蓝牙4.0 BLE

一 概述

1. 无线网络数据传输协议对比

1. 传统蓝牙，ZigBee，IEEE 802.11b工作在2.4GHz频段。
2. ZigBee协议是一种短距离无线传感器网络与控制协议，传输速率低，主要用于传输控制信息，数据量相对小，适用于电池供电的系统。实现成本较低。
3. 以下2个图是对无线传输协议的对比。

2. 短距离无线网络分类

1. 无线局域网WLANs——这是有限局域网的扩展。
2. 无线个域网WPLANs——在POS(Personal Operating Space，以无线设备为中心半径)范围内提供一种高效、节能的无线通信方法。根据传输速率不同，分为三种：
   • HR-WPLANs —— HighRate WPLANs —— 802.15.3(通信协议)
   • MR-WPLANs —— MediumRate WPLANs —— BlueTooth
   • MR-WPLANs —— LowRate WPLANs —— 802.14.4
3. 蓝牙4.0：将传统蓝牙、高速蓝牙和低功耗蓝牙三种规范合而为一。可以组合使用也可单独使用，核心是低功耗技术(Low Energy)。

2.1 蓝牙4.0BLE特点

1. 高可靠性:传输过程中的内在不确定性，在射频、基带协议、链路管理协议中采用了可靠性措施，包括：差错检测和见证、进行数据编解码、差错控制、数据加噪等。使用自适应跳频技术，最少与奇他2.4GHz ISM频段无线电波的串扰。
2. 低成本，低功耗
   • 两种部署方式：双模式和单模式。
   • 双模式中低功耗蓝牙集成在现有的经典蓝牙控制器中，或在现在经典蓝牙技术(2.1+EDR / 3.0+HS)芯片上增加低功耗堆栈，整体架构基本不变，成本增加。
   • 单模式面向高度集成、紧凑的设备，使用一个轻量级链接层(Link Layer)提供超低功耗的待机模式操作。
   • 低功耗设计：
     • 传统蓝牙待机耗电大的原因之一是采用了16——32个频道进行广播；低功耗蓝牙使用3个广播频道。传统蓝牙广播事射频的开启时间为22.5ms,低功耗蓝牙减少到了0.6~1.2ms。
     • 传统蓝牙 空闲状态；低功耗蓝牙 深度睡眠状态。深度睡眠状态下，主机(Host)长时间处于超低的负载循环(Duty Cycle)状态，只在需要运作时由控制器来启动。主机比控制器消耗的能源多。
3. 快速启动，瞬间连接——蓝牙2.1启动连接需要6s, 蓝牙4.0需要3ms，几乎是瞬间连接。
4. 传输距离提高：传统蓝牙传输距离 2~10ms，蓝牙4.0可达60~100m。
5. 高安全—— 使用AES-128 CCM加密算法进行数据包加密和认证。

2.2 蓝牙4.0BLE协议

1. 协议栈定义了GAP(Generic Access Profile)和GATT(Generic Attribute)两个配置文件。
2. 协议栈中的GAP层负责设访问模式和进程，包括设备发现、建立连接、终止连接、初始化安全特性和设备配置。
3. 协议栈中GATT层用于已连接的蓝牙设备之间的数据通信。

2.4 蓝牙4.0BLE通信信道

1. 不同电波对应不同频谱。
2. IEEE 802.15.4规定了27个信道：
   • 2.4GHz频段，有16个信道，信道通信速率为250kbps。(全球通用的ISM频段)
   • 915MHz频段，有10个信道，信道通信速率为40kbps。(北美)
   • 896MHz频段，有1个信道，信道通信速率为20kbps。(欧洲)

2.5 蓝牙4.0BLE拓扑结构图

1. 星型网络拓扑。
2. 广播组拓扑。

五 BLE协议栈

1. 数据在协议栈里是如何流动的。
2. 如何调用协议栈提供的发送函数。
3. 如何使用协议栈进行数据的接收。
4. 如何理解协议栈。
5. 协议栈分层结构，每层的功能是什么。
6. 如何利用协议栈提供的函数来实现基本的低功耗应用程序开发。
7. 系统硬件对协议提供了哪些支持。
8. 协议栈和协议是什么关系。

1. 协议栈

1. 协议是定义通信标准，通信双方需按照这一标准进行正常的数据收发。
2. 协议栈是协议的具体实现形式，通俗讲就是用代码实现的函数库。

1.1 协议栈的构成

1. 包含2部分：主机和控制器。
2. 分层思想：
   • 控制器包括：物理层，链路层，主机控制接口层。
   • 主机包括：逻辑链路控制及自适应协议层，安全管理层，属性协议层，通用访问配置文件层，通用属性配置文件层。
   • 上层调用下层提供的函数来实现需要的功能。
3. 各层介绍
   • 物理层：1Mbps自适应跳频的GFSK射频，工作于免许可证的2.4GHz ISM(工业、科学和医疗)频段。
   • 链路层：控制设备的射频状态，设备将会处于五种状态之一：等待、广告、扫描、初始化、连接。发起连接的设备称为主机，接受连接请求的设备称为从机。
   • 主机控制接口层：为主机和控制器之间提供标准通信接口。这一层是软件API或硬件接口如UART、SPI、USB。
   • 逻辑链路控制及自适应层：为生层提供数据封装服务，允许逻辑上点对点数据通信。
   • 安全管理层：定义了配对和秘钥分配防晒衣，并为协议栈其他层与另一设备之间的安全连接和数据交换提供服务。
   • 属性协议层(Attribute protocol)：允许主机向从机展示一块特定的数据，成为“属性”。主机和从机可能是ATT Server或Client。
   • 通用属性配置文件层(Generic Attribute profile)：定义了ATT服务框架。GATT规定了配置文件(profile)的结构。

1.2 协议栈开发平台配置

2. OSAL(Operating System Abstraction Layer)

1. 蓝牙4.0BLE协议栈内加入了OSAL，为了管理协议规定的函数集。BLE协议栈、profiles以及所有应用程序都是建立在OSAL上。

2.1 基础

1. 资源Resource
2. 共享资源 Shared Resource
3. 任务 Task —— 即线程
4. 多任务运行 Multi-task Running：CPU调度
5. 内核 Kernel：为线程分配CPU时间，任务调度，任务间通信、切换等。
6. 互斥 Mutual Exclusion——多任务通信的最常用办法共享数据结构。
   • 保护共享资源常用的办法：关中断，使用测试并置位指令(T&S指令)，禁止任务切换，使用信号量。
   • 蓝牙4.0BLE协议栈内嵌OS常用的是关中断。
7. 消息队列 Message Queue——任务间传递消息，即同步的信息。
   • 任务注册、初始化和启动；
   • 任务间的同步、互斥；
   • 中断处理；
   • 存储器分配和管理；
   • 提供定时器功能。

2.2 运行原理

1. OSAL产生：需要一个机制实现任务切换、同步与互斥。支持多任务运行的系统资源分配机制。
2. 事件与任务的事件处理函数

二 IAR集成

三 CC2540开发板硬件资源

四 基础实验

六 BLE无线网络技术

七 PC端调试开发工具

1. https://www.jianshu.com/p/6637369d02e7)