項(xiàng)目五

藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)2022/11/1任務(wù)5.1基于BLE協(xié)議棧的串口通信【任務(wù)描述】設(shè)計(jì)藍(lán)牙模塊與PC串口通信系統(tǒng)，要求藍(lán)牙模塊上電時(shí)，向串口發(fā)送“HelloNEWLab!”，并在PC的串口調(diào)試軟件上顯示；另外，在串口調(diào)試軟件上發(fā)送信息給藍(lán)牙模塊時(shí)，藍(lán)牙模塊收到信息后，立刻原樣返回串口接收到的數(shù)據(jù)給串口調(diào)試軟件，并顯示出來(lái)。【任務(wù)環(huán)境】硬件：NewLab平臺(tái)1套、藍(lán)牙模塊1個(gè)、PC機(jī)1臺(tái)。軟件：Windows7/10，IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，協(xié)議棧BLE-CC254x-1.3.2，串口調(diào)試助手。【必備知識(shí)點(diǎn)】藍(lán)牙技術(shù)概念藍(lán)牙協(xié)議棧安裝與使用5.1.1藍(lán)牙技術(shù)概念藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)是全球使用范圍最廣的短距離無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)之一，藍(lán)牙4.0版本綜合了傳統(tǒng)藍(lán)牙，高速藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙等三種藍(lán)牙技術(shù)，它集成了藍(lán)牙技術(shù)在無(wú)線連接上的固有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)增加了高速藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙的特點(diǎn)。低功耗藍(lán)牙（BluetoothLowEnergy），簡(jiǎn)稱BLE，是藍(lán)牙4.0的核心規(guī)范。BLE協(xié)議棧是由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟在藍(lán)牙4.0的基礎(chǔ)上推出的低功耗藍(lán)牙通信標(biāo)準(zhǔn)，雙方需要共同按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)發(fā)射和接收。在BLE協(xié)議棧中包括一個(gè)小型操作系統(tǒng)（抽象層OSAL），由其負(fù)責(zé)系統(tǒng)的調(diào)度。操作系統(tǒng)的大部分代碼被封裝在庫(kù)代碼中，用戶查看不到的。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，只能使用API來(lái)調(diào)用相關(guān)庫(kù)函數(shù)。BLE協(xié)議棧中定義了GAP（GenericAccessProfile）和GATT（GenericAttribute）兩個(gè)基本配置文件，其中GAP層負(fù)責(zé)設(shè)備訪問(wèn)模式和進(jìn)程，包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)、建立連接、終止連接、初始化安全特性、設(shè)備配置等；GATT層用于已連接的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。【任務(wù)實(shí)訓(xùn)步驟】第1步，搭建串口通信電路。將藍(lán)牙模塊中CC2541芯片的RX（P0.2）與JP705的EP703相連，TX（P0.3）與JP704的EP704相連，并將藍(lán)牙模塊固定在NEWLab平臺(tái)上。然后給CC2541上電（用導(dǎo)線將nBT_PWR與地相連，即JP702第2插孔（從左到右算）與CN722相連）。第2步，打開(kāi)SimpleBLEPeripheral工程。打開(kāi)C:\TexasInstruments\……\ble\SimpleBLEPeripheral\CC2541DB目錄下的SimpleBLEPeripheral.eww工程，在Workspace欄內(nèi)選擇CC2541。第3步，串口初始化。打開(kāi)工程中NPI文件夾下的npi.c文件，串口初始化函數(shù)voidNPI_InitTransport(npiCBack_tnpiCBack)對(duì)串口號(hào)、波特率、流控、校驗(yàn)位等進(jìn)行配置。voidNPI_InitTransport(npiCBack_tnpiCBack){halUARTCfg_tuartConfig;uartConfig.configured=TRUE;uartConfig.baudRate=NPI_UART_BR;uartConfig.flowControl=NPI_UART_FC;uartConfig.flowControlThreshold=NPI_UART_FC_THRESHOLD;uartConfig.rx.maxBufSize=NPI_UART_RX_BUF_SIZE;uartConfig.tx.maxBufSize=NPI_UART_TX_BUF_SIZE;uartConfig.idleTimeout=NPI_UART_IDLE_TIMEOUT;uartCEnable=NPI_UART_INT_ENABLE;uartConfig.callBackFunc=(halUARTCBack_t)npiCBack;(void)HalUARTOpen(NPI_UART_PORT,&uartConfig);return;}【任務(wù)實(shí)訓(xùn)步驟】第4步，串口發(fā)送數(shù)據(jù)。打開(kāi)simpleBLEPeripheral.c文件中的初始化函數(shù)voidSimpleBLEPeripheral_Init(uint8task_id)，在此函數(shù)中添加NPI_InitTransport(NULL)，在后面再加上一條上電提示HelloNEWLab!的語(yǔ)句，添加頭文件語(yǔ)句:#include“npi.h”。連接下載器和串口線，下載程序，就可以看到串口調(diào)試軟件收到HelloNEWLab!的信息，如圖所示，通過(guò)NPI_WriteTransport(uint8*,uint16)函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口發(fā)送功能。【任務(wù)實(shí)訓(xùn)步驟】第5步，串口接收數(shù)據(jù)。在simpleBLEPeripheral.c文件聲明串口回調(diào)函數(shù)staticvoidNpiSerialCallback(uint8port,uint8events)，并在voidSimpleBLEPeripheral_Init(uint8task_id)函數(shù)中傳入串口回調(diào)函數(shù)，將NPI_InitTransport(NULL)修改為：NPI_InitTransport(NpiSerialCallback)。當(dāng)串口特定的事件或條件發(fā)生時(shí)，操作系統(tǒng)就會(huì)使用函數(shù)指針調(diào)用回調(diào)函數(shù)對(duì)事件進(jìn)行處理。具體處理操作在回調(diào)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。staticvoidNpiSerialCallback(uint8port,uint8events){(void)port;uint8numBytes=0;uint8buf[128];if(events&HAL_UART_RX_TIMEOUT) //串口有數(shù)據(jù){numBytes=NPI_RxBufLen(); //讀出串口緩沖區(qū)有多少字節(jié) if(numBytes) {NPI_ReadTransport(buf,numBytes); //從串口緩沖區(qū)讀出numBytes字節(jié)數(shù)據(jù)NPI_WriteTransport(buf,numBytes);//把串口接收到的數(shù)據(jù)再打印出來(lái) }}}【任務(wù)實(shí)訓(xùn)步驟】第6步，串口顯示SimpleBLEPeripheral工程初始化信息。TI官方的例程是利用LCD來(lái)輸出信息的，我們的設(shè)備沒(méi)有LCD，但我們可以利用UART來(lái)輸出信息，具體步驟如下：1.打開(kāi)工程目錄中HAL\Target\CC2540EB\Drivers\hal_lcd.c文件，在HalLcdWriteString函數(shù)中添加以下代碼：#ifdefLCD_TO_UARTNPI_WriteTransport((uint8*)str,osal_strlen(str));//串口顯示NPI_WriteTransport("\n",1); //換行#endif2.在預(yù)編譯中添加LCD_TO_UART，

HAL_LCD=TRUE需要打開(kāi)，并且在hal_lcd.c文件中添加#include“npi.h”，編譯無(wú)誤后，下載程序，模塊上電后，打開(kāi)串口調(diào)試助手，可以看到圖所示結(jié)果。【任務(wù)實(shí)訓(xùn)步驟】【技能拓展】本項(xiàng)目采用npi.c文件中現(xiàn)有的串口配置函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)串口收發(fā)功能，請(qǐng)大家在SimpleBLEPeripheral.c文件中自己編寫串口配置函數(shù)，實(shí)現(xiàn)串口收發(fā)功能。任務(wù)5.2基于BLE協(xié)議棧的無(wú)線點(diǎn)燈【任務(wù)描述】使用BTool控制接口命令（BTool工具是PC端一個(gè)應(yīng)用程序，可以作為BLE主機(jī)），使PC與藍(lán)牙模塊（從機(jī)）進(jìn)行連接、數(shù)據(jù)傳輸，從而通過(guò)BTool工具控制藍(lán)牙模塊上的LED燈亮和滅。【任務(wù)環(huán)境】硬件：NewLab平臺(tái)1套、藍(lán)牙模塊1個(gè)、PC機(jī)1臺(tái)。軟件：Windows7/10，IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，協(xié)議棧BLE-CC254x-1.3.2，BTool工具。【必備知識(shí)點(diǎn)】1.主機(jī)與從機(jī)數(shù)據(jù)建立連接的流程；2.BLE應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程分析。5.2.1主、從機(jī)數(shù)據(jù)建立連接流程以TI提供的SimpleBLEPeripheral和SimpleBLECentral工程為例，從機(jī)與主機(jī)之間建立連接的流程如圖5-6所示。圖5-6主從機(jī)之間建立連接流程圖5.2.2BLE應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

主機(jī)與從機(jī)建立連接之后，會(huì)進(jìn)行服務(wù)發(fā)現(xiàn)、特征發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)讀寫等數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸流程如圖所示。當(dāng)主機(jī)需要讀取從機(jī)中提供的應(yīng)用數(shù)據(jù)時(shí)，首先主機(jī)進(jìn)行GATT數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)現(xiàn)，給出想要發(fā)現(xiàn)的主服務(wù)UUID，只有主服務(wù)UUID匹配，才能獲得GATT數(shù)據(jù)服務(wù)。主機(jī)與從機(jī)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程：首先從機(jī)發(fā)起搜索請(qǐng)求，搜索正在廣播的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，若GAP服務(wù)的UUID相匹配，則主機(jī)與節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以建立連接。主機(jī)發(fā)起建立連接請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)設(shè)備響應(yīng)后，主機(jī)與從機(jī)建立連接。主機(jī)發(fā)起主服務(wù)UUID進(jìn)行GATT服務(wù)發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)GATT服務(wù)后，主機(jī)發(fā)送要進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作的特征值的UUID，獲取特征值的句柄，即采用發(fā)送UUID方式獲得句柄。通過(guò)句柄，對(duì)特征值進(jìn)行讀寫操作。

Profile規(guī)范是一種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，定義了設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)一種連接或者應(yīng)用。Profile規(guī)范存在于從機(jī)中，藍(lán)牙組織規(guī)定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)Profile規(guī)范，例如HIDOVERGATT、防丟器、心率計(jì)等。同時(shí)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者也可以根據(jù)需求自己新建Profile，即非標(biāo)準(zhǔn)的Profile規(guī)范。1.GATT服務(wù)（GATTServer）BLE協(xié)議棧的GATT層是用于應(yīng)用程序在兩個(gè)連接設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)設(shè)備連接后，主機(jī)將作為GATTClient，是從GATT服務(wù)器讀/寫數(shù)據(jù)的設(shè)備；從機(jī)將作為GATTServer，是包含客戶端（主機(jī)）需要讀/寫數(shù)據(jù)的設(shè)備。在BLE從機(jī)中，每個(gè)Profile中會(huì)包含多個(gè)GATTServer，每個(gè)GATTServer代表從機(jī)的一種能力。而且每個(gè)GATTServer里又包括了多個(gè)特征值（Characteristic），每個(gè)具體的特征值，才是BLE通信的主體。例如：某電子產(chǎn)品當(dāng)前的電量是70%，所以會(huì)通過(guò)電量的特征值存在從機(jī)的profile里，這樣主機(jī)就可以通過(guò)這個(gè)特征值來(lái)讀取當(dāng)前電量。2.特征值（Characteristic）BLE主從機(jī)的通信均是通過(guò)Characteristic來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以理解為一個(gè)標(biāo)簽，通過(guò)這個(gè)標(biāo)簽可以獲取或者寫入想要的內(nèi)容。3.統(tǒng)一識(shí)別碼（UUID）GATTService和Characteristic，都需要一個(gè)唯一的UUID來(lái)標(biāo)識(shí)。GATT主服務(wù)的UUID為FFF0，特征值1、特征值2、……的UUID依次為FFF1、FFF2、……。4.句柄（handle）GATT服務(wù)將整個(gè)服務(wù)加到屬性表中，并為每個(gè)屬性分配唯一的句柄。在BLE協(xié)議棧中，數(shù)據(jù)發(fā)送包括主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，即前者是GATT的client主動(dòng)向service發(fā)送數(shù)據(jù)；后者是GATT的service主動(dòng)向client發(fā)送數(shù)據(jù)，其實(shí)是從機(jī)通知主機(jī)來(lái)讀數(shù)據(jù)。1.主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)在主從機(jī)已建立連接的狀態(tài)下，主機(jī)通過(guò)特征值的句柄對(duì)特征值的寫操作，思路如下：首先，主機(jī)對(duì)句柄、發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等變量進(jìn)行填充，再調(diào)用GATT_WriteCharValue函數(shù)實(shí)現(xiàn)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。typedefstruct{uint16handle;uint8len;uint8value[ATT_MTU_SIZE-3]; //ATT_MTU_SIZE為23，規(guī)定長(zhǎng)度長(zhǎng)度為20uint8sig;uint8cmd;}attWriteReq_t;//*************************************************************************************attWriteReq_treq;//定義結(jié)構(gòu)體變量reqreq.handle=simpleBLECharHdl; //填充句柄req.len=1; //填充發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度req.value[0]=simpleBLECharVal; //填充發(fā)送數(shù)據(jù)req.sig=0; //填充信號(hào)狀態(tài)req.cmd=0; //填充命令標(biāo)志status=GATT_WriteCharValue(simpleBLEConnHandle,&req,simpleBLETaskId);2.從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)首先主機(jī)應(yīng)開(kāi)啟特征值的通知功能，從機(jī)再調(diào)用GATT_Notification函數(shù)，或者修改帶通知功能的特征值，通知主機(jī)來(lái)讀數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，而不是像主機(jī)那樣調(diào)用GATT_WriteCharValue函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在BLE協(xié)議棧中，數(shù)據(jù)接收包括主機(jī)接收從機(jī)發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)和從機(jī)接收主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。1.主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)在主從機(jī)已建立連接的狀態(tài)，主機(jī)通過(guò)特征值的句柄對(duì)特征值的讀操作，思路如下：首先，調(diào)用GATT_ReadCharValue函數(shù)讀取從機(jī)的數(shù)據(jù)。attReadReq_treq;req.handle=simpleBLECharHdl;//填充句柄status=GATT_ReadCharValue(simpleBLEConnHandle,&req,simpleBLETaskId);2.從機(jī)接收主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，從機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)GATTProfileCallback回調(diào)，在simpleProfileChangeCB（）回調(diào)函數(shù)中接收主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。這個(gè)callback在從機(jī)初始化時(shí)向Profile注冊(cè)。staticsimpleProfileCBs_tsimpleBLEPeripheral_SimpleProfileCBs={simpleProfileChangeCB};//Charactersiticvaluechangecallback//RegistercallbackwithSimpleGATTprofile注冊(cè)特征值改變時(shí)的回調(diào)函數(shù)VOIDSimpleProfile_RegisterAppCBs(&simpleBLEPeripheral_SimpleProfileCBs);//************************************************************************************staticvoidsimpleProfileChangeCB(uint8paramID){uint8newValue;switch(paramID){caseSIMPLEPROFILE_CHAR1: //特征值1編號(hào)SimpleProfile_GetParameter(SIMPLEPROFILE_CHAR1,&newValue);//獲得特征值

……【任務(wù)實(shí)訓(xùn)步驟】如果沒(méi)有USBDongle板，可以采用一塊藍(lán)牙模塊來(lái)代替，這里采用代替方式。1.向藍(lán)牙模塊中寫入固件“HostTestRelease工程”，制作USBDongle板。打開(kāi)HostTestRelease.eww工程，路徑為：…\Projects\ble\HostTestApp\CC2541，在Workspace欄內(nèi)選擇“CC2541EM”。由于藍(lán)牙模塊的串口未采用流控功能，因此要禁止串口流控，方法如下：（1）打開(kāi)hal_uart.c文件，找到uint8HalUARTOpen(uint8port,halUARTCfg_t*config)函數(shù)，可以看到if(port==HAL_UART_PORT_0)HalUARTOpenDMA(config);代碼，右擊選擇“gotodefinitionofHalUARTOpenDMA(config)”。（2）在staticvoidHalUARTOpenDMA(halUARTCfg_t*config)函數(shù)中增加關(guān)閉流控代碼。2.編譯程序，下載到藍(lán)牙模塊中。3.打開(kāi)BTool（安裝了BLE協(xié)議棧，就可以在【所有程序】->【TexasInstruments】中找到該工具），可看到BTool啟動(dòng)界面，需要用戶設(shè)置串口參數(shù)，點(diǎn)擊【OK】連接BTool工具，連接界面如圖所示。【任務(wù)實(shí)訓(xùn)步驟】第二步，制作藍(lán)牙從機(jī)。打開(kāi)SimpleBLEPeripheral.eww工程，路徑為：…\ble\SimpleBLEPeripheral\CC2541DB，下載到另一個(gè)藍(lán)牙模塊之中。注意：參照任務(wù)5.1修改，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊與PC的串口通信功能，以便從機(jī)的信息在串口調(diào)試軟件上顯示。第三步，使用BTool工具。1.掃描節(jié)點(diǎn)設(shè)備首先使USBDongle板（主機(jī)）和藍(lán)牙模塊（從機(jī)）復(fù)位，然后在BTool工具的設(shè)備控制界面區(qū)域內(nèi)，選中“Discover/Connect”選項(xiàng)卡，再點(diǎn)擊“Scan”按鈕，對(duì)正在發(fā)送廣播的節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行掃描。默認(rèn)掃描10s，掃描完成后，會(huì)在右側(cè)的窗口中顯示掃描到的所有設(shè)備個(gè)數(shù)和設(shè)備地址，如圖所示。若不想等10s，可以單擊“Cancel”停止掃描，則在右側(cè)的窗口中顯示當(dāng)前已經(jīng)掃描到的設(shè)備個(gè)數(shù)和設(shè)備地址。【任務(wù)實(shí)訓(xùn)步驟】2.連接參數(shù)設(shè)置在建立設(shè)備連接之前，設(shè)置的參數(shù)包括：最小和最大的連接間隔、從機(jī)延時(shí)、管理超時(shí)。可以使用默認(rèn)參數(shù)，也可以針對(duì)不同的應(yīng)用來(lái)調(diào)整這些參數(shù)。設(shè)置好參數(shù)后，點(diǎn)擊“Set”按鈕才能生效，注意參數(shù)修改必須在建立連接之前操作。3.建立連接在“SlaveBDA”欄選擇將與從機(jī)建立連接的節(jié)點(diǎn)設(shè)備地址，然后單擊“Establish”按鈕建立連接。此時(shí)節(jié)設(shè)備的信息會(huì)出現(xiàn)在窗口左側(cè)，同時(shí)在從機(jī)的串口調(diào)試端顯示“Connected”已連接提示字符，如圖所示。【任務(wù)實(shí)訓(xùn)步驟】4.對(duì)SimpleProfile的特征值進(jìn)行操作SimpleGATTProfile中包含5個(gè)特征值，每個(gè)特征值的屬性都不相同，如表所示。特征值編號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（字節(jié)）屬性句柄（handle）UUIDCHAR11可讀可寫0x0025FFF1CHAR21只讀0x0028FFF2C