蓝牙nRF52832开发板

1 概念

蓝牙芯片：系统级芯片（System on chip）是一种集成多功能模块到单一芯片的集成电路。蓝牙芯片就是一种系统级芯片，蓝牙芯片集成MCU（MicroControlUnit，微型控制单元）和RF（RadioFrequence，射频）两个功能，其中MCU负责蓝牙协议栈处理，RF负责无线数据收发。

Nordic：蓝牙系统级芯片生产公司。

nRF52832：Nordic公司生产的系统级芯片型号，参数如下表所示：

TWI/I2C：两线串行接口，一根SCL，一根SDA，半双工通信；

SPI：同步串行总线，SDI（输入）、SDO（输出）、SCK（串行移位时钟）、CS（信号）；

UART：串口，RX（接收）、TX（发送）和GND；

I2S：将两路音频信号变成单一的数据队列，比PCM更适合于立体声系统；

PDM：脉冲密度调制；

PWM：脉冲宽度调制；

ADC：模拟数字转换器；

Comparator：比较器，接受两路模拟信号输入，比较输入产生一路二进制输出信号；

Packages：封装方式。

BLE协议栈：实现低功耗蓝牙协议的代码，分为控制层、主协议层、应用层。

应用层：包括公有服务和私有服务等；

协议层：包括GAP、GATT、L2CAP、SMP、ATT等；

控制层：包括主机控制器HCI、链路层LL、物理层PHY等。

通用访问规范GAP：定义了蓝牙设备的广播、连接、发现和身份识别等基本行为的协议，主要功能包括：广播和扫描、连接和断开、安全性和身份识别；

通用属性配置文件GATT：定义设备之间数据通信的协议框架，主要包括服务、特性及描述符的定义，设备之间通过这些属性的读取和写入来交换数据。

服务配置列表：包含一个或多个服务的文件。

服务：蓝牙BLE中组织数据传输和接收的最小单位，包含一个或多个特性。

特性：包括特性参数和GATT属性；特性参数包括空中属性（写；没有回应的写；读；通知；指示）和描述符；GATT属性包括一个128位的UUID、属性参数和属性特征值。

服务UUID与特性UUID：用于标识一个服务/特性的唯一标识符，128位，通常表示为十六进制字符串。在 GATT 协议中，通过使用服务 UUID 和特性 UUID，蓝牙设备可以组织和交换数据。中央设备（如智能手机）可以通过读取和写入特性来与外围设备（如传感器）进行通信。这种基于 UUID 的标识机制确保了设备之间的互操作性。

MAC地址（Media Access Control Address）：媒体存取控制位地址，蓝牙BLE的MAC地址可分为两种，分别为Public Device Address（公共设备地址）和Random Device Address（随机设备地址）。公共设备地址由企业向IEEE购买以保证唯一性；设置随机设备地址：静态设备地址11开头、不可解析私有地址00开头、可解析私有地址。

DFU（Device Firmware Update）：设备固件升级，可以通过无线方式（OTA），重新烧录app到蓝牙芯片中，也可以通过有线方式（UART、USB及SPI）。

SWD（Serial Wire Debug）：一种用于在嵌入式系统中进行调试和编程的通信接口。它是一种串行单线调试接口，用于连接调试工具（如调试器）与目标芯片，以进行调试、烧录和监控操作。

2 开发软件

keil MDK：C语言编写微控制器系统的软件。

nRFgo Studio：由 Nordic Semiconductor 开发的集成开发环境（IDE），配置和管理Nordic Semiconductor芯片相关的参数，可将程序烧录至芯片。

nRFconnect：由 Nordic Semiconductor 开发的一组工具和应用程序，用于开发、测试和调试基于 Nordic Semiconductor 射频（RF）芯片的无线应用。Program模块可烧录程序至芯片。

3 开发硬件

JLink：将在keil mdk等软件上编写的程序烧录至ARM、Cortex等芯片上的硬件。

nRF52832：Nordic公司生产的蓝牙芯片型号。

蓝牙芯片pinout通过杜邦线连接JLink仿真器，JLink仿真器通过USB连接电脑，安装驱动，重启电脑，打开Keil、nRFStudio和nRFconnect软件可连接并识别到设备。

4 硬件连接

4.1 实物连接方式（一）

如上图所示，传感器因电阻变化引起电压变化，通过数模转化器（HX711模块）将模拟信号转为数字信号，并通过（GND、VCC、RX和TX，即接地、电压、接收端和发送端）4个引脚将数据传输给蓝牙模块（HC-08）。该图中所用蓝牙芯片为TI厂家。

4.2 实物连接方式（二）

如上图所示，JLink仿真器通过USB连接至电脑，通过杜邦线连接至蓝牙芯片的程序烧录端口（对应蓝牙芯片的25、26号引脚），蓝牙芯片（7、8、9、10号引脚）通过CH340芯片（串口转USB）串口转为USB，再通过USB线连接电脑端串口小程序。

电脑端通过软件Keil将蓝牙程序烧录至蓝牙芯片，手机连接蓝牙后，可以发送指令让蓝牙芯片问串口要数据。

4.3 逻辑连接方式

上图所示为nordic 厂家的nRF52832型号的蓝牙芯片引脚图。

 上图所示为SWD接口及传感器与蓝牙芯片引脚对应图。

  上图所示为串口与蓝牙芯片引脚对应图。

5 程序从机设计

5.1 总体流程

连接流程：从机广播-》主机扫描-》发起连接-》连接建立-》数据交换。

蓝牙BLE基础工程搭建流程：打印输出LOG实现；板级设备初始化；内存管理初始化；协议栈初始化；GAP与GATT初始化；广播初始化；服务初始化；连接参数初始化。

5.2 协议栈初始化

该部分主要功能为使蓝牙能用。主要配置内容包括：时钟设置（内部RC时钟、外部晶振时钟、合成时钟）、广播事件、主从机设置、MTU、Gatt服务特性、注册蓝牙事件等。

外部晶振时钟：对电流消耗最低；

内部RC时钟：多消耗电流，节省成本；

内部高速时钟合成：消耗电流最多。

5.3 GAP设置

该部分主要功能为使蓝牙被发现和连接。主要配置内容包括：设备名称设置；连接参数设置（最小/最大连接间隔；从机延迟；连接超时监督时间）等。

5.4 添加服务

1）加入服务配置文件

创建services文件夹->引用官方xxx.c文件->在options for taret的C++中添加路径->在main.c文件中声明xxx.h文件，并声明xxx.h中的观察者函数名称

2）修改sdk_config.h服务配置

修改sdk_config.h文件中的NRF_SDH_BLE_VS_UUID_COUNT的数量，（因为该xx.c服务为官方提供服务）在配置文件中将BLE_LBS_C_ENABLED-ble_lbs_c-NordicLEDButtonServiceClient勾上

3）添加服务

main.c文件中services_init()方法调用xxx.c文件中声明的xxx_init()服务初始化函数，该函数的2个入参分别是该函数的观察者函数和初始化函数，在这个函数中调用sd_ble_gatts_service_add()来添加主服务

// Add Main Service
    err_code = sd_ble_gatts_service_add(BLE_GATTS_SRVC_TYPE_PRIMARY, &ble_uuid, &p_lbs->service_handle);

第一个参数：服务类型为主服务

第二个参数：用于服务的基础UUID

ble_uuid128_t base_uuid = {LBS_UUID_BASE};
    err_code = sd_ble_uuid_vs_add(&base_uuid, &p_lbs->uuid_type);
    VERIFY_SUCCESS(err_code);
 
    ble_uuid.type = p_lbs->uuid_type;
    ble_uuid.uuid = LBS_UUID_SERVICE;

第三个参数：唯一的服务句柄，作为服务的回调

4）添加特性

如果该服务不是SIG定义的服务，那么就需要自己根据GATT框架定义服务的特性。

	// Add HT characteristic
    memset(&add_char_params, 0, sizeof(add_char_params));
		// GATT
    add_char_params.uuid              = LBS_UUID_HT_CHAR; //
    add_char_params.uuid_type         = p_lbs->uuid_type;
    add_char_params.init_len          = 2;
    add_char_params.max_len           = 2;
		// characteristic
    add_char_params.char_props.read   = 1;
		add_char_params.char_props.write  = 1;
    add_char_params.char_props.notify = 1;
 
    add_char_params.read_access       = SEC_OPEN;
		add_char_params.write_access = SEC_OPEN;
    add_char_params.cccd_write_access = SEC_OPEN;
 
    err_code = characteristic_add(p_lbs->service_handle,
                                  &add_char_params,
                                  &p_lbs->ht_char_handles);
    if (err_code != NRF_SUCCESS)
    {
        return err_code;
    } 	

5.5 广播设置

该部分主要功能为广播发包及回包内容设置。主要配置内容包括：设备全称类型、图标、服务UUID、广播模式设置等。

 广播初始配置结构体：

typedef struct
{
    ble_advdata_t           advdata;       /**< Advertising data: name, appearance, discovery flags, and more. ¹ã²¥°ü*/
    ble_advdata_t           srdata;        /**< Scan response data: Supplement to advertising data. »Ø°ü*/
    ble_adv_modes_config_t  config;        /**< Select which advertising modes and intervals will be utilized.*/
    ble_adv_evt_handler_t   evt_handler;   /**< Event handler that will be called upon advertising events. */
    ble_adv_error_handler_t error_handler; /**< Error handler that will propogate internal errors to the main applications. */
} ble_advertising_init_t;

广播发包和回收包结构体：

typedef struct
{
    ble_advdata_name_type_t      name_type;                           /**< Type of device name. */
    uint8_t                      short_name_len;                      /**< Length of short device name (if short type is specified). */
    bool                         include_appearance;                  /**< Determines if Appearance shall be included. */
    uint8_t                      flags;                               /**< Advertising data Flags field. */
    int8_t *                     p_tx_power_level;                    /**< TX Power Level field. */
    ble_advdata_uuid_list_t      uuids_more_available;                /**< List of UUIDs in the 'More Available' list. */
    ble_advdata_uuid_list_t      uuids_complete;                      /**< List of UUIDs in the 'Complete' list. */
    ble_advdata_uuid_list_t      uuids_solicited;                     /**< List of solicited UUIDs. */
    ble_advdata_conn_int_t *     p_slave_conn_int;                    /**< Slave Connection Interval Range. */
    ble_advdata_manuf_data_t *   p_manuf_specific_data;               /**< Manufacturer specific data. */
    ble_advdata_service_data_t * p_service_data_array;                /**< Array of Service data structures. */
    uint8_t                      service_data_count;                  /**< Number of Service data structures. */
    bool                         include_ble_device_addr;             /**< Determines if LE Bluetooth Device Address shall be included. */
    ble_advdata_le_role_t        le_role;                             /**< LE Role field. Included when different from @ref BLE_ADVDATA_ROLE_NOT_PRESENT. @warning This field can be used only for NFC. For BLE advertising, set it to NULL. */
    ble_advdata_tk_value_t *     p_tk_value;                          /**< Security Manager TK value field. Included when different from NULL. @warning This field can be used only for NFC. For BLE advertising, set it to NULL.*/
    uint8_t *                    p_sec_mgr_oob_flags;                 /**< Security Manager Out Of Band Flags field. Included when different from NULL. @warning This field can be used only for NFC. For BLE advertising, set it to NULL.*/
    ble_gap_lesc_oob_data_t *    p_lesc_data;                         /**< LE Secure Connections OOB data. Included when different from NULL. @warning This field can be used only for NFC. For BLE advertising, set it to NULL.*/
} ble_advdata_t;

广播模式配置结构体：

typedef struct
{
    bool     ble_adv_on_disconnect_disabled;     /**< Enable or disable automatic return to advertising upon disconnecting.*/
    bool     ble_adv_whitelist_enabled;          /**< Enable or disable use of the whitelist. */
    bool     ble_adv_directed_high_duty_enabled; /**< Enable or disable high duty direct advertising mode. Can not be used together with extended advertising. */
    bool     ble_adv_directed_enabled;           /**< Enable or disable direct advertising mode. */
    bool     ble_adv_fast_enabled;               /**< Enable or disable fast advertising mode. */
    bool     ble_adv_slow_enabled;               /**< Enable or disable slow advertising mode. */
    uint32_t ble_adv_directed_interval;          /**< Advertising interval for directed advertising. */
    uint32_t ble_adv_directed_timeout;           /**< Time-out (number of tries) for direct advertising. */
    uint32_t ble_adv_fast_interval;              /**< Advertising interval for fast advertising. */
    uint32_t ble_adv_fast_timeout;               /**< Time-out (in units of 10ms) for fast advertising. */
    uint32_t ble_adv_slow_interval;              /**< Advertising interval for slow advertising. */
    uint32_t ble_adv_slow_timeout;               /**< Time-out (in units of 10ms) for slow advertising. */
    bool     ble_adv_extended_enabled;           /**< Enable or disable extended advertising. */
    uint32_t ble_adv_secondary_phy;              /**< PHY for the secondary (extended) advertising @ref BLE_GAP_PHYS (BLE_GAP_PHY_1MBPS, BLE_GAP_PHY_2MBPS or BLE_GAP_PHY_CODED). */
    uint32_t ble_adv_primary_phy;                /**< PHY for the primary advertising. @ref BLE_GAP_PHYS (BLE_GAP_PHY_1MBPS, BLE_GAP_PHY_2MBPS or BLE_GAP_PHY_CODED). */
} ble_adv_modes_config_t;

入口文件中定义广播观察函数，连接发生变化后调用：

BLE_ADVERTISING_DEF(m_advertising);    
 
 
#define BLE_ADVERTISING_DEF(_name)                                                                  
static ble_advertising_t _name;                                                                    
NRF_SDH_BLE_OBSERVER(_name ## _ble_obs,                                                             
                     BLE_ADV_BLE_OBSERVER_PRIO,                                                     
                     ble_advertising_on_ble_evt, &_name)
 
void ble_advertising_on_ble_evt(ble_evt_t const * p_ble_evt, void * p_context)
{
    ble_advertising_t * p_advertising = (ble_advertising_t *)p_context;
 
    switch (p_ble_evt->header.evt_id)
    {
        case BLE_GAP_EVT_CONNECTED:
            on_connected(p_advertising, p_ble_evt);
            break;
 
        // Upon disconnection, whitelist will be activated and direct advertising is started.
        case BLE_GAP_EVT_DISCONNECTED:
            on_disconnected(p_advertising, p_ble_evt);
            break;
 
        // 广播超时后，开始下一个广播模式
        case BLE_GAP_EVT_ADV_SET_TERMINATED:
            on_terminated(p_advertising, p_ble_evt);
            break;
 
        default:
            break;
    }
}
 
static void on_terminated(ble_advertising_t * const p_advertising, ble_evt_t const * p_ble_evt)
{
    ret_code_t ret;
 
    if (p_ble_evt->header.evt_id != BLE_GAP_EVT_ADV_SET_TERMINATED)
    {
        // Nothing to do.
        return;
    }
 
    if (  p_ble_evt->evt.gap_evt.params.adv_set_terminated.reason == BLE_GAP_EVT_ADV_SET_TERMINATED_REASON_TIMEOUT//¹ã²¥³¬Ê±
        ||p_ble_evt->evt.gap_evt.params.adv_set_terminated.reason == BLE_GAP_EVT_ADV_SET_TERMINATED_REASON_LIMIT_REACHED)´ïµ½ÏÞÖƵĹ㲥ʼþ
    {
        //开始广播下一个广播模式
        ret = ble_advertising_start(p_advertising, adv_mode_next_get(p_advertising->adv_mode_current));
 
        if ((ret != NRF_SUCCESS) && (p_advertising->error_handler != NULL))
        {
            p_advertising->error_handler(ret);
        }
    }
}

5.6 启动广播

advertising_start(erase_bonds)：启动广播；

ret = set_adv_mode_fast(p_advertising, &p_advertising->adv_params):设置为快速广播;

主函数BLE_ADVERTISING_DEF(m_advertising)：广播观察函数，设置时间内未连接切换为慢速广播，最终切换为无效广播，设备进入休眠状态。

5.7 数据传输

采用观察者模型，即事先在main.c文件中定义监听函数，一旦收到主机消息即可调用：

NRF_SDH_BLE_OBSERVER(_name ## _obs,=BLE_LBS_BLE_OBSERVER_PRIO,ble_lbs_on_ble_evt, &_name)

服务建立后，主机通过服务中的写属性写一个数据给从机，从机接收到数据后，从协议栈上产生一个BLE_GATTS_EVT_WRITE事件，此时可调度服务处理事件。调度事件派发函数ble_lbs_on_ble_evt，该函数使用简单的switch-case语句通过回调事件头部的id区分不同的事件，并进行不同的处理。

（1）主从机通信方式

1）串口通道AT指令：将蓝牙设置为串口，通过串口协议进行通信，暂未调研。

2）私有任务通道：通过配置的服务和特性进行数据传输，即5.4节服务配置。

（2）从机获取数据方式

1）传感器数据通信

通过引脚直接获取数据，按照官方文件修改。

2）蓝牙串口通信

串口：串行通讯端口，9针或25针。

CH340T：USB转串口的硬件板。从机上配置CH340T可将串口转为USB接口。

 传感器主推数据，蓝牙从缓存中获取数据app_uart_get()，app_uart_fifo.c库文件

static void uart_loopback_test()
{
 
  while (true)
    {
        uint8_t cr;
        while(app_uart_get(&cr) != NRF_SUCCESS);
        while(app_uart_put(cr) != NRF_SUCCESS);
 
        if (cr == 'q' || cr == 'Q')
        {
            printf(" \n\rExit!\n\r");
 
            while (true)
            {
                // Do nothing.
            }
        }
    }
 
}

3）Flash存储

可从存储器中获取数据，暂未调研。

1）fstorage；

2）fds。