汽車藍牙技術原理

藍牙技術原理及其在汽車領域中的應用

藍牙是一種支持設備短距離通信（通常10米內(nèi)）的無線通信技術，也是無線個域網(wǎng)（WPAN，WirelessPersonal Area Network）的主流技術，可支持包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行數(shù)據(jù)通信。藍牙能夠有效簡化移動通信終端設備之間及設備與因特網(wǎng)之間的通信，從而使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效。

隨著科學技術的發(fā)展，藍牙技術發(fā)揮著越來越大的作用。藍牙技術與人們生活息息相關，人們對藍牙的需求、依賴日益增強。本文分析了藍牙技術原理，探討了藍牙技術在汽車領域中的應用。

一、藍牙技術原理

1.1 藍牙協(xié)議棧

圖1給出了藍牙協(xié)議棧體系架構示意圖。藍牙協(xié)議的目標是允許遵循規(guī)范的應用能夠進行相互操作，為實現(xiàn)互操作，相互通信的設備上的應用必須以同一協(xié)議棧運行。到目前為止，藍牙協(xié)議已經(jīng)有1.0、1.1、1.2、2.0、2.1、3.1、4.0、4.1等版本。隨著協(xié)議的演進和技術發(fā)展，數(shù)據(jù)速率逐步提升。1.0版藍牙為基本碼率（BR，Basic Rate），最大物理層數(shù)據(jù)速率為1Mbps；2.0版本為增強碼率（EDR，Enhanced Data Rate），其物理層數(shù)據(jù)傳輸率增至2Mbps或3Mbps；3.0版本引入交替射頻技術（AMP，Alternative MAC PHY），利用IEEE 802.11實現(xiàn)了高達數(shù)100Mbps的物理層數(shù)據(jù)速率。4.0版引入了低功耗藍牙（BLE，Bluetooth LowEnergy）。從協(xié)議支持角度看，藍牙設備基本可以分為三類：經(jīng)典設備、雙模設備（同時支持經(jīng)典藍牙和BLE）、單模設備（僅支持BLE）。單模設備被稱為Bluetooth Smart，雙模設備則被稱為Bluetooth SmartReady。應當注意的是，單模設備僅能與雙模設備通信，而不能與經(jīng)典藍牙通信。

（1）無線射頻（RF，Radio Frequency）層定義了頻段與信道安排、工作在此頻段的發(fā)射機和接收機應滿足的要求等，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的過濾和傳輸。

基帶（BB,Baseband）層協(xié)議提供兩種物理鏈路：面向連接的同步方式（SCO，Sychronous Connection-Oriented）和無連接的異步方式（ACL，Asychronous Connection-Less）。

鏈路管理協(xié)議（LMP，Link Manager Protocol）負責鏈路的建立、控制和鏈路安全。LMP通過連接的發(fā)起、交換、核實來進行身份驗證和加密，通過協(xié)商確定基帶數(shù)據(jù)分組大??；LMP控制無線設備的節(jié)能模式和工作周期。

主機控制接口（HCI，Host Controller Interface）是底層硬件與上層協(xié)議之間的接口，提供了訪問基帶、鏈路控制器、鏈路管理器、狀態(tài)寄存器等硬件功能的指令。

（2）邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP，LogicalLink Control and Adaptation Protocol）屬于數(shù)據(jù)鏈路層，L2CAP為上層協(xié)議提供面向連接和無連接的數(shù)據(jù)服務，功能包括協(xié)議的復用能力、分組的分割與重組以及服務質量的傳遞。L2CAP允許高層協(xié)議以64K字節(jié)收發(fā)數(shù)據(jù)分組，L2CAP只支持ACL。LMP消息發(fā)送比用戶信息優(yōu)先級更高，所以LMP發(fā)送的消息不會因為L2CAP通信延遲。LMP主要用于控制數(shù)據(jù)傳輸，而L2CAP則向上層提供分組數(shù)據(jù)包傳輸和控制。

（3）藍牙電話控制協(xié)議（TCS-BIN）定義了用于藍牙設備間建立語音和數(shù)據(jù)呼叫的呼叫控制信令，并處理TCS設備的移動性管理過程。AT-commands定義了一套多用戶模式下用于控制移動電話和調制解調器的命令。

（4）AVCTP（Audio/Video Control Transport Protocol）描述了A/V設備的交換消息傳輸機制。AVDTP（Audio/Video Distribution Transport Protocol）定義了A/V流的協(xié)商、建立及傳輸機制。

（5）服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP，Service Discovery Protocol）是一種基于客戶/服務器結構的協(xié)議，客戶機應用通過SDP發(fā)現(xiàn)存在的服務器及其屬性。SDP只提供發(fā)現(xiàn)服務的機制，但不提供使用這些服務的方法。幾乎所有的藍牙設備支持SDP協(xié)議，而只做Client的藍牙設備除外。

（6）線纜仿真協(xié)議RFCOMM協(xié)議是基于歐洲電信標準協(xié)會的技術標準（ETSI）07.10的一個串口仿真協(xié)議。RFCOMM協(xié)議提供了在L2CAP上的RS-232串口的仿真。

（7）屬性協(xié)議（ATT，Attribute protocol）是4.0版為BLE引入的，允許設備以“屬性”方式向其他設備展現(xiàn)設備能力。

（8）藍牙網(wǎng)絡封裝協(xié)議（BNEP，Bluetooth Network Encapsulation Protocol）通過L2CAP直接承載IPv4/IPv6。

（9）OBEX定義了數(shù)據(jù)對象及交換這些對象的通信協(xié)議，OBEX也用于IrDA仿真。藍牙協(xié)議1.0版本中OBEX由RECOMM承載，而在BR/EDR中OBEX則是基于BNEP承載的TCP/IP之上的。

1.2 藍牙應用場景與Profile

如圖1所示，根據(jù)協(xié)議目的及其與藍牙技術聯(lián)盟（SIG）的關聯(lián)程度，藍牙協(xié)議可以歸納為以下幾類：

（1）藍牙核心協(xié)議（Bluetooth Core Protocols），包括RF、BB、LMP、L2CAP、SDP和AUDIO；（2）適配協(xié)議，包括RFCOMM、ATT和BNEP；（3）電信控制協(xié)議（Telephony Control Protocols），包括TCS Binary和AT-commands；（4）A/V控制協(xié)議，包括AVCTP和AVDTP；（5）引用協(xié)議（Adopted Protocols），包括PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP/WAE、vCard/vCal以及IrDA。針對特定藍牙應用場景（Bluetooth Usage Models），為了更容易地保持藍牙設備之間的兼容和互操作，藍牙規(guī)范引入了Profile。

Profile定義了某應用場景所覆蓋協(xié)議及支持藍牙設備通信所必需的特征，最基本的Profile為通用訪問應用（GAP，Generic Access Profile）和通用屬性應用（GATT，Generic Attribute Profile），GAP承載傳統(tǒng)BR/EDR，而GATT承載BLE。圖2說明了藍牙協(xié)議與Profile的層次關系。

除了GAP外，常用的Profile還有SDAP（ServiceDiscovery Application Profile）、SPP（Serial Port Profile）、GOEP（Generic Object Exchange Profile）。在藍牙開發(fā)門戶（http://developer.bluetooth.org）上可以查到藍牙技術聯(lián)盟采納的Profile列表，下文提到的免提應用協(xié)議框架HFP就是其中之一。

1.3 典型的藍牙系統(tǒng)框架

典型的藍牙系統(tǒng)包括無線單元、鏈路控制器、鏈路管理及接口、軟件協(xié)議以及主機終端（圖3）。

如圖3所示，主機終端負責功能模塊及藍牙通信控制，其它模塊實現(xiàn)藍牙通信。

實際應用中，通常將集成若干藍牙功能的芯片基本電路集合稱為藍牙模塊，在藍牙模塊的基礎上進行后續(xù)開發(fā)，極大簡化了藍牙應用開發(fā)。

世界各大芯片廠商正在積極投入力量進行藍牙模塊的研發(fā)與測試，推出了覆蓋不同協(xié)議棧層次的藍牙模塊。譬如，英國的CSR即擁有或曾經(jīng)擁有三種藍牙模塊，HCI ROM、HCI RFCOMM ROM和Full embedded solution。

（1）HCI ROM僅覆蓋HCI以下協(xié)議層，硬件HCI接口通常使用UART/USB/SDIO，而圖1中L2CAP協(xié)議層之上需要軟件實現(xiàn)并運行于外置的處理器上。
（2）HCI RFCOMM ROM和HCI ROM的區(qū)別在于，它將RFCOMM和L2CAP集成到芯片中，這樣可以降低主機處理器的代碼量，但是數(shù)據(jù)吞吐率會受到影響。
（3）Full embedded solution覆蓋藍牙所有協(xié)議層，目前最流行的是這種藍牙模塊。

二、藍牙技術在汽車領域中的應用

隨著藍牙技術的成熟和發(fā)展，藍牙技術得到了越來越廣泛的應用，其中汽車領域是應用最活躍的領域之一。根據(jù)ABI Research的統(tǒng)計，預計到2017年，將有六千萬輛汽車搭載藍牙技術，與2013年相比，市場成長率增加了47%。

2.1 車載免提系統(tǒng)

車載免提系統(tǒng)是藍牙技術在汽車領域的典型應用。該系統(tǒng)以手機為網(wǎng)關，支持藍牙功能的手機可以放在以車載免提系統(tǒng)為圓心的10米范圍內(nèi)的任一地方，可以自動連接上手機，通過車內(nèi)麥克風和音響系統(tǒng)實現(xiàn)全雙工免提通話。

車載免提應用框架（HFP，Hand Free Profile）規(guī)范了移動電話通過藍牙與免提設備（車載或頭戴）交互所需的最小功能集，免提應用框架協(xié)議棧如圖4所示。HFP定義了兩種角色：語音網(wǎng)關（AG，AudioGateway）和免提單元（HF，Hand-free）。其中，語音網(wǎng)關提供了音頻輸入輸出及其控制，典型的語音網(wǎng)關是藍牙手機；免提單元提供遠程控制功能，可以利用車載免提設備。

圖5給出了車載免提系統(tǒng)的一種實現(xiàn)。

2.2 基于藍牙OBD的汽車檢測系統(tǒng)

車載診斷系統(tǒng)（OBD，On-Board Diagnostics）能在汽車運行過程中實時監(jiān)測發(fā)動機電控系統(tǒng)及車輛的其它功能模塊的工作狀況，如發(fā)現(xiàn)工況異常，則根據(jù)特定算法判斷出具體的故障，并以診斷故障代碼形式存儲在系統(tǒng)內(nèi)的存儲器上。隨著車輛的各種傳感器及電子化程度的提高，OBD增加了各種項監(jiān)測功能。

作為車載監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口，OBD接口除了讀取故障碼以供修車外，還能提供油耗記錄、電池電壓、空燃比、節(jié)氣門開度、爆震數(shù)量等數(shù)據(jù)。通過專用的數(shù)據(jù)線可以將數(shù)據(jù)讀取出來再顯示到配套的顯示屏上，更方便的方式是藍牙OBD接口適配器加智能手機端軟件。目前市場上推出很多種藍牙OBD模塊，通過藍牙將OBD接口讀取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C端，再通過手機端的軟件呈現(xiàn)給使用者。

2.3 藍牙后視鏡

藍牙后視鏡是在汽車后視鏡上加入藍牙技術，使后視鏡增加免提通話功能，有來電時，會在后視鏡上顯示來電號碼，與汽車音響協(xié)同工作以獲得更高的通話品質。

總結

除汽車領域外，藍牙技術的典型應用領域還有無線辦公、信息家電、醫(yī)療設備、學校教育和工廠自動控制等?？梢灶A見，隨著技術的進步、生產(chǎn)成本的下降，藍牙技術的應用領域會愈加擴大，將進一步改變?nèi)藗兊纳钆c工作方式，顯著提高生活、工作質量。

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