汽车蓝牙技术原理

蓝牙技术原理及其在汽车领域中的应用

蓝牙是一种支持设备短距离通信（通常10米内）的无线通信技术，也是无线个域网（WPAN，WirelessPersonal Area Network）的主流技术，可支持包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行数据通信。蓝牙能够有效简化移动通信终端设备之间及设备与因特网之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效。

随着科学技术的发展，蓝牙技术发挥着越来越大的作用。蓝牙技术与人们生活息息相关，人们对蓝牙的需求、依赖日益增强。本文分析了蓝牙技术原理，探讨了蓝牙技术在汽车领域中的应用。

一、蓝牙技术原理

1.1 蓝牙协议栈

图1给出了蓝牙协议栈体系架构示意图。蓝牙协议的目标是允许遵循规范的应用能够进行相互操作，为实现互操作，相互通信的设备上的应用必须以同一协议栈运行。到目前为止，蓝牙协议已经有1.0、1.1、1.2、2.0、2.1、3.1、4.0、4.1等版本。随着协议的演进和技术发展，数据速率逐步提升。1.0版蓝牙为基本码率（BR，Basic Rate），最大物理层数据速率为1Mbps；2.0版本为增强码率（EDR，Enhanced Data Rate），其物理层数据传输率增至2Mbps或3Mbps；3.0版本引入交替射频技术（AMP，Alternative MAC PHY），利用IEEE 802.11实现了高达数100Mbps的物理层数据速率。4.0版引入了低功耗蓝牙（BLE，Bluetooth LowEnergy）。从协议支持角度看，蓝牙设备基本可以分为三类：经典设备、双模设备（同时支持经典蓝牙和BLE）、单模设备（仅支持BLE）。单模设备被称为Bluetooth Smart，双模设备则被称为Bluetooth SmartReady。应当注意的是，单模设备仅能与双模设备通信，而不能与经典蓝牙通信。

（1）无线射频（RF，Radio Frequency）层定义了频段与信道安排、工作在此频段的发射机和接收机应满足的要求等，实现了数据流的过滤和传输。

基带（BB,Baseband）层协议提供两种物理链路：面向连接的同步方式（SCO，Sychronous Connection-Oriented）和无连接的异步方式（ACL，Asychronous Connection-Less）。

链路管理协议（LMP，Link Manager Protocol）负责链路的建立、控制和链路安全。LMP通过连接的发起、交换、核实来进行身份验证和加密，通过协商确定基带数据分组大小；LMP控制无线设备的节能模式和工作周期。

主机控制接口（HCI，Host Controller Interface）是底层硬件与上层协议之间的接口，提供了访问基带、链路控制器、链路管理器、状态寄存器等硬件功能的指令。

（2）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP，LogicalLink Control and Adaptation Protocol）属于数据链路层，L2CAP为上层协议提供面向连接和无连接的数据服务，功能包括协议的复用能力、分组的分割与重组以及服务质量的传递。L2CAP允许高层协议以64K字节收发数据分组，L2CAP只支持ACL。LMP消息发送比用户信息优先级更高，所以LMP发送的消息不会因为L2CAP通信延迟。LMP主要用于控制数据传输，而L2CAP则向上层提供分组数据包传输和控制。

（3）蓝牙电话控制协议（TCS-BIN）定义了用于蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的呼叫控制信令，并处理TCS设备的移动性管理过程。AT-commands定义了一套多用户模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令。

（4）AVCTP（Audio/Video Control Transport Protocol）描述了A/V设备的交换消息传输机制。AVDTP（Audio/Video Distribution Transport Protocol）定义了A/V流的协商、建立及传输机制。

（5）服务发现协议（SDP，Service Discovery Protocol）是一种基于客户/服务器结构的协议，客户机应用通过SDP发现存在的服务器及其属性。SDP只提供发现服务的机制，但不提供使用这些服务的方法。几乎所有的蓝牙设备支持SDP协议，而只做Client的蓝牙设备除外。

（6）线缆仿真协议RFCOMM协议是基于欧洲电信标准协会的技术标准（ETSI）07.10的一个串口仿真协议。RFCOMM协议提供了在L2CAP上的RS-232串口的仿真。

（7）属性协议（ATT，Attribute protocol）是4.0版为BLE引入的，允许设备以“属性”方式向其他设备展现设备能力。

（8）蓝牙网络封装协议（BNEP，Bluetooth Network Encapsulation Protocol）通过L2CAP直接承载IPv4/IPv6。

（9）OBEX定义了数据对象及交换这些对象的通信协议，OBEX也用于IrDA仿真。蓝牙协议1.0版本中OBEX由RECOMM承载，而在BR/EDR中OBEX则是基于BNEP承载的TCP/IP之上的。

1.2 蓝牙应用场景与Profile

如图1所示，根据协议目的及其与蓝牙技术联盟（SIG）的关联程度，蓝牙协议可以归纳为以下几类：

（1）蓝牙核心协议（Bluetooth Core Protocols），包括RF、BB、LMP、L2CAP、SDP和AUDIO；（2）适配协议，包括RFCOMM、ATT和BNEP；（3）电信控制协议（Telephony Control Protocols），包括TCS Binary和AT-commands；（4）A/V控制协议，包括AVCTP和AVDTP；（5）引用协议（Adopted Protocols），包括PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP/WAE、vCard/vCal以及IrDA。针对特定蓝牙应用场景（Bluetooth Usage Models），为了更容易地保持蓝牙设备之间的兼容和互操作，蓝牙规范引入了Profile。

Profile定义了某应用场景所覆盖协议及支持蓝牙设备通信所必需的特征，最基本的Profile为通用访问应用（GAP，Generic Access Profile）和通用属性应用（GATT，Generic Attribute Profile），GAP承载传统BR/EDR，而GATT承载BLE。图2说明了蓝牙协议与Profile的层次关系。

除了GAP外，常用的Profile还有SDAP（ServiceDiscovery Application Profile）、SPP（Serial Port Profile）、GOEP（Generic Object Exchange Profile）。在蓝牙开发门户（http://developer.bluetooth.org）上可以查到蓝牙技术联盟采纳的Profile列表，下文提到的免提应用协议框架HFP就是其中之一。

1.3 典型的蓝牙系统框架

典型的蓝牙系统包括无线单元、链路控制器、链路管理及接口、软件协议以及主机终端（图3）。

如图3所示，主机终端负责功能模块及蓝牙通信控制，其它模块实现蓝牙通信。

实际应用中，通常将集成若干蓝牙功能的芯片基本电路集合称为蓝牙模块，在蓝牙模块的基础上进行后续开发，极大简化了蓝牙应用开发。

世界各大芯片厂商正在积极投入力量进行蓝牙模块的研发与测试，推出了覆盖不同协议栈层次的蓝牙模块。譬如，英国的CSR即拥有或曾经拥有三种蓝牙模块，HCI ROM、HCI RFCOMM ROM和Full embedded solution。

（1）HCI ROM仅覆盖HCI以下协议层，硬件HCI接口通常使用UART/USB/SDIO，而图1中L2CAP协议层之上需要软件实现并运行于外置的处理器上。
（2）HCI RFCOMM ROM和HCI ROM的区别在于，它将RFCOMM和L2CAP集成到芯片中，这样可以降低主机处理器的代码量，但是数据吞吐率会受到影响。
（3）Full embedded solution覆盖蓝牙所有协议层，目前最流行的是这种蓝牙模块。

二、蓝牙技术在汽车领域中的应用

随着蓝牙技术的成熟和发展，蓝牙技术得到了越来越广泛的应用，其中汽车领域是应用最活跃的领域之一。根据ABI Research的统计，预计到2017年，将有六千万辆汽车搭载蓝牙技术，与2013年相比，市场成长率增加了47%。

2.1 车载免提系统

车载免提系统是蓝牙技术在汽车领域的典型应用。该系统以手机为网关，支持蓝牙功能的手机可以放在以车载免提系统为圆心的10米范围内的任一地方，可以自动连接上手机，通过车内麦克风和音响系统实现全双工免提通话。

车载免提应用框架（HFP，Hand Free Profile）规范了移动电话通过蓝牙与免提设备（车载或头戴）交互所需的最小功能集，免提应用框架协议栈如图4所示。HFP定义了两种角色：语音网关（AG，AudioGateway）和免提单元（HF，Hand-free）。其中，语音网关提供了音频输入输出及其控制，典型的语音网关是蓝牙手机；免提单元提供远程控制功能，可以利用车载免提设备。

图5给出了车载免提系统的一种实现。

2.2 基于蓝牙OBD的汽车检测系统

车载诊断系统（OBD，On-Board Diagnostics）能在汽车运行过程中实时监测发动机电控系统及车辆的其它功能模块的工作状况，如发现工况异常，则根据特定算法判断出具体的故障，并以诊断故障代码形式存储在系统内的存储器上。随着车辆的各种传感器及电子化程度的提高，OBD增加了各种项监测功能。

作为车载监控系统的通信接口，OBD接口除了读取故障码以供修车外，还能提供油耗记录、电池电压、空燃比、节气门开度、爆震数量等数据。通过专用的数据线可以将数据读取出来再显示到配套的显示屏上，更方便的方式是蓝牙OBD接口适配器加智能手机端软件。目前市场上推出很多种蓝牙OBD模块，通过蓝牙将OBD接口读取的数据传输到智能手机端，再通过手机端的软件呈现给使用者。

2.3 蓝牙后视镜

蓝牙后视镜是在汽车后视镜上加入蓝牙技术，使后视镜增加免提通话功能，有来电时，会在后视镜上显示来电号码，与汽车音响协同工作以获得更高的通话品质。

总结

除汽车领域外，蓝牙技术的典型应用领域还有无线办公、信息家电、医疗设备、学校教育和工厂自动控制等。可以预见，随着技术的进步、生产成本的下降，蓝牙技术的应用领域会愈加扩大，将进一步改变人们的生活与工作方式，显著提高生活、工作质量。

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