解析经典蓝牙设备连接过程

随着越来越多的经典蓝牙设备应用在我们的生活和工作中，该类设备的使用场景和相关设计也更加丰富。与此同时，泰凌微电子作为蓝牙芯片的源头厂商，在经典蓝牙SoC性能提升及方案设计的产出也日新月异；在实际应用中，蓝牙设备发现、连接、断开等使用场景较为常见，其中设备连接是至关重要的一环，它涵盖了设备之间建立连接的整个过程。本文将对经典蓝牙设备连接过程进行解析，带大家一起了解连接的整个过程。

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什么是设备连接？

什么设备连接？例如，我们在日常使用手机去连接其它如蓝牙耳机等蓝牙设备时，搜索到所需的设备后，点击该设备就会触发设备连接过程，也叫寻呼（Page）。而相应的蓝牙设备也需要进入被寻呼模式，也就是连接扫描（Page Scan），只有这样才会被手机等设备连接成功。如下图，点击Telink-Test设备即开始了连接过程。

图1. 手机上搜索到Telink-Test设备

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设备连接的流程 

图2. 蓝牙规范中的设备状态

首先，如上图Page和Page Scan为蓝牙的两个子状态，其中Page为我们通常认为的连接（寻呼）；在设备发现之后，该子状态能以Master的角色进行连接/操作对应的Slave。设备，连接时依赖于发现过程中获取到的对端设备地址；而Page Scan子状态是和Page相对应的，即等待将被Page的Slave设备所处的状态。设备处于Page Scan的状态是其可被连接的前提。

开启Page时，Master(即Page设备)使用Slave（即Page Scan设备）的设备地址(BT_ADDR)及其CLOCK时钟作为算法参数生成跳频序列(paging –hopping  sequence)，该序列是一个定义明确的周期序列，其各个频点均匀分布在2.4G的79个频率信道上。基于跳频序列，Master每隔312.5us会更新一个新的频率信道以发送ID包；而Slave则每隔1.28s更新一次监听频率信道，以便在较短时间内接收到来自Master的ID包。

下面以一块泰凌微电子B91开发板为例，简述设备连接过程。

图3. B91开发板

首先，给开发板烧录提前编译好的测试固件，然后用手机去搜索并连接对应的蓝牙设备，用蓝牙抓包器抓取空中包，通过抓包内容我们可以对应蓝牙协议解析如下内容：

图4. 蓝牙规范中的连接步骤

图5. 蓝牙规范中的连接时序图

图6. 空中包连接时序图

Step1：当Master处于Page子状态，Slave处于Page Scan子状态，Master发送page message 即ID包；

Step2：当Slave接收到page message后，会进入slave response状态，Slave会发送response（接收到page message以后625us），Slave发送response后，会开始监听来自Master的FHS数据包；

Step3：当Master接收到response以后，Master会进入master response状态，Master会发送FHS数据包（包含了Master的时钟、地址、COD等信息）；完成后，Master会监听来自Slave的response；

Step4：Slave接收到来自master的FHS数据包，Slave会回复一个response通知Master接收到了FHS数据包。

Step5：Slave进入CONNECTION状态，Master接收到Slave的response后也会进入CONNECTION状态，然后Master发送一个POLL数据包。

Step6：Slave接收到POLL数据包后，可能回复任何类型的数据包。

以上6步完成后，标志整个的连接过程已经成功并结束，后续会进行链路管理阶段。

图7. FHS包内容

如果远端设备即Slave端在设置的超时时间内（对应参数Page_Timeout）没有返回Page Response时，则Master会触发Page Timeout事件，即连接失败。

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设备连接对应的HCI指令

经典蓝牙连接过程中涉及到的HCI指令及相关参数如下：

3.1

HCI_Create_Connection

3.2

HCI_Read_Page_Timeout

该指令用于读取当前的Page_Timeout 参数；

3.3

HCI_Write_Page_Timeout

该指令用于设置Page_Timeout 参数；

3.4

HCI_Read_Page_Scan_Activity

该指令用于读取Page Scan过程的状态等相关参数；

3.5

HCI_Write_Inquiry_Scan_Activity

该指令用于设置Page Scan的状态等相关参数；

3.6

参数 Page_Timeout

3.7

参数 Page_Scan_Interval

3.8

参数 Page_Scan_Window

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综述

设备连接是整个蓝牙技术不可或缺的一部分。该部分的设计会根据产品需求调整Page Scan interval、Page Scan window、Page Scan Type等相关参数以均衡连接速度、功耗、带宽等方面。目前泰凌微电子的TLSR951x和TLSR952x两个系列SoC芯片均支持经典蓝牙技术，其基于自研的蓝牙协议栈，得益于芯片本身具备的超低功耗工作模式，实现了带低功耗的Page和Page Scan模式；同时兼具BT与BLE双模共存，多路BT共存等多种方案，其涵盖了同一设备电话、音乐下的设备连接，多路同时连接等较为复杂的场景设计，为复杂多样的客户产品需求提供了有力支撑。

 

        审核编辑：彭菁