蓝牙5.0简介、nRF52832 BLE样例工程框架及main函数初始化流程简析_蓝牙5.0协议栈

蓝牙5.0基本概念

蓝牙5.0

蓝牙5.0是由蓝牙技术联盟2016年6月16日发布的最新一代蓝牙标准，蓝牙5.0针在蓝牙4.2的基础上进化而来，除了具备蓝牙4.2低功耗的特性，在性能上相对于蓝牙4.2而言：

• 4X 距离
  通过降低带宽，保持原来的功率要求的情况下，可以使传输距离提高至原来的4倍，有效传输距离可达300米。

• 2X 数据吞吐量
  蓝牙4.2标准最大突发速率为1Mb/s，而蓝牙5.0标准将速率提高到2Mb/s。可以让蓝牙设备响应更快、性能更高。

• 8X 广播数据
  蓝牙5.0标准将广播数据从传统的三个广播信道扩展到全部数据信道。广播信道增加，提高了广播传输容量，可以把更多的信息传送到其他兼容设备，而不会形成实际连接，从而加快互动速度。

不仅如此，蓝牙5.0标准针对物联网进行了很多底层优化，力求以更低的功耗和更高的性能为智能家居服务。同时蓝牙5.0标准添加了导航功能，结合wifi可以实现精度小于1米的室内定位，有利于实现室内导航功能。

在更新的蓝牙5.1协议上，加入了AoA（到达角）和 AoD（出发角）的概念，实现了测向和厘米级的定位服务。

蓝牙Mesh

蓝牙Mesh技术是一种组网方式。

2017年7月19日,蓝牙技术联盟正式宣布蓝牙技术开始全面支持Mesh网络。至此，蓝牙拥有了进军智能家居、智慧城市、楼宇自动化等物联网的资本。和zigbee实现Mesh网络的方式不同，zigbee采用路由技术，而蓝牙采用管理型网络泛洪方式，也就是广播方式。大家听到广播方式，第一感觉就是网络会非常的繁忙、效率低下、耗电，但是蓝牙Mesh采用的广播方式是可控的，设备对于信息的转发需要满足多种限定条件，提高传输效率。

蓝牙协议栈结构

蓝牙的协议栈核心规范可以在蓝牙 SIG 官方网站上下载：https://www.bluetooth.com/specifications

下面内容有部分参考博文：蓝牙5.0基础知识

蓝牙5 核心规范包含低功耗蓝牙（BLE） 和经典蓝牙（BR/EDR） 两种设备类型

蓝牙5 核心主要包含以下功能：

2MSym/s PLY层设计（2M Symbol Rate 物理层）

LE 信道选择算法

LE 安全连接

LE 数据长度扩展

LE 隐私

LE LCAP 面向连接的信道支持

LE 链路层拓扑结构

LE Ping

从机功能扩展

连接参数请求
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以上功能均在蓝牙5 协议栈实现，并且可以选择编译。

对于目前学习的52832来说，我们针对的应用都是低功耗的应用，所以下面以BLE协议框架来说明：

BLE协议栈是实现低功耗蓝牙协议的代码，下面是BLE协议栈的整体框架：

控制层（Controller）

PHY（Physical layer 物理层）

指定BLE所用的无线-频段，调制解调方式和方法，传输数据的速度，整个BLE芯片功耗、灵敏度以及selectivity 等视频指标

LL（Link Layer 链路层）

核心，具体选择哪个射频通道进行通信，怎么识别空中数据包，具体在哪个时间点把数据包发送出去，怎么保证数据完整性，ACK接收，重传，对链路的管理和控制等。
负责把数据发出去或者接收回来，对数据的解析是GAP或者ATT。

HCI（Host controller interface）

主要用于两个MCU实现BLE协议栈的场合，规范两者之间的通讯协议和命令。
HCI是可选的。

主协议层（Host）

L2CAP（logic link control and adaptation ）

L2CAP 对 LL 进行了一次简单封装，L2CAP 要区分是加密通道还是普通通道，同时还要对连接间隔进行管理。

SMP（Secure manager protocol ）

管理BLE连接的加密和安全。

ATT（Attribute protocol）

开发者接触最多的 ATT。 用来定义用户命令及命令操作的数据，比如读取某个数据，写某个数据。BLE引入了 attribute 概念，用来描述一条一条的数据。Attribute 除了定义数据，同时定义该数据可以使用的 ATT 命令。

GAP（Generic access profile）

主要用来进行广播，扫描和发起连接等。
GAP是对 LL 层 payload（有效数据包）如何进行解析的两种方式中的一种，最简单的那种。GAP简单的对 LL payload进行一些规范和定义。

GATT（Generic attribute profile）

GATT用来规范 attribute 中的数据内容，并运用 group（分组）的概念对 attribute 进行分类管理。为主从设备交互数据提供 Profile、Service、Characteristic 等概念的抽象、管理。没有GATT，BLE也能跑，但是互联互通会出问题，兼容性差。

应用层（Profiles）

包含公共任务和私有任务。
公共任务时 SIG 蓝牙协议小组定义的蓝牙任务，
私有任务时用户自定义的蓝牙任务。
开发应用者所有的任务应用就是在这个层。

蓝牙的连接

主机与从机的通讯步骤可以简单归纳为下面的步骤：
从机广播 —> 主机扫描 —> 主机发起连接 —> 连接建立 —> 数据交换

nRF52832 BLE工程结构

上面我们大概介绍了蓝牙5.0的一些基础知识，我们使用的芯片是nRF52832，最终我们的应用开发是需要在这个芯片上面，但是对于初次接触工程的朋友来说，这个工程结构还是有点复杂的，我们可以在官网下载官方的SDK，先认识一下官方 BLE 的样例工程结构，把下载好的SDK包解压，然后找到BLE的工程：

结构框架

整体的框架结构图：

1、Device

这里面是 startup.s 和system.c(Cortex-M内核，和STM32类似),一个是芯片启动文件，一个是芯片系统文件，配置处理器时钟，寄存器等参数。

文件路径如下图：

2、Application

应用程序部分，一个是main.c函数，一个是sdk_config.h配置文件，宏定义使能各种外设或者驱动，都需要在这个文件进行配置设置。

文件路径如下图：

3、Board Definition

板载的 按键和LED 定义相关, Board Definition 部分和下面的 Board Support 是可选的,可以自己编写或者直接根据自己的硬件进行修改。

文件路径如下图：

4、Board Support

板载的 按键和LED 功能设置,比如协议栈下按键唤醒,按键休眠,长按与短按等配置功能。

文件路径如下图：

5、nRF_BLE

提供一些蓝牙服务代码，比如广播的配置代码，连接参数的配置代码，GATT的配置代码，还有 peer 设备匹配管理的代码，安全参数设置等。

文件路径如下图：

6、nRF_Drivers

外设驱动，新版本的外设驱动文件，带有nrfx的表示新版驱动。

文件路径如下图：

7、nRF_Libraries

外设驱动函数代码，类似于二级驱动。
包含一些内存处理，打印，缓冲，能量管理等内容。

文件路径如下图：

8、nRF_Log

uart串口的打印输出接口

文件路径如下图：

9、nRF_Segger_RTT

jlink仿真器的打印输出接口

文件路径如下图：

10、nRF_SoftDevice

配置协议栈初始化的时候协议栈的参数设定，协议栈是不开源的，只留下了配置接口，用户可以通过这些配置接口来设置协议栈的运行状态。

文件路径如下图：

主函数简析

先上一段官方样例中的主函数部分代码：

/**@brief Function for application main entry.
 */
int main(void)
{
    bool erase_bonds;

    // Initialize.
    log_init();
    timers_init();
    buttons_leds_init(&erase_bonds);
    power_management_init();
    ble_stack_init();
    gap_params_init();
    gatt_init();
    advertising_init();
    services_init();
    conn_params_init();
    peer_manager_init();

    // Start execution.
    NRF_LOG_INFO("Template example started.");
    application_timers_start();

    advertising_start(erase_bonds);

    // Enter main loop.
    for (;;)
    {
        idle_state_handle();
    }
}
/**
 * @}
 */
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log_init()

log打印初始化

/*
#define NRF_LOG_DEFAULT_BACKENDS_INIT() nrf_log_default_backends_init()
*/
static void log_init(void)
{
    ret_code_t err_code = NRF_LOG_INIT(NULL);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    NRF_LOG_DEFAULT_BACKENDS_INIT();
}
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timers_init()

软件定时器初始化，用户可以任意设置自己需要的软件定时器 id，对于每一个新的计时器需要，可以设置不同的定时器超时溢出时间。
软甲定时器是基于RTC来实现的。

/**@brief Function for the Timer initialization.
 *
 * @details Initializes the timer module. This creates and starts application timers.
 */
static void timers_init(void)
{
    // Initialize timer module.
    ret_code_t err_code = app_timer_init();
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    // Create timers.

    /* YOUR_JOB: Create any timers to be used by the application.
                 Below is an example of how to create a timer.
                 For every new timer needed, increase the value of the macro APP_TIMER_MAX_TIMERS by
                 one.
       ret_code_t err_code;
       err_code = app_timer_create(&m_app_timer_id, APP_TIMER_MODE_REPEATED, timer_timeout_handler);
       APP_ERROR_CHECK(err_code); */
}

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buttons_leds_init(&erase_bonds)

初始化LED和按键，因为在SDK中有相关的LED和按键库，库中提供了板载初始化bsp_init()函数，利用该函数进行LED和按键的初始化，并且声明了一个按键触发事件中断bsp_event_handler。
bsp_event_handler()函数需要在主函数main.c文件中编写，可以使用按键来进行休眠，启动蓝牙广播，删除白名单等处理。

/**@brief Function for initializing buttons and leds.
 *
 * @param[out] p_erase_bonds  Will be true if the clear bonding button was pressed to wake the application up.
 */
static void buttons_leds_init(bool * p_erase_bonds)
{
    ret_code_t err_code;
    bsp_event_t startup_event;

    err_code = bsp_init(BSP_INIT_LEDS | BSP_INIT_BUTTONS, bsp_event_handler);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    err_code = bsp_btn_ble_init(NULL, &startup_event);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    *p_erase_bonds = (startup_event == BSP_EVENT_CLEAR_BONDING_DATA);
}

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bsp_event_handler()

/**@brief Function for handling events from the BSP module.
 *
 * @param[in]   event   Event generated when button is pressed.
 */
static void bsp_event_handler(bsp_event_t event)
{
    ret_code_t err_code;

    switch (event)
    {
        case BSP_EVENT_SLEEP: //进入睡眠
            sleep_mode_enter();
            break; // BSP_EVENT_SLEEP

        case BSP_EVENT_DISCONNECT:  //蓝牙断开
            err_code = sd_ble_gap_disconnect(m_conn_handle,
                                             BLE_HCI_REMOTE_USER_TERMINATED_CONNECTION);
            if (err_code != NRF_ERROR_INVALID_STATE)
            {
                APP_ERROR_CHECK(err_code);
            }
            break; // BSP_EVENT_DISCONNECT

        case BSP_EVENT_WHITELIST_OFF:   //没有白名单
            if (m_conn_handle == BLE_CONN_HANDLE_INVALID)
            {
                err_code = ble_advertising_restart_without_whitelist(&m_advertising);
                if (err_code != NRF_ERROR_INVALID_STATE)
                {
                    APP_ERROR_CHECK(err_code);
                }
            }
            break; // BSP_EVENT_KEY_0

        default:
            break;
    }
}
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power_management_init()

能源管理，实现m4内核SCB内核里低功耗管理设置的初始化。

/**@brief Function for initializing power management.
 */
static void power_management_init(void)
{
    ret_code_t err_code;
    err_code = nrf_pwr_mgmt_init();
    APP_ERROR_CHECK(err_code);
}

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ble_stack_init()

协议栈初始化，主要做下面几点工作：

1、协议栈回复使能应答（时钟初始化等）；
2、相关参数设置，初始化协议栈，完成使能；
3、注册蓝牙处理调度事件。	
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/**@brief Function for initializing the BLE stack.
 *
 * @details Initializes the SoftDevice and the BLE event interrupt.
 */
static void ble_stack_init(void)
{
    ret_code_t err_code;
		//协议栈回复使能应答,主要配置协议栈时钟
    err_code = nrf_sdh_enable_request();
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    /*
    Configure the BLE stack using the default settings.
    配置协议栈使用默认地址
    Fetch the start address of the application RAM.
    获取RAM的开始地址
    相关参数设置，初始化协议
    */
    uint32_t ram_start = 0;
    err_code = nrf_sdh_ble_default_cfg_set(APP_BLE_CONN_CFG_TAG, &ram_start);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    // Enable BLE stack. 使能协议栈
    err_code = nrf_sdh_ble_enable(&ram_start);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    // Register a handler for BLE events. 注册蓝牙处理事件
    NRF_SDH_BLE_OBSERVER(m_ble_observer, APP_BLE_OBSERVER_PRIO, ble_evt_handler, NULL);
}
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gap_params_init()

GAP（通用访问配置文件 Generic Access Profile）初始化，该配置文件保证不同的 Bluetooth 产品可以互相发现对方并建立连接。
GAP规定的是一些一般性的运行任务，它具有强制性，并作为所有其他蓝牙应用规范的基础。
GAP是多有其他配置文件的基础，它定义了再蓝牙设备间建立基带链路的通用方法。
在初始化代码中，GAP实际上只做了两件事，一是配置设配名称，二就是配置GAP的链接参数。

/**@brief Function for the GAP initialization.
 *
 * @details This function sets up all the necessary GAP (Generic Access Profile) parameters of the
 *          device including the device name, appearance, and the preferred connection parameters.
 */
static void gap_params_init(void)
{
    ret_code_t              err_code;
    ble_gap_conn_params_t   gap_conn_params;
    ble_gap_conn_sec_mode_t sec_mode;

    BLE_GAP_CONN_SEC_MODE_SET_OPEN(&sec_mode);
	//设定设备名称
    err_code = sd_ble_gap_device_name_set(&sec_mode,
                                          (const uint8_t *)DEVICE_NAME,
                                          strlen(DEVICE_NAME));
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    /* YOUR_JOB: Use an appearance value matching the application's use case.
    		添加服务的图标
       err_code = sd_ble_gap_appearance_set(BLE_APPEARANCE_);
       APP_ERROR_CHECK(err_code); */
	err_code = sd_ble_gap_appearance_set(BLE_APPEARANCE_);
	APP_ERROR_CHECK(err_code);

    memset(&gap_conn_params, 0, sizeof(gap_conn_params));
	//初始化 gap 链接间隔，从机延迟，超时时间
    gap_conn_params.min_conn_interval = MIN_CONN_INTERVAL;
    gap_conn_params.max_conn_interval = MAX_CONN_INTERVAL;
    gap_conn_params.slave_latency     = SLAVE_LATENCY;
    gap_conn_params.conn_sup_timeout  = CONN_SUP_TIMEOUT;

    err_code = sd_ble_gap_ppcp_set(&gap_conn_params);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);
}
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gatt_init()

GATT 通用属性规范（Generic Attribute profile），GATT层 是传输真正数据所在的层，包括了一个数据传输和存储框架以及基本操作。
其大部分设置是在服务中进行的，在主函数中只需要初始化数据长度这个参数。

/**@brief Function for initializing the GATT module.
ret_code_t nrf_ble_gatt_init(nrf_ble_gatt_t * p_gatt, nrf_ble_gatt_evt_handler_t evt_handler)
 */
static void gatt_init(void)
{
	//nrf_ble_gatt_init定义了gatt主机，从机的最大MTU长度，以及协商数据的长度
    ret_code_t err_code = nrf_ble_gatt_init(&m_gatt, NULL);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);
}
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advertising_init

广播初始化，其中有2个结构体，一个是 广播数据参数，一个是广播配置参数。

一个广播数据实际上最多可以携带31字节数据，它通常包含用户可读的名字、关于设备发送数据包的有关信息、用于表示此设备是否可被发现的标志等标志，下面的结构体的定义。
当主机接收到广播包后，它可能发送请求更多数据包的请求，即扫描回应，如果它被设置成主动扫描，从机设备将会发送一个扫描回应作为对主机请求的回应，扫描回应最多也可以携带31字节数据。广播扫描回应包的数据结构类型和广播包一致。

/**@brief Function for initializing the Advertising functionality.
 */
static void advertising_init(void)
{
    ret_code_t             err_code;
    ble_advertising_init_t init;

    memset(&init, 0, sizeof(init));

    init.advdata.name_type               = BLE_ADVDATA_FULL_NAME;//广播名称
    init.advdata.include_appearance      = true; //是否需要图标
    init.advdata.flags                   = BLE_GAP_ADV_FLAGS_LE_ONLY_GENERAL_DISC_MODE;//广播模式
    init.advdata.uuids_complete.uuid_cnt = sizeof(m_adv_uuids) / sizeof(m_adv_uuids[0]);//蓝牙设备模式
    init.advdata.uuids_complete.p_uuids  = m_adv_uuids;//UUID

    init.config.ble_adv_fast_enabled  = true; //广播类型
    init.config.ble_adv_fast_interval = APP_ADV_INTERVAL; //广播间隔
    init.config.ble_adv_fast_timeout  = APP_ADV_DURATION; //广播超时

    init.evt_handler = on_adv_evt;

    err_code = ble_advertising_init(&m_advertising, &init);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

	//设置广播识别号
    ble_advertising_conn_cfg_tag_set(&m_advertising, APP_BLE_CONN_CFG_TAG);
}

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services_init

建立一个服务声明，在工程中添加自己需要的蓝牙服务。
该函数给 RAM 一个空间，专门对服务进行初始化和声明。官方Demo中只是给出了一个框架，没有实例，这是用户需要自己添加的服务。

/**@brief Function for initializing services that will be used by the application.
 */
static void services_init(void)
{
    ret_code_t         err_code;
    nrf_ble_qwr_init_t qwr_init = {0};

    // Initialize Queued Write Module.
    qwr_init.error_handler = nrf_qwr_error_handler;

    err_code = nrf_ble_qwr_init(&m_qwr, &qwr_init);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    /* YOUR_JOB: Add code to initialize the services used by the application.
       ble_xxs_init_t                     xxs_init;
       ble_yys_init_t                     yys_init;

       // Initialize XXX Service.
       memset(&xxs_init, 0, sizeof(xxs_init));

       xxs_init.evt_handler                = NULL;
       xxs_init.is_xxx_notify_supported    = true;
       xxs_init.ble_xx_initial_value.level = 100;

       err_code = ble_bas_init(&m_xxs, &xxs_init);
       APP_ERROR_CHECK(err_code);

       // Initialize YYY Service.
       memset(&yys_init, 0, sizeof(yys_init));
       yys_init.evt_handler                  = on_yys_evt;
       yys_init.ble_yy_initial_value.counter = 0;

       err_code = ble_yy_service_init(&yys_init, &yy_init);
       APP_ERROR_CHECK(err_code);
     */
}
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conn_params_init

连接参数初始化，使用ble_conn_params_init初始化ble_conn_params()模块，在SDK中ble_conn_params()模块用于管理连接参数更新，它通过SoftDevice API （不开源的函数）进行处理，包括请求的时间和第一次请求被拒绝再发送一个新的请求。

/**@brief Function for initializing the Connection Parameters module.
 */
static void conn_params_init(void)
{
    ret_code_t             err_code;
    ble_conn_params_init_t cp_init;

    memset(&cp_init, 0, sizeof(cp_init));

    cp_init.p_conn_params                  = NULL;
    cp_init.first_conn_params_update_delay = FIRST_CONN_PARAMS_UPDATE_DELAY;
    cp_init.next_conn_params_update_delay  = NEXT_CONN_PARAMS_UPDATE_DELAY;
    cp_init.max_conn_params_update_count   = MAX_CONN_PARAMS_UPDATE_COUNT;
    cp_init.start_on_notify_cccd_handle    = BLE_GATT_HANDLE_INVALID;
    cp_init.disconnect_on_fail             = false;
    cp_init.evt_handler                    = on_conn_params_evt;
    cp_init.error_handler                  = conn_params_error_handler;

    err_code = ble_conn_params_init(&cp_init);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);
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peer_manager_init

配对管理初始化，主要就是配置配对绑定过程中使用的安全参数。
配对是蓝牙主从设备加密特性的可交换，并创建临时密钥。
绑定测试在配对之后交换和保存长期密钥，用于以后的连接。
为了保证低功耗蓝牙的绝大多数安全特性，蓝牙设备必须完成两件事：
1、互相配对；
2、连接一旦加密，设备必须分配用于加密并对消息进行验证的密钥。只要密钥被保存，设备就处于绑定态。

/**@brief Function for the Peer Manager initialization.
 */
static void peer_manager_init(void)
{
    ble_gap_sec_params_t sec_param;
    ret_code_t           err_code;

    err_code = pm_init();
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    memset(&sec_param, 0, sizeof(ble_gap_sec_params_t));

    // Security parameters to be used for all security procedures.安全参数
    sec_param.bond           = SEC_PARAM_BOND;
    sec_param.mitm           = SEC_PARAM_MITM;
    sec_param.lesc           = SEC_PARAM_LESC;
    sec_param.keypress       = SEC_PARAM_KEYPRESS;
    sec_param.io_caps        = SEC_PARAM_IO_CAPABILITIES;
    sec_param.oob            = SEC_PARAM_OOB;
    sec_param.min_key_size   = SEC_PARAM_MIN_KEY_SIZE;
    sec_param.max_key_size   = SEC_PARAM_MAX_KEY_SIZE;
    sec_param.kdist_own.enc  = 1;
    sec_param.kdist_own.id   = 1;
    sec_param.kdist_peer.enc = 1;
    sec_param.kdist_peer.id  = 1;

    err_code = pm_sec_params_set(&sec_param);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);

    err_code = pm_register(pm_evt_handler);
    APP_ERROR_CHECK(err_code);
}
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advertising_start(erase_bonds)

开始广播。首先剔除绑定设备，保证设备能够被重新连接。然后启动广播为快速广播。

/**@brief Function for starting advertising.
 */
static void advertising_start(bool erase_bonds)
{
    if (erase_bonds == true)
    {
        delete_bonds();
        // Advertising is started by PM_EVT_PEERS_DELETED_SUCEEDED event 去除绑定
    }
    else
    {
        ret_code_t err_code = ble_advertising_start(&m_advertising, BLE_ADV_MODE_FAST);

        APP_ERROR_CHECK(err_code);
    }
}
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idle_state_handle()

在循环中调用了idle_state_handle()，可以使设备处于待机（system on） 状态。
该函数调用了nrf_pwr_mgmt_run()函数，这个函数中又使用了SDK提供的一个协议栈函数sd_app_evt_wait()模块，用于管理电源。

/**@brief Function for handling the idle state (main loop).
 *
 * @details If there is no pending log operation, then sleep until next the next event occurs.
 */
static void idle_state_handle(void)
{
    if (NRF_LOG_PROCESS() == false)
    {
        nrf_pwr_mgmt_run();
    }
}
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工程烧录

nRF系列烧录协议栈和应用程序部分需要分开烧录，应用程序烧录和裸机一样使用 keilC 直接烧录，协议栈烧录使用Nordic官方提供的 nrfgostudio 工具：官方下载地址

根据自己的系统安装对应的版本，安装过程这里就不多介绍了，傻瓜式安装。

但是注意，软件安装完以后会自动安装Jlink驱动，即便你电脑上本来有Jlink驱动，也还是让软件继续安装，不要去掉，要不然容易出问题，识别不了设备

1、协议栈烧录

协议栈官方给我们提供好了hex，nRF52832使用的协议栈路径如下：

打开安装好的nrfgostudio 工具，按照下图所示进行操作：

2、应用程序烧录

应用程序直接通过Keil 打开官方Demo，路径在上面我们讲解工程结构的最开始有截图，直接下载。

在此期间我遇到过一个问题，就是 Jlink提示错误信息read：@0x02000004

我也是在网上查找到解决办法，这里给出原文地址：解决方法：调试NRF52832工程时JLink提示错误信息read：@0x02000004

最后连接测试结果：