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蓝牙协议架构与调试工具详解(含 BLE、HCI 命令、调试命令)


本文介绍蓝牙协议从物理层到应用层的完整通信流程,并详解了 Linux 下主流蓝牙调试工具的使用方法,适用于嵌入式蓝牙驱动开发、BLE调试、通信协议分析等场景。


🔧 1. 蓝牙架构概览

✅ 芯片架构

  • 单模芯片:仅支持 BLE 或 Classic 蓝牙中的一种。
  • 双模芯片:同时支持 BLE 和 Classic 蓝牙协议栈。

✅ 协议架构(三级分层)

Host层        ←→ 高层协议栈(L2CAP、ATT/GATT、SM)
Transport层   ←→ 传输协议(HCI over UART/USB/SDIO)
Controller层  ←→ 硬件控制器(Link Layer、PHY)

📶 2. 蓝牙物理层(PHY)

  • BLE 总共有 40 个频道

    • 3 个广播通道(37、38、39)
    • 37 个数据通道(0~36)

🔗 3. 链路层(Link Layer)

📌 状态机定义

状态描述
Standby待机状态,不发不收
Advertising广播状态,监听/发送广播包
Scanning扫描广播包
Initiating发起连接请求
Connection建立连接后的通信状态

📌 角色定义

  • Master:由 Initiating State 进入连接状态的设备
  • Slave:由 Advertising State 进入连接状态的设备

📦 空中数据包结构(Air Packet)

Preamble + Access Address + PDU + CRC

🧩 4. HCI 传输层

✅ HCI 接口介绍

  • Host 与 Controller 间的通信通过 HCI(Host Controller Interface)
  • 可运行于 UART、USB、SDIO 等物理通道

📦 HCI 包类型

包类型描述
HCI Command PacketHost → Controller,发送命令
HCI Event PacketController → Host,事件响应
HCI ACL Data Packet双向数据包(异步)
HCI Sync Data Packet双向数据包(同步)

🛠️ HCI Command Packet 结构

OpCode = OGF(6bit) + OCF(10bit)
Parameter Total Length
Parameters(每个命令不同)

📨 5. L2CAP 层

  • 复用机制:支持多个高层协议区分传输
  • 分段重组:控制 PDU 长度,利于数据管理
  • 流控与差错控制:对每个逻辑信道流量进行控制,并具备差错处理机制

一条 ACL 链路上可以存在多个 L2CAP 信道,便于多协议并存。


🔁 6. 蓝牙通信流程(BLE)

🌟 初始化控制器

  • HCI_Reset
  • HCI_Read_Local_Supported_Features
  • HCI_Set_Event_Mask
  • HCI_Read_Buffer_Size
  • HCI_Read_BDADDR

📣 广播状态设置

  • LE_Set_Advertising_Parameters
  • LE_Set_Advertising_Data
  • LE_Set_Scan_Response_Data
  • LE_Set_Advertising_Enable

🔍 扫描状态设置

  • LE_Set_Scan_Parameters
  • LE_Set_Scan_Enable
  • LE Advertising Report(扫描结果)

🔗 发起连接

  • LE_Create_Connection
  • LE_Connection_Complete

📤 数据交互

  • 建立连接后即可通过 L2CAP 层传输数据

❌ 断开连接

  • HCI_Disconnect
  • Disconnection Complete

🛠️ 7. 蓝牙调试工具

🔧 hciconfig - HCI设备配置工具

hciconfig hci0 up         # 启动设备
hciconfig hci0 down       # 关闭设备
hciconfig hci0 reset      # 重置蓝牙设备
hciconfig hci0 name NAME  # 设置蓝牙名称
hciconfig hci0 leadv      # 开启广播

🔧 hcitool - HCI命令工具

hcitool dev               # 查看HCI设备
hcitool inq               # 发现设备
hcitool name <MAC>        # 获取设备名称
hcitool lescan            # BLE扫描
hcitool lecc <MAC>        # 连接BLE设备
hcitool ledc <MAC>        # 断开BLE设备

🔍 hcidump - 蓝牙包嗅探工具

hcidump -i hci0 -Xt -w bt_debug.cfa &
  • -X: ASCII + 十六进制
  • -t: 显示时间戳
  • -w: 输出到文件

⚙️ hciattach - 绑定串口蓝牙模块到 HCI

hciattach -n -s 115200 ttyS0 rtk_h5 &
  • -s: 波特率
  • -n: 不脱离控制台
  • ttyS0: 串口名称

📡 btmon - 蓝牙日志抓取工具

btmon -i hci0 -w btmon_debug.log &
btmon -r btmon_debug.log        # 回放日志
  • -i: 指定 HCI 设备
  • -w: 写入文件
  • -r: 读取文件回放

🔌 bluetoothd - BlueZ 后台服务

bluetoothd -C -d -n &
  • -d: DEBUG 模式
  • -C: 支持 legacy 命令
  • -n: 前台运行,方便调试日志查看

🧭 bluetoothctl - 蓝牙交互工具

bluetoothctl
> list                  # 查看控制器
> show                  # 详细信息
> power on              # 打开设备
> scan on               # 开始扫描
> pairable on           # 设置可配对
> discoverable on       # 可发现
> pair <MAC>            # 配对设备
> connect <MAC>         # 连接设备
> exit                  # 退出

✅ 结语

本文系统地梳理了蓝牙 BLE 协议从底层到上层的通信机制,涵盖 HCI 结构、通信流程,并结合 Linux 下 BlueZ 提供的调试工具,提供了命令级的使用方式。

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