Bluetooth Protokolü Stack'i ve Gömülü Mühendisler için Bileşenlerini Anlayın

Bluetooth Protokolü Stack'i ve Gömülü Mühendisler için Bileşenlerini Anlayın

Bluetooth teknolojisi gömülü sistemlerde kablosuz iletişimin temel taşı haline geldi, kablosuz kulaklıklardan ve akıllı ev sensörlerinin endüstriyel veri bağlantılarına olanak sağlar.Bu katmanların sağlam, güç verimli Bluetooth ürünleri geliştirmek, gömülü mühendisler, batarya ömrünü optimize etmek ve farklı üreticilerden gelen cihazlara nasıl veri akışını sağlamak için gerekli.Bu yığınlama mimarisine sahip değil.

Aşağıdaki bölümlerde, Bluetooth protokolü yığınını uygulama profilleri aracılığıyla kırıyoruz. Ayrıca, güç yönetimi, güvenlik ve Bluetooth 5.0, 5.1, 5.2 ve LE Audio dahil olmak üzere gömülü tasarımcılar için kilit hususları da vurguladık.

Bluetooth System Architecture: Host and Controller

Modern Bluetooth uygulamaları protokol yığını iki ana bloka ayrılır: [Üyetimler) ve )Host) tarafından resmileştirilmiştir. Bu bölünme, Host Controller Interface (HCI) tarafından yapılır ve bu bölümün içindeki iletişimi standartlaştırır.

Kontrolcü

Kontrolcü, yığınağın alt tabakalarını ele alır: Radyo, Baseband, Link Manager (in Classic Bluetooth), veya Link Katmanı (In Bluetooth Low Energy) tipik olarak, bir mikro kontrol cihazının radyo periferisini yapılandırması için özel bir çip veya entegre edilmesi gerekir.

Hosta

Host gömülü sistem ana CPU'da çalışır ve daha yüksek katmanlı protokolleri içerir: L2CAP, SDP, GATT ( LE), RFCOMM ( Classic için), ve uygulama profilleri için ev sahibi iletişim kurun. Ev sahibi, her ikisi de Bluetooth spesifikasyonuna bağlı olarak iletişim kurabilir.

1. Bölüm The Radio (Physical Katman)

Radyo tabakası Bluetooth'ın temelidir. Radyo dalgalarına nasıl modlanmış olduğunu, kullanılan frekans grupları ve aktarma güç seviyeleri.

Frekans Band ve Kanalları

Bluetooth 2.4 GHz ISM bandında (2400-2483.5 MHz) çalışır. Classic Bluetooth 79 kanallarını kullanıyor, Bluetooth Low Energy 40 kanallarını kullanıyor (37 veri kanalı + 3 reklam kanalı) uzaylı 2 MHz ayrı. Frekans umutlu yay spektrumu (FHSS) Wi-Fi, Zigbee ve diğer 2.4 GHz kaynaklarından müdahaleyi azaltmak için kullanılır. Classic Bluetooth, her bağlantıda 1600 umutları kullanıyorsa, LE umutlar her bağlantı olayı üzerinde.

Kanalların seçimi ve sıralamanın Baseband/Link Katman tarafından yönetildiğini umuyor. Gömülü mühendisler radyonun frekansının doğruluğunu (özellikle de ±20 ppm'de, LE için ±50 ppm) güvenilir bir bağlantı sağlamak için.

Modulation and Data Oranları

Classic Bluetooth Gaussian Frekans Değiştirici (GFSK) Temel Puan (BR) 1 Mb /s'te kullanır ve 1 Mb /s (LE 1M PHY) veya Seçmeli olarak 2 Mb / (LE 2M PHY) Bluetooth 5.0, LEJ / kodlanmış PHY'ye kadar, Kb / 500'lerin maliyetine kadar (FEC) veya 500 $ / Fb / veya 8GPSK'ye kadar uzanır.

PHY'yi seçerken, gömülü tasarımcı, güç tüketimi ve aralık yoluyla ticaret yapmalıdır. Örneğin, LE 2M PHY biraz daha fazla güç kullanabilir ve LE 1M PHY'den biraz daha kısa bir süre sonra PHY'ye ulaşabilir.

Güç Sınıfları ve Aralığı

Bluetooth vericiler için üç güç sınıflarını tanımlar:

Sınıf 1 uygulama, bir eşleme ağı ve genellikle dış güç yükseltici gerektirir.Scre destekli gömülü cihazlar için, Sınıf 2 veya Sınıf 3 enerji bütçeleriyle tanışmak için tipiktir. Çıktı gücü, müdahaleyi azaltmak ve güç kurtarmak için Link Manager aracılığıyla dinamik olarak ayarlanabilir.

2. Katman (Kırk) veya Link Katmanı (LE)

Baseband tabakası (Classic) ve Link Katmanı (LE) radyonun zamanlaması, paket formatı ve kontrolü ile ilgilidir. Bluetooth'ın düşük seviyeli protokolün kalbidir.

Piconets and Scatternets (Classic)

Classic Bluetooth'te, iletişim bir kalite içinde meydana gelir:0)piconet[Dönetici: biri usta ve yedi aktif köleyi destekler. master frekans umutlu dizi ve anket programı düzenler. Bir cihaz birden fazla resime katılabilir, bir saç teli oluşturmak, ancak bu nadiren karmaşıklık nedeniyle pratikte kullanılır.

Link Türleri ve Paket Formatları

Classic Bluetooth iki fiziksel bağlantı türünü destekler:

Bluetooth LE sadece bağlantı odaklı veri kanalları bir önbellek, erişim adresi, PDU ve CRC'den oluşan bir paket yapısı ile bağlantıya odaklanır. erişim adresi (32 bits) bağlantıyı tanımlar ve büyük ölçüde kon-lokasyon senaryolarında haç konuşma şansını azaltır.

Packet Timing

Classic Bluetooth'te, zaman 625 ⁇ s yuvalarına bölünmüştür; Üst üste gelen ve geç kalmış gereksinimleri karşılamak için köle yanıt verir.In Classic Bluetooth, time is partition into 625 ⁇ s slot. Master transferleri.

Katman 3: Link Manager (Classic) ve Link Katman Kontrolü (LE)

Baseband Link Manager (LM)'yi Classic Bluetooth'ta oturuyor, ki bu Link Manager Protokolü'nü (LMP) LE'de bağlantı kontrol işlevleri bağlantı katmanına entegre edilir, ancak aynı hedefler mevcut: bağlantı kurulumu, güvenlik ve güç yönetimi.

Link Kurulum ve Tuning

LM, paket türleri, güç kontrol ayarları ve multi-slot paket kullanımı gibi bağlantı parametrelerini pazarlık eder (örneğin, master/slave) ve sniff/subing ve aktif modlar arasındaki geçiş.For LE, çoğu bu parametreler LL CONNECTION UPDATE REQ prosedürü ile kuruluş sırasında belirlenir.

Güvenlik Prosedürleri

Bluetooth güvenliği önemli ölçüde gelişti. Link Manager, Link Yöneticisi çiftleşme, doğrulama ve şifreleme anahtar nesli.For Classic Bluetooth için güvenlik modeli PIN çiftliği veya Güvenli Basit Pairing (SSP) LE için, Güvenlik Yöneticisi Protokolü (SMP) Link Manager, Link-of-Band (in-ve) üzerinde çalışır, ancak Link-dişman motoru sağlar (AESCCM için).

Güç Kontrolü

LM/Link Katmanı, alınan sinyal gücüne dayanan gücü gönderir (RSSI) Bu kapalı-loop kontrolü güç tasarrufu sağlar ve müdahaleyi azaltır. Bazı çipler uygulamanın HCI komutları aracılığıyla güç kontrol politikasını etkilemesine izin verir, bu özel aralık optimizasyonu için faydalı olabilir.

Host Controller Interface (HCI)

HCI, ev sahibi ve denetçinin nasıl iletişim kurduğunu tanımlayan standart bir seri protokoldür. Genellikle UART'ı (H4 taşımacılıkını kullanarak), USB veya SDIO. HCI üç paket türü taşır: Komut, Etkinlik ve Data (ACL ve SCO).

HCI'nin gömülü mühendisler için gerekli olduğunu anlamak çünkü birçok tutuklu aracı (örneğin, TI'nin Packet Sniffer, Nordic'in nRF Sniffer) HCI trafiğinin, hangi paketin yapıldığını ortaya çıkarmak için kritik olduğunu anlamak için. Geliştirici düzgün bir şekilde HCI komutları, parse yanıt olayları ve veri akışını yönetmek gerekir.

Yüksek Layer Protokolleri (Host)

Host tabakası, uygulamalar için yapısal iletişim kanalları sağlayan protokolleri içerir.

Mantıksal Link Kontrol ve Adaptasyon Protokolü (L2CAP)

L2CAP multiplexes birden çok mantıksal kanal tek bir ACL bağlantısı üzerinde. Paket segmentasyon ve reassembly, ayrıca hizmet kalitesi (QoS) parametrelerini taşımak için kullanılır.L2CAP multiplexes multiple logic kanalları (kredi tabanlı akış kontrolü ile) ve bağlantısız kanallar (örneğin yayınlar için). L2CAP öncelikle sinyalleşme parametresi güncellemeler için kullanılır (MTU değişim) ve ATT paketleri taşımak için.

Attribute Protokolü ve Generic Attribute Profil (ATT/GATT)

Bluetooth LE için GATT veri hizmetlerini ve özelliklerini açığa çıkarmanın yapısal bir yolunu tanımlar. Attribute Protokolü (ATT) müşteri dostu mekanizması sağlar: bir GATT sunucusu mağazaları (hizmetler, özellikler, tanımlayıcılar), ve GATT müşteri bunları okur / yazar okur / yazar. Bu mimari, kalp oranı monitörleri, çevresel sensörler ve yakın beacons gibi uygulamalar için temeldir.

Bir GATT sunucusu tasarlayan mühendisler, yazılımdaki özellikleri tanımlamak, okumak / yazmak talepleri işlemek ve müşteriye bildirim veya göstergeler göndermek zorundadır.Sücretli cihazlar için, sunucu-initiated update (notifications) radyo olayları azaltmak için ankete tercih edilir.

Hizmet Keşif Protokolü (SDP) ve Genric Access Profile (GAP)

Klasik Bluetooth, uzaktan bir cihazda mevcut hizmetleri keşfetmesi için SDP kullanır. LE, Bluetooth 5.0 ADI'da 1650'ye kadar yükleme ve tarama yapmak için GAP'ı kullanır.GAP, Yayıncı, Gözlemci, Peripheral ve Central gibi roller tanımlar. Reklamveren, Reklamverenin paketleme ücreti ödeme yükü (31.i LE 4.0-4.2, Bluetooth 5.0 ADI'da 1650'ye kadar uzatılır)

RFCOMM ve OBEX (Classic)

RFCOMM L2CAP üzerinde RS-232 seri portları taklit ediyor, bu tür seri iletişim sağlar. OBEX nesne değişimi sağlar (örneğin, dosya transferleri). Bu protokoller, Bluetooth özellikli barkod tarayıcıları veya tanı araçları gibi miraslanmış cihazlar için hala yaygın olarak kullanılır.

Bluetooth Profilleri

Profiller belirli bir kullanım durumunu anlamak için protokollerin nasıl birleştirildiğini tanımlar. Bazı ortak profiller şunlardır:

Bir profil seçerken, mühendisler özel gelişimden kaçınmak ve telefon veya bilgisayarlarla kolay çiftleşme sağlamak için standartı tercih etmeli ve profilleri tercih etmeliler.For LE, the GATT-based profiller Bluetooth SIG (veya özel profiller) tarafından tanımlanan bir GATT API'si sağlayan bir yığın kullanarak uygulanır.

Bluetooth 5.x Geliştirilmiş

Bluetooth Corepec 5.0, 5.1, 5.2 ve 5.3, gömülü sistem tasarımının önemli ölçüde etkili bir şekilde etkisi olan birkaç özellik tanıttı.

LE Reklam Extensions

Bluetooth 5.0 daha büyük maaş yüklerine izin vererek (1650'ye kadar) ve yardımcı reklam kanalları periyodik reklam kullanarak daha sağlam bir kanal ve bağlantısız veri transferine (örneğin, BLE ağ ve konum hizmetleri) olanak sağlar.

LE Coded PHY ve 2M PHY

Daha önce de belirtildiği gibi, Kodlanmış PHY dörtlü her bir çok sembolün (S=2 veya S=8) ile bir araya gelmesi ve FEC'yi eklemek. 2M PHY çiftleri de altta donanım desteği gerektirir; tüm çipler bir ürün tasarlarken, istenen PHY'nin çok önemli olduğunu doğrulayın.

Varış/AoD'nin Uzaklığı (AoA/AoD)

Bluetooth 5.1, anten dizilerini ve IQ örneklerini kullanarak bulmanın yanı sıra, gerçek zamanlı konum sistemlerinin (RTLS) alt metre doğruluğuna olanak sağlar. Link Katmanı paketin ödeme yükünden sonra özel bir sabit ton uzantı ekler ve alıcı kayıtları IQ örneklerini açısal hesaplama için uygular.

LE Isochronous Channels ve LE Audio

Bluetooth 5.2, LE Isochronous Channels'ı güvenilir, düşük çözünürlükte tanıttı. Bu, yeni LE Audio mimarisinin temelidir. LC3 koduc, SBC ile kıyasla daha karmaşık bir devlet makinesi sağlar. LE Audio yayın ses (e.g., halk Intercoms), çok yönlü ses ve işitme yardımı desteği sağlar.

Bluetooth Me

Büyük ölçekli cihaz ağları (örneğin, aydınlatma kontrolü, bina otomasyonu), Bluetooth Meseli kullanım sel veya sabit reklam ayıları üzerinde selleme veya yönlendirme işlemişleri kullanarak, belirli modeller (örneğin, Generic OnOff, Lightness) ile yayınlanan bir web sitesi için, bir kanal desteği içerir.

Bir Bluetooth Meşru Node'nin abonelik listelerini depolamak için önemli bir hafızayı uygulama, dizi numaraları ve yeniden yükleme sistemi uygulamaları.Gerekli mühendisler ağ tabanlı bir taahhüt için bir ağ tabanlı depolama alanı seçmeli.

Gömülü Mühendisler için Tasarım

Güç Yönetimi

Battery hayatı genellikle en üst önceliktir. Bluetooth yığını birkaç düşük güç mekanizması sağlar:

Mühendisler ayrıca bisiklet belirli periferik (örneğin, sensör sıcak zaman) ve SPI/UART idle dinlemesini azaltmak için donanım akışı kontrolü kullanmalıdır.

Coexistence ve Interference

Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee ve diğer birçok cihazla 2.4 GHz bandı paylaşıyor. Coexistence tarafından geliştirilebilir:

Anten Tasarım

Zavallı bir anten tüm diğer optimizasyonları nükletirebilir. Kompakt gömülü tasarımları için, planlayıcı inverted-F antenleri (PIFA), çip antenler veya anlamlandırılmış monopoller ortaktır. Kritik parametreler arasında imkansızlık eşleştirmesi (50 {{ hedefi), zemin uçak tespiti ve 2.44 GHz'ye ayarlanmalıdır.

Debugging ve Test

Bluetooth debugging zor olabilir çünkü radyo görünmez. Essential aletler şunları içerir:

Birçok gömülü yığın (örneğin Zephyr’in, FreeRTOS+BLE) üretim için kapatılabilir olan debug seviyelerini sağlar.Gelişmiş bağlantı güncelleştirmeleri, özellikleri olmayan hataların aksine, doğru olmayan sorunlarla ilgili olarak giriş yapın.

Güvenlik Uygulama Uygulama

Güvenlik isteyemiyor. minimumda:

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Bluetooth protokolü yığını, GATT özellikleri tablosuna umut eden zengin, çok katmanlı bir mimaridir, performans, güç ve uyumluluk. gömülü mühendisler için, her katmanı sağlam bir kavrayış - radyonun frekansından GATT özelliği tablosuna umut etmek - mevcut olan tasarım ticaret-offları oluşturmak için gereklidir, çünkü Classic Bluetooth 5.x, LE Audio ve Meşrut yeni fırsatları açmaya devam eder, aynı zamanda 2.4 spektrumda daha derin bir anlayış, güvenlik ve ortaklığa da direnir.