蓝牙协议架构与调试工具详解（含 BLE、HCI 命令、调试命令）

news2025/12/19 5:52:09

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 Packet	Host → Controller，发送命令
HCI Event Packet	Controller → 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