the current heart rate to the average of max and min values. So that
22         // everytime a new connection is made, the heart rate starts from the same value.
23         // m_cur_heart_rate = 0;//(MAX_HEART_RATE + MIN_HEART_RATE) / 2;
24         // Start timers used to generate battery and HR measurements.
25         application_timers_start();
26 
27         // Start handling button presses
28         err_code = app_button_enable();
29         APP_ERROR_CHECK(err_code);
30         break;
31 
32     case BLE_GAP_EVT_DISCONNECTED:
33         // Since we are not in a connection and have not started advertising, store bonds
34         err_code = ble_bondmngr_bonded_centrals_store();
35         APP_ERROR_CHECK(err_code);
36 
37         // @note Flash access may not be complete on return of this API. System attributes are now
38         // stored to flash when they are updated to ensure flash access on disconnect does not
39         // result in system powering off before data was successfully written.
40 
41         // Go to system-off mode, should not return from this function, wakeup will trigger
42         // a reset.
43         //system_off_mode_enter();
44         app_button_disable();
45         DispColor(BLACK);
46         //re-enter advertising model if disconnected
47 
48         advertising_init();
49         // Start advertising
50         advertising_start();
51         break;
52 
53     case BLE_GAP_EVT_SEC_PARAMS_REQUEST:
54         err_code = sd_ble_gap_sec_params_reply(m_conn_handle,
55                                                BLE_GAP_SEC_STATUS_SUCCESS,
56                                                &m_sec_params);
57         APP_ERROR_CHECK(err_code);
58         break;
59 
60 case BLE_GAP_EVT_TIMEOUT: 61 if (p_ble_evt->evt.gap_evt.params.timeout.src == BLE_GAP_TIMEOUT_SRC_ADVERTISEMENT) 62  { 63  led_stop(); 64 65  nrf_gpio_cfg_sense_input(SENSOR_BUTTON_PIN_RIGHT, 66  BUTTON_PULL, 67  NRF_GPIO_PIN_SENSE_LOW); 68 69  nrf_gpio_cfg_sense_input(SENSOR_BUTTON_PIN_LEFT, 70  BUTTON_PULL, 71  NRF_GPIO_PIN_SENSE_LOW); 72 #if defined(ENABLE_UP) 73  nrf_gpio_cfg_sense_input(SENSOR_BUTTON_PIN_UP, 74  BUTTON_PULL, 75  NRF_GPIO_PIN_SENSE_LOW); 76 77 78  nrf_gpio_cfg_sense_input(SENSOR_BUTTON_PIN_DOWN, 79  BUTTON_PULL, 80  NRF_GPIO_PIN_SENSE_LOW); 81 #endif 82 83  system_off_mode_enter(); 84  } 85 break; 86 
87     default:
88         // No implementation needed.
89         break;
90     }
91 }

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