BlueGiga BLE112蓝牙低能耗模块的使用入门

Lashley_Wang · 2023 年8 月 15 日 02:41

2021 年 3 月 9 日更新信息： Silicon Labs（芯科实验室）表示：“自2011年推出以来，Bluegiga Legacy蓝牙低能耗（BLE）模块在市场上广受欢迎，至今仍在大量生产中。然而，对于新的蓝牙5设计，我们建议使用基于EFR32BG SoCs的最新BGM13蓝牙模块和BGX13蓝牙模块。”

目标

本文说明了如何设置Silicon Labs BLE112蓝牙低能耗模块，从而通过UART与单片机进行通信。

快速链接

购买链接

Silicon Labs（芯科实验室）BLE112蓝牙低能耗模块
德州仪器CC-Debugger——用于更新BLE112上的固件。
Silicon Labs（芯科实验室）BLE112开发套件——可用于评估的目的；用户可以直接使用BLE112，而无需手动拆开引脚，其中还包含许多其他的板上器件。

参考文档

BLE112文档和软件——提供了许多有用的资源，有助于使用BLE112模块，包括本教程中使用的SDK和BGLib API的参考指南。
Silicon Lab（芯科实验室）的蓝牙智能BLE112的论坛搜索结果——包括很多与BLE112入门和使用相关的信息。
BLE112规格书

下载

BLE112分线板布局——压缩文件包含制作我们为BLE112创建的分线板所需的文件。

简介

（取自BlueGiga BLE112产品信息页）BLE112是一款适用于低能耗传感器和配件的蓝牙智能模块。它集成了蓝牙智能应用所需的全部功能，包括蓝牙无线电、软件堆栈和基于GATT的配置文件。BLE112蓝牙智能模块还可以托管终端用户应用，这意味着在大小或价格受限的器件中不需要再使用外部单片机。此外，它具有灵活的硬件接口，可连接到不同的外设和传感器，并可以直接通过标准3V纽扣电池或一对AAA电池供电。在最低功耗睡眠模式下，其消耗量仅为500 nA，并可以在几百微秒内唤醒。

本教程将讨论如何使用BGAPI（已预装在BLE112上）和BGLib（由BlueGiga提供的C库，用于通过外部器件（如单片机）与BLE112连接）在单片机和BLE112模块之间建立通信。BGLib包含与BLE112连接交互所需的大部分代码；要将库与单片机配合使用，你只需编写一个发送函数和一个接收函数，告诉BGLib如何使用单片机上的UART或USB外设与BLE112进行通信。在本文中，我们将重点讨论如何使用单片机的UART外设与模块通信。为了更好地了解BLE112和BGLib的工作原理，或者如果你在阅读教程的过程中需要了解有关BLE112或BGLib的某些内容的详细说明，建议查看“参考文献”下方的链接。你需要在BlueGiga的网站上注册一个免费帐户才能访问其中的一些资料，这些资料非常有用，可以帮助你了解如何使用BLE112工作。

教程

下面我们将详细介绍首次启动并运行BLE112时应如何操作。

设置硬件接口

断开引脚

要开始与BLE112通信，我们首先需要分拆引脚，以便用导线和面包板将它们连接起来。为此，我们制作了一个用于焊接模块的载板。如果你没有制作载板的工具，则只需将电线焊接到连接头上即可（参见下面的接线图，了解我们将使用哪些引脚）。Bluegiga BLE112开发套件还支持访问BLE112模块上的引脚。如果你想自己构建分线板，可以参考规格书第17页上的焊盘图形；下图展示的是我们制作分线板时使用的相同引脚图：

你可以在上面的“快速链接”部分找到制作此板的相关文件。

更新固件

将引脚分拆好后，我们需要更新器件的固件，因为经过编程以通过UART进行通信的引脚取决于BLE112的固件。许多（但并非所有）BLE112模块都预装有BlueGiga的“UARTDemo”示例的固件。你可以点击此处，查看相关示例和BGLib的C代码（位于“Software → Bluetooth Low Energy Software and SDK”下）。为了在器件上更新固件，你可能需要使用TI的CC-Debugger；当与BlueGiga的BleUpdate程序配合使用时（该程序包含在上述SDK中），可以非常轻松地更新该器件的固件。对于本教程，我们将使用与“UARTDemo”示例相同的引脚设置，因为此硬件布局（包含在hardware.xml文件中）适用于大多数使用UART与BLE112进行通信的项目。以下是包含在“UARTDemo”示例中的hardware.xml文件，供你参考：

‘UARTDemo’ hardware.xml

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
<hardware>
    <sleeposc enable="true" ppm="30" />
    <usb enable="false" endpoint="none" />
    <txpower power="15" bias="5" />
    <usart channel="1" alternate="1" baud="57600"  endpoint="api" />
    <wakeup_pin enable="true" port="0" pin="0" />
    <port index="0" tristatemask="0" pull="down" />
    <pmux regulator_pin="7" />
</hardware>

正如上面的xml中所示，UART通道1已启用（具体来说是通道1、备用1）。在规格书中（截屏如下），

03_00

我们可以看到，P0_4被设置为Tx，而P0_5则设置为Rx。BLE112的默认通信模式已开启流控制，这就是要使用RT（RTS-准备发送）和CT（CTS-清除发送）引脚的地方。然而，许多UART外设都不具有流控制。幸运的是，BLE112包含了一种称为“数据包模式”的功能，它可以禁用流控制，并要求你指定要发送到BLE112模块的数据包的大小。本教程将使用数据包模式，因此我们需要修改hardware.xml文件，特别是以“usart channel”开头的行，如下所示：

hardware.xml 修改

<usart channel="1" alternate="1" baud="57600" endpoint="api" mode="packet" flow="false" />

此操作将关闭流控制，并将模式设置为数据包模式。现在，在定义发送数据的函数时，我们需要先发送数据包中包含的字节数（利用BGLib可以轻松实现；我们将在教程的软件部分中进行更加深入的介绍）。为了将hardware.xml的修改发送到BLE112，我们需要使用CC-debugger和BleUpdate。

给模块接线

固件更新后，我们可以将单片机的UART Rx引脚连接到BLE112的UART Tx引脚，并将MCU的Tx引脚连接到BLE112的Rx引脚。UART通信要求在空闲时保持数据线的高电平状态，因此我们还应在每条线上加入10K上拉电阻（如下所示）。根据规格书，我们可以发现重置引脚为低电平有效。如果你希望以此方式重置器件，可以使用单片机上的GPIO引脚来控制此引脚。由于BLE112也可以通过软件命令进行重置，因此在本教程中，我们只会将重置引脚连接到电源上。在hardware.xml文件中，我们还可以看到P0_0引脚被设置为唤醒引脚。为了避免BLE112在我们尝试与之通信时进入睡眠状态，我们还应将此引脚连接到电源上。你可能需要将某些引脚接地或连接3.3V电源以避免漏电流，但为了简单起见，我们未在本教程中这样做（如需了解更多信息，请参见规格书）。完整的引脚连接图如下所示：

设置软件接口

将BGLib连接到UART

要开始设置软件接口，首先需要在我们的项目代码中包含BGLib C库（可在SDK中找到）。其中有四个必要文件：“commands.c”、“cmd_def.c”、“cmd_def.h”和“apitypes.h”。它们几乎包含了与BLE112通信所需的所有内容（软件方面）。不过，由于这些库已设置为适用于任何带有UART或USB接口的单片机，我们需要告知库如何与特定的单片机的UART外设进行通信。我们需要使用两个函数：一个用于告知库如何通过UART发送数据，另一个用于告知库如何通过UART（或USB，但本教程将重点介绍UART通信）读取数据。

发送函数

对于发送/输出函数，需要一个指向你编写的发送函数的函数指针。它在‘cmd_def.c’中被定义为：

发送函数指针

void (*bglib_output)(uint8 len1,uint8* data1,uint16 len2,uint8* data2) = 0;

因此，我们需要将发送函数定义为具有相同的参数和返回类型。下面是该函数可能包含的一些基本伪代码：

发送函数伪代码

void output (uint8 len1, uint8* data1, uint16 len2, uint8* data2)
    //since we are using packet mode, we need to begin every packet with the size of the packet
    send character(len1 + len2)
  
    //send bluetooth message header
    for i = 0 to len1
        send character(data1[i])
  
    //send bluetooth message payload
    for i = 0 to len2
        send character(data2[i])

以下是针对TI Tiva TM4C123GH6PM单片机编写的发送函数示例，它支持通过其UART 5外设与蓝牙模块进行通信：

UART 发送函数示例

//this is the callback function which tells the BLE API how to
//send messages via the 123G's UART peripheral library. The messages
//are sent over UART 5
void SendBTMessage(uint8 len1,uint8* data1,uint16 len2,uint8* data2)
{
    //this line assumes the BLE module is in packet mode, meaning the
    //length of the packet must be specified immediately before sending
    //the packet; this line does that
    UARTCharPut(UART5_BASE, len1 + len2);
     
    //this loop sends the header of the BLE message
    for(int i = 0; i < len1; i++)
    {
        UARTCharPut(UART5_BASE, data1[i]);
    }
     
    //this loop sends the payload of the BLE message
    for(int i = 0; i < len2; i++)
    {
        UARTCharPut(UART5_BASE, data2[i]);
    }
     
    //wait until UART is finished sending before continuing
    while(UARTBusy(UART5_BASE));
}

输出函数编写完毕后，就需要在‘cmd_def.h’中将函数指针指向该函数。使用以上示例，C代码如下所示：

指向函数指针

bglib_output = &SendBTMessage;

现在，BGLib已经知道如何通过单片机的UART外设向蓝牙模组发送数据了。

读取函数

现在，我们需要告知它如何通过UART从BLE112读取数据。由于该函数会在UART上接收到数据时被调用，因此无需为此函数设置函数指针。相反，你很可能需要设置每当接收到数据时触发的中断，并使用接收/输入/读取函数作为中断处理程序。该函数比发送函数稍微复杂一些，因为我们希望使用由BGLib定义的结构来利用该函数具备的功能。以下是我们需要使用的结构（可在‘cmd_def.h’中找到）：

BGLib 消息和头结构

typedef void (*ble_cmd_handler)(const void*);
  
struct ble_header
{
    uint8  type_hilen;
    uint8  lolen;
    uint8  cls;
    uint8  command;
};
 
struct ble_msg
{
    struct ble_header    hdr;
    uint32               params;
    ble_cmd_handler      handler;
};

正如你所看到的，“ble_header”结构包含四个项：type_hilen，其中包含消息的类型（命令、响应或事件）（它还包含有效载荷长度的MSB，但由于在BLE消息中，有效载荷永远不会超过255字节，因此无需担心这个问题）；lolen，其中包含消息的有效载荷的长度/大小（具体来说，是八位的LSB）；cls，其中包含消息的类别代码（属性客户端、连接、系统等）；以及command，其中包含消息的ID号。type_hilen、cls和command字节用于唯一标识可以由BLE112发送或接收的每条消息。lolen字节用于确定有效载荷的大小，以便我们在读取消息头之后读取这些字节。“ble_msg”结构包含ble_header结构、ble_cmd_handler（将BGLib指向适当的函数，以处理由ble_header指定的消息类型）和4个名为params的字节（供BGLib用于解析包含在ble_msg结构中的消息）。为了更好地了解使用这些结构存储的不同消息和消息头，建议你查看蓝牙智能软件API参考手册。

在编写接收函数之前，我们还需要熟悉一下“ble_get_msg_hdr（struct ble_header hdr）”函数。该函数可以简单地返回与我们从蓝牙模块接收到的头相对应的特定ble_msg（与其名称略有不同）。在“cmd_def.h”中，你可以看到，BGLib的ble_msg结构适用于每个单独的消息，因此ble_get_msg_hdr只是将通用的“ble_msg”交换为特定的消息结构。

由于我们需要在代码中使用这些专有结构，因此很难为接收函数编写通用的伪代码。相反，以下是使用TM4C123GH6PM的示例；有助于你轻松地将123G的UART接收函数替换为自己的MCU的UART函数：

接收函数示例

//this is the Bluetooth interrupt handler; it reads any messages
//sent by the bluetooth LE module over UART
void ReadBTMessage( void )
{
    const struct ble_msg *BTMessage; //holds BLE message
    struct ble_header BTHeader; //holds header of message
    unsigned char data[256] = "\0";//holds payload of message
     
    //clear the UART 5 interrupt flag
    UARTIntClear(UART5_BASE, UART_INT_RX);
 
    //read BLE message header
    BTHeader.type_hilen = UARTCharGet(UART5_BASE);
    BTHeader.lolen =  UARTCharGet(UART5_BASE);
    BTHeader.cls = UARTCharGet(UART5_BASE);
    BTHeader.command = UARTCharGet(UART5_BASE);
     
    //wait for UART to finish reading header to ensure data
    //is valid before using it in the code below
    while(UARTBusy(UART5_BASE));
     
    //read the payload of the BLE message
    for(uint8_t i = 0; i < BTHeader.lolen; i++)
        data[i] = UARTCharGet(UART5_BASE);
     
    //find the appropriate message based on the header, which allows
    //the ble112 library to call the appropriate handler
    BTMessage = ble_get_msg_hdr(BTHeader);
     
    //print error if the header doesn't match any known message header
    if(!BTMessage)
    {
            //handle error here
            return;
    }
    //call the handler for the received message, passing in the received payload data
    BTMessage->handler(data);
}

发送命令和接收响应与事件

当你设置了发送和接收函数，将bglib_output函数指针指向发送函数，并进行了中断设置以触发接收函数之后，你的代码就可以与BLE112通信了。如果一切运行正常，与BLE112的通信应该就像调用“cmd_def.h”底部附近的宏一样简单（这些行以“#define ble_cmd…”开头）。你应该能够调用这些函数，而BGLib将负责处理其余的发送流程。当你接收到数据时，应调用收到的具体消息的处理程序（在上述示例代码中，这就是“BTMessage-> handler（data）”行所处理的操作）。

要在调用处理程序时执行有意义的操作，你需要在“commands.c”中列出的处理程序函数中添加适当的代码。处理程序分为响应（以“ble_rsp…”开头）和事件（以“ble_evt…”开头）。响应来自BLE112，用于确认已接收到命令，其中还将包含错误编号，以告知你模块是否成功执行了命令。事件来自BLE112，用于告知你，它已执行了命令或从另一个蓝牙设备接收到了数据。此处的API参考指南列出了所有可能的事件和响应、BGLib C库中相应的处理程序函数，以及这些响应和事件中包含的信息。以下是使用BGLib处理程序函数的一些示例（BTFlags结构是我自己定义的，其中仅包含了用于跟踪BLE112的当前状态的各种标记）：

事件处理程序示例

//set ready flag once BLE112 is ready for commands
//this event will occur after sending the ble_cmd_system_reset command
void ble_evt_system_boot(const struct ble_msg_system_boot_evt_t *msg)
{
    BTFlags.ready = 1;
}
 
//set connected flag once a connection has been established to a remote device
void ble_evt_connection_status(const struct ble_msg_connection_status_evt_t *msg)
{
    UARTprintf("\n\rconnection established");
    BTFlags.connected = 1;
}
 
//this event occurs after the ble_cmd_attclient_find_information command is sent
//it assumes that information was obtained from a remote device
void ble_evt_attclient_find_information_found(const struct ble_msg_attclient_find_information_found_evt_t *msg)
{
    UARTprintf("\n\rHandle: %02x\n\rUUID: ", msg->chrhandle);
     
    uint8_t length = msg->uuid.len;
     
    for(int i = 0; i < length; i++)
        UARTprintf("%02x", msg->uuid.data[length - i - 1]);
}

接下来该怎么做？

现在，你已经可以与单个模块进行通信了，接下来，你可以尝试让两个模块之间进行通信。对于两个器件之间的通信，你需要将一个器件设置为从设备/服务器，将另一个器件设置为主设备/客户端。从设备通常会附加到某个外设或数据采集器件，并将从该外设中收集的数据存储在它的内存中。主设备可以在从设备中拉取这些数据，或者订阅某些数据。当主设备订阅了数据片段（也称为“特征”或“配置文件”）时，从设备会在每次更新时自动将该数据片段发送到主设备。要存储应用的特定数据，你需要创建自己的GATT配置文件并将其放置在从设备上（同样，BlueGiga文章对这些配置文件的定义和创建方式进行了说明）。

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