蓝牙(BLE)应用框架接口设计和应用开发——以TI CC2541为例

Posted 2020-07-20 brave-sailor

本文从功能需求的角度分析一般蓝牙BLE单芯片的应用框架（SDK Framework）的接口设计过程，并以TI CC2541为例说明BLE的应用开发方法。

一、应用框架（Framework）

我们熟知的Framework包括Android Framework、Linux QT、Windows MFC。应用框架抽象并封装实现了一般应用场景的需求，完成应用开发的80%，剩下的20%则以回调（callback）和接口的方式供应用开发人员调用以完成具体的需求。

一般Framework完成的工作包括：任务分发、消息通信和UI等。例如以上三种框架所属的IDE都能够实现所见即所得的UI可视化编程，框架完成了UI控件的大部分工作，而开发人员只需要完成UI控件的消息处理逻辑即可，如点击了这个button后如何进行响应等。

蓝牙BLE单芯片的系统架构包括操作系统、SOC硬件抽象接口和蓝牙应用框架等组成部分，操作系统和SOC硬件抽象接口的理解请理解《如何快速理解一个全新的嵌入式操作系统》（发送55获取）和《如何快速理解一个全新的嵌入式操作系统（续）》（发送56获取）。本文只讨论蓝牙应用方面框架接口设计和应用开发。

二、 蓝牙BLE的应用需求

我们都知道BLE是为了实现连接后的通信传输和控制。BLE设计的初衷是为了完成少数据量的通信，侧重于通信控制。所以我们可以理解BLE的协议栈包括两大组成部分：一个是蓝牙连接；另一个是通信控制。前者即对应GAP（General Access Profile），后者对应GATT（General Attribute Profile）。Profile在蓝牙术语里面相应于特定的应用场景协议。

三、 蓝牙BLE的应用需求分析

我们分别对连接和通信控制进行分析。这里以蓝牙设备Peripheral角色进行分析，简单理解即是从设备。手机APP所用的蓝牙一般充当central角色，即主设备。

1.   连接

连接部分，蓝牙外设要完成的功能包括：

1）  蓝牙外设要被发现，其必须要进行广播

2）  在主设备扫描时要给出扫描响应。这时蓝牙设备还是处于广播状态。

3）  主设备发起连接时，其可以要求密码配对，而也可以选择无需密码验证。

4）  主设备发起连接过程的握手，接受连接。

5）  蓝牙外设连接成功后才会开启通信服务。

 

2.   通信控制

1）  蓝牙外设在连接后通过GATT来提供服务发现（service discover），这样主设备能够从中获取蓝牙外设提供的各种服务profile。

2）  主设备在获取蓝牙外设服务后，会对GATT profile的各种特征字（characteristics）进行读写传输控制。

3）  特征字主要包含write、read、notify和indicate等主要通信方式。对于蓝牙外设的write特征字，主设备（如手机）可以进行写操作；对于read，主设备则可以从中读取信息；write和read对于蓝牙外设来说，其属于被动控制，即蓝牙外设被动接受主控制的通信控制。而notify和indicate则是蓝牙外设主动向主设备传输数据，前提是主设备要预先订阅对应的characteristics的信息更新。Notify数据后，主设备不需要应答响应，而indicate则需要应答响应。

四、  蓝牙BLE的应用框架（framework）设计

我们之前已经分析过，framework应该完成应用开发的80%工作，即基本完成了常见的应用需求。剩下20%则是由各个具体应用的具体场景需求来决定的。例如，蓝牙底层连接时怎么握手，咱们应用开发人员不需要关心吧；GATT的characteristics value值的通信过程，我们不要关心吧。当蓝牙外设有新的数据要传输给主设备时，只需要调用notify或者indicate接口就可以了，至于底层怎么实现，那是协议栈开发人员的工作。

OK，咱们根据第三部分的需求分析来找出应用开发人员所关心的20%工作任务。换句话来说，剩下的80%工作量即是蓝牙应用框架Framework所要完成的任务。一般蓝牙单芯片都会给用户提供SDK进行开发，其里面已经实现framework了。我们应用开发人员应当重点关注这20%的任务。

 

1.   连接

1）  对于广播来说，不同的应用需要广播的信息并不一样，如ibeacon和微信airsync协议的广播数据格式要求是不一样的。所以，framework应该提供给用户一个自定义广播数据的接口。

2）  同理，framework应该提供给用户一个自定义扫描响应数据的接口。

3）  对于密码配对过程，常见的做法是framework给应用开发提供一个回调接口，当收到主设备传送过来的密码后，对这个接口进行回调，并将这个密码以参数的形式传递给这个接口，以让用户自己判断密码是否跟预设的一致。

4）  Framework应该对连接的状态进行管理，分别提供用户回调接口，在连接成功时对接口进行回调，以让用户在连接成功时做一些特定的操作，如闪灯标识、开启GATT服务等；在断开连接时也应该回调用户接口，以让用户在断开连接时做一些特定的操作。

 

2.   通信控制

我们这里还是只分析蓝牙外设Peripheral角色的framework，不探讨主设备的framework，读者可以相应进行分析。

1）framework应该明确如何用最简单的方式定义并添加一个蓝牙GATT profile服务。蓝牙BLE有自己的协议标准，一个蓝牙服务service包括一个或者多个characteristics，而每个characteristics都包含对应UUID、属性描述（如可读、可写、长度等）、属性值value、属性配置（代表订阅信息）等等。

为了简化后续的数据处理，一般framework会设置一个handle来对应一个characteristics。

2）framework提供接口给用户来对各个characteristics的属性value进行设置和获取。

3）framework提供回调接口给用户，当主设备读characteristics回调读接口，以让用户进行特定操作后再进行传输；当主设备写characteristics时回调写接口，以让用户完成相应的操作。

4）framework提供用户接口，完成主动的notify和indicate操作。

OK，以上即是蓝牙BLE单芯片普遍的framework设计需求。我们在接触一款新的BLE单芯片时，只要能够重点把握好以上这20%的编程方法，就能快速进行应用开发。

 

五、Ti CC2541应用开发

TI CC2541 SDK有一个简单的示例工程SimpleBLEPeripheral，向开发人员展现如何进行蓝牙应用开发。我们通过这个工程来理解上述框架设计和编程。

 

1.   连接

1）定义广播数据

GAPRole_SetParameter(GAPROLE_ADVERT_DATA,…);

2）自定义扫描响应数据

GAPRole_SetParameter(GAPROLE_SCAN_RSP_DATA,…);

3）密码管理回调

ProcessPasscodeCB()

4）状态管理回调

peripheralStateNotificationCB()

 

2．通信控制

      1）添加GATT服务

GATTServApp_RegisterService()

      2)读回调

           simpleProfile_ReadAttrCB()

      3)写回调

                 simpleProfile_WriteAttrCB()

     4 )属性值设置和获取    

                 SimpleProfile_SetParameter()

                 SimpleProfile_GetParameter()

    5)主动传输

                 GATT_Notification()

                 GATT_Indication()

参数可以对照具体的接口进行分析。我们在看具体的接口之前，可以思考一下，这些接口的参数应该包括什么东西，如果你能想到包括什么，恭喜你，你的应用框架设计能力已经大大提高了。