蓝牙基础之蓝牙软硬件架构介绍

**liwen01 2025.04.05** ## 前言 随着物联网的发展，蓝牙已融入到我们生活的方方面面：手机、平板、手环、耳机、音响、智能灯泡、智能门铃、摄像机、冰箱、空调、洗衣机、血糖仪、键盘、鼠标等等。 关于蓝牙相关的芯片、协议栈、应用方案也因产品需求的不同而存在很大的差异，因而导致关于蓝牙相关的知识相对比较离散。 ## (一) 蓝牙版本与类型  蓝牙与 WiFi 类似，WiFi 属于 IEEE 802.11，蓝牙早期属于 IEEE 802.15.1，后面才由 Bluetooth SIG 独立维护。 蓝牙与 WiFi 的发展基本相似。早期蓝牙追求高速率，现在蓝牙主打：**低功耗、低成本、高可靠性**。 在蓝牙追求高速率转变到低功耗这个过程中，出现了一些不能相互兼容的蓝牙版本。从技术的角度看，蓝牙的历史版本之间并不太优雅。 ### (1) 经典蓝牙 蓝牙 1.0 版本的时候速率是 721Kbps, 那时 Modem 速度也才 56Kbps，蓝牙速率远超用户需求。 随着互联网的快速发展，1999 年 WiFi1(802.11b) 支持 11Mbps，2003 年wifi3(802.11g)支持 54Mbps， 2009 年 WiFi4(802.11n) 支持 600Mbps。之后各版本均是以 Gbps 速率为单位。 与此同时的蓝牙，为了追求速率的提升，就在 BR(Basic Rate)的基础上开发了EDR(Enhanced Data Rate)技术。随后在 2009 年，蓝牙又引入了 WiFi 的物理层和 MAC 层，推出了`AMP` 功能，速率达到了 24Mbps。 但是 BR/EDR 技术与外来的 AMP 并不兼容，只能 2 选 1 使用。 由于蓝牙不能直接连接到互联网，且更加偏向于短距离，点对点连接的应用场景，与 WiFi 相比，蓝牙的优势并不明显。 速率越高，功耗自然就会更大。随着物联网的发展，设备对功耗越加敏感。为了区别于 WiFi，蓝牙开始布局低功耗应用场景。 在2010年，蓝牙推出了低功耗蓝牙BLE, 也就是蓝牙4.0版本。 **经典蓝牙**与**低功耗蓝牙**之间也不兼容，所以就有了**单模蓝牙**和**双模蓝牙的说法。** - **单模蓝牙**：单一传统蓝牙或是单一低功耗蓝牙。即 1 个 Host 结合 1 个 Controller。 - **双模蓝牙**：同时支持两种不同模式的蓝牙。即 1 个 Host 结合多个 Controller。  ### (2) 低功耗蓝牙 低功耗蓝牙主要应用于小数据量传输，比如：温湿度采集器、手环、心率检测、血氧测试、电子标签、宠物防丢、智能灯泡、门锁等等物联网设备。 它们一般是将采集到的信号发送到服务端(比如手机)，发完之后设备就进入休眠状态以节省功耗。 在双模设备中，如果传输的数据量比较大，蓝牙会切换为经典模式，比如文件传输、音乐播放等。 BLE 蓝牙目前也支持音乐传输，BLE Audio (基于 Bluetooth 5.2) 通过 LC3 编解码器提升了音质 ，但延迟和带宽仍弱于经典蓝牙。 后续会专门介绍蓝牙耳机的实现原理。 ## (二) 蓝牙软件协议栈 我们把某个协议的实现代码称为协议栈（protocol stack），蓝牙协议栈就是实现蓝牙协议的代码。 简单来说，蓝牙协议栈就是用来对你的应用数据进行层层封包，以生成一个满足蓝牙协议的空中数据包。  - **Controller（控制器）** 部分：包含 **PHY**（物理层）和 **LL**（链路层），并通过 **HCI** 和上层通信，主要负责底层无线收发与连接管理。 - **Host（主机）** 部分：包含 **L2CAP、SMP、ATT、GATT、GAP** 等协议层，为应用提供数据传输、安全、属性组织和访问以及连接管理等功能。 - **Profiles（应用层）**：基于 GATT 定义各种标准化或自定义的服务与特征，用于实现特定应用场景。 从上图可以看出，蓝牙协议栈是连接芯片(射频)和应用的桥梁，是实现整个蓝牙应用的关键 **目前开源的蓝牙协议栈有**:  还有些非开源的蓝牙协议栈，它们主要由商业公司开发和维护，通常是为了提供更好的技术支持、认证、优化和专有功能，比如 windows 和苹果设备。  这里只对蓝牙的协议栈做简单的介绍，更详细的分析放到后面单独介绍。 ## (三)蓝牙硬件架构 蓝牙软件架构，其实主要也就是蓝牙协议栈。如果要做蓝牙开发，基于不同的硬件方案架构，需要对蓝牙协议栈了解的深度也不一样。 ### (1) SOC单芯片方案  **架构特点**: - 蓝牙协议栈（Host + Controller）和应用处理器集成在同一颗芯片内。 - 适用于低功耗、小尺寸、低成本的应用场景。 - 典型芯片如 Nordic nRF52 系列、Dialog DA14531、TI CC2640。 **优势**: - 设计简单，开发成本低，功耗优化较好。 - 适用于嵌入式系统，无需额外的 MCU 处理数据。 **典型应用**: - 蓝牙耳机、智能手环、无线传感器、低功耗 IoT 设备。 这种方案一般使用在：蓝牙耳机、智能手环、无线传感器、低功耗 IoT 设备。 从软件开发的角度看，这种方案与普通 MCU 开发相似，因为芯片厂家已经把蓝牙协议栈做了封装，我们只需要调用接口使用就可以了。 ### (2) SoC 蓝牙 + MCU 方案  **架构特点**: - 蓝牙协议栈和射频部分（Host + Controller）集成在蓝牙 SoC 内，MCU 负责上层应用逻辑和数据处理。 - 适用于计算需求较高的场景，比如复杂的数据处理或多协议支持。 - 典型芯片如 Cypress CYW20719。 **优势**: - MCU 处理应用层任务，蓝牙 SoC 专注于通信，提高系统性能。 - 灵活性较高，可以选用不同性能的 MCU 适配需求。 **典型应用** - 智能家居、工业控制、医疗设备、蓝牙网关。 这种蓝牙方案一般是把蓝牙做成模块形式，MCU只需要通过串口发送响应的 AT 指令来实现蓝牙的不同功能。 对于软件开发来说，这是最简单的一种开发方式，方案的局限就是比较难实现一些自定义的蓝牙功能。 ### (3) 蓝牙 Host + Controller 分离方案  **架构特点**: - 蓝牙协议栈拆分为 Host（高层协议，如 L2CAP、GATT、GAP）和 Controller（低层协议，如 PHY、Link Layer）。 - Host 运行在主机（MCU/CPU）上，而 Controller 作为独立模块（蓝牙芯片或蓝牙模块）。 - 通过 HCI（Host Controller Interface）进行通信，常见接口有 UART、SPI、USB。 **优势**: - 适用于计算能力较强的设备，如智能手机、PC、车载系统等。 - Host 端可以更灵活地管理多个蓝牙连接，提高可扩展性。 **典型应用**: - 智能手机、笔记本电脑、车载娱乐系统、嵌入式网关设备。 这种方案比较常见的就是我们电脑外接的 USB 蓝牙适配器。USB 适配器只实现了（Controller）的功能。 Host 和应用层由 PC 端根据不同的业务需求去实现蓝牙的不同功能。 ### (4) 蓝牙 + Wi-Fi 方案  **架构特点**: - 蓝牙和 Wi-Fi 共享相同的射频前端，通常由同一颗芯片实现共存。 - 适用于需要同时使用 Wi-Fi 和蓝牙的设备，如智能家居、智能音箱。 - 典型芯片如 Broadcom BCM4375、Qualcomm QCA9377，AIC8800M40B **优势**: - 优化射频共存，降低干扰，提高整体通信性能。 - 适用于高吞吐量和低功耗结合的应用场景。 **典型应用**: - 智能手机、智能电视、物联网网关、车载娱乐系统。 目前 IPC 摄像机中支持蓝牙配网的设备都基本是使用这种方案。 在配网的时候使用蓝牙将路由器 ssid、 password 等信息由手机传递到设备中。 WiFi 模块在根据蓝牙接收到的 ssid、 password 去连接路由器，之后的音视频等数据都是通过 WiFi 传递到 IOT 平台或手机上。