RT-Thread平台 zephyr_polling软件包 Bluenrg2 蓝牙芯片启动流程

2023/09/27 18:30
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RTT zephyr_polling软件包 Bluenrg2 蓝牙芯片启动流程


“开源之夏”“蓝牙HOST协议栈zephyr_polling完善” 项目个人记录

菜鸡参与项目的个人记录

项目软件包地址:RTT_PACKAGE_zephyr_polling

前面已经完成了 SPI 接口的实现,要让 zephyr_polling 在 Bluenrg2 上运行起来,下一步是实现其特殊的芯片启动流程。


蓝牙芯片启动流程


在用标准的 HCI 指令控制设备进行蓝牙操作之前,需要提前通过 VS Command 对设备进行配置,只有正确配置好的设备才能正常使用。

芯片产商只出售芯片,并不关注外围电路和具体的产品形态,这些是具体的ODM厂商来实现的。也就是芯片产商提供带HCI蓝牙功能的芯片,ODM设计电路并设计产品,之后通过HCI和芯片进行交互。实际各家ODM产商的需求各不相同,芯片产商为了满足不同客户的需要,并且为了减少和客户的对接,就必然在同一套代码的基础上,需要提供一系列的配置参数来满足不同 ODM 厂商的需要。

配置可以包括:固件烧录(部分没有带 FLASH 的蓝牙芯片每次上电都需要重新烧录最新的固件)、蓝牙地址配置、硬件接口配置(如RF接口,晶振类型等,部分蓝牙芯片需要)、波特率配置(HCI 一般是UART接口,默认是115200)以及芯片需要的由厂商要求的其他参数配置。

此外,对于一些有Flash的芯片,完全可以将配置参数等预烧录到了 Flash 中,使用时完全不需要配置任何参数,直接通过HCI接口操作使用即可。

zephyr_polling 协议栈提供了 Boot 流程接口和 Prepare 流程接口,可以根据实际芯片的需求实现启动配置。

Boot流程:

完成厂商的初始化流程,如固件下载,蓝牙地址配置等。在 chipset 注册好接口后,协议栈启动时会通过boot_start()回调启动 chipset(指协议栈 chipset 目录下的启动流程代码,下同) 的 Boot 流程,由于操作接口是 HCI,所以一般都是下发一个VS Command,然后根据 VS Event 来进行后续动作,协议栈会通过event_process()回调接口将收到的 event 上报给 chipset,当 chipset 认为操作结束时,通过调用bt_hci_set_boot_ready()接口通知协议栈boot流程结束。

Prepare流程:

部分厂商的参数要求在 HCI_Reset Command 之后进行(意思是它们的 HCI_Reset Command 会清空配置的参数)。为了兼容这类参数形态,HCI_Reset Command 之后还加入了 Prepare 流程。协议栈收到 HCI_Reset 的 Command Complete Event 后会通过prepare_start()回调启动 chipset 的 Prepare 流程,和 Boot 流程一样,协议栈会通过event_process()回调接口将收到的 event 上报给 chipset ,当chipset 认为操作结束时,通过调用bt_hci_set_prepare_ready()接口通知协议栈prepare流程结束。


BlueNRG-2 启动流程


查阅 ST 官方提供的手册和例程资料,可以了解到 BlueNRG-2 的启动配置需求。

对于 BlueNRG-2:

Boot 流程:无事务。

Prepare 流程:关闭Host功能;蓝牙地址配置;设置 TX power;GATT配置;GAP配置。


BlueNRG-2 启动流程实现


Boot 流程

BlueNRG-2 的 HCI_Reset Command 会清空配置的参数,所以实际的配置放在协议栈的 Prepare 流程中。Boot 流程的回调函数直接调用bt_hci_set_boot_ready()结束流程。

1void boot_start(void) {
2    state = STATE_POLLING_BOOTING;
3    // nothing to do
4    bt_hci_set_boot_ready();          //finish boot
5}

Prepare 流程 - 关闭 Host 功能

开发使用的蓝牙模块 X-NUCLEO-BNRG2A1 中的 BLE 本身是一个 SOC,里面集成了 host 的协议栈。厂商 ST 提供了一套 ACI 指令来控制芯片行为,包括 host 的接口。也就是说默认的情况下,这个芯片的 ACL 交互都被接管了,所以需要通过 ACI 命令,关闭 host 行为。需要通过aci_hal_write_config_data里的CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST关闭 host。

Prepare 流程第一步,关闭 host:

1void prepare_start(void) {
2    state = STATE_POLLING_PREPARING;
3    step = 1;
4    // step 1 close host
5    bluenrg2_config_without_host(); // It can be written only if aci_hal_write_config_data() is the first command after reset.
6}

关闭 host 的指令的 ogf 为0x3f,ocf 为0x00c,参数为2c11。其中,0x2C是关闭 Host 在 CONFIG_DATA 中的 offset。

1#define CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST         (0x2C) /**< Switch on/off Link Layer only mode. Set to 1 to disable Host. */
2#define CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST_LEN     (1)
3static int bluenrg2_config_without_host()
4
{
5    uint8_t cmd_buffer[CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST_LEN + 2];
6    struct net_buf *buf;
7    cmd_buffer[0] = CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST;                //offset
8    cmd_buffer[1] = CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST_LEN;            //config len
9    cmd_buffer[2] = 1;                                          //Set to 1 to disable Host
10    uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x00c;
11    uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
12    buf = bt_hci_cmd_create(opcode, sizeof(cmd_buffer));
13    if (!buf)
14    {
15        return -ENOBUFS;
16    }
17    net_buf_add_mem(buf, cmd_buffer, sizeof(cmd_buffer));
18    return bt_hci_cmd_send(opcode, buf);
19}

Prepare 流程 - 蓝牙地址设置

需要通过aci_hal_write_config_data里的CONFIG_DATA_PUBADDR_OFFSET配置蓝牙地址。

配置蓝牙地址的指令的 ogf0x3f,ocf 为0x00c。配置蓝牙地址指令在 CONFIG_DATA 中的 offset 为 0x00,后面跟上地址长度和设置的蓝牙地址。

1#define BLE_MAC_ADDR                                                                               \
2    {                                                                                              \
3        {                                                                                          \
4            0xf5, 0x00, 0x00, 0xE1, 0x80, 0x02                                                   \
5        }                                                                                          \
6    }

7#define CONFIG_DATA_PUBADDR_OFFSET          (0x00) /**< Bluetooth public address */
8#define CONFIG_DATA_PUBADDR_LEN             (6)
9static int bluenrg2_config_set_public_addr()
10
{
11    uint8_t cmd_buffer[CONFIG_DATA_PUBADDR_LEN + 2];
12    struct net_buf *buf;
13    bt_addr_t addr = BLE_MAC_ADDR;
14    cmd_buffer[0] = CONFIG_DATA_PUBADDR_OFFSET;                 //offset
15    cmd_buffer[1] = CONFIG_DATA_PUBADDR_LEN;                    //config len
16    memcpy(cmd_buffer + 2, addr.val, CONFIG_DATA_PUBADDR_LEN);   // addr
17    uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x00c;
18    uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
19    buf = bt_hci_cmd_create(opcode, sizeof(cmd_buffer));
20    if (!buf)
21    {
22        return -ENOBUFS;
23    }
24    net_buf_add_mem(buf, cmd_buffer, sizeof(cmd_buffer));
25    return bt_hci_cmd_send(opcode, buf);
26}

Prepare 流程 - 设置发射功率

配置发射功率的指令的 ogf 为0x3f,ocf 为0x00f。命令参数为是否启用高功率模式(0x00启用普通功率,0x01启用高功率)和功率放大器输出电平(允许的PA电平取决于设备)。

PA_Level 值对应功率 

0: -14 dBm (High Power) 

1: -11 dBm (High Power) 

2: -8 dBm (High Power) 

3: -5 dBm (High Power) 

4: -2 dBm (High Power) 

5: 2 dBm (High Power) 

6: 4 dBm (High Power) 

7: 8 dBm (High Power)


    
    
    
1static int bluenrg2_set_tx_power_level(uint8_t En_High_Power, uint8_t PA_Level)
2
{
3    uint8_t cmd_buffer[2];
4    struct net_buf *buf;
5    cmd_buffer[0] = En_High_Power;      //En_High_Power
6    cmd_buffer[1] = PA_Level;           //config PA_Level
7    uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x00f;
8    uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
9    buf = bt_hci_cmd_create(opcode, sizeof(cmd_buffer));
10    if (!buf)
11    {
12        return -ENOBUFS;
13    }
14    net_buf_add_mem(buf, cmd_buffer, sizeof(cmd_buffer));
15    return bt_hci_cmd_send(opcode, buf);
16}
Prepare 流程 - GATT 配置

GATT 初始化的指令的 ogf 为0x3f,ocf 为0x101,没有其它参数。

1static int  bluenrg2_gatt_init(void)
2
{
3    uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x101;
4    uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
5    return bt_hci_cmd_send(opcode, NULL);
6}

Prepare 流程 - GAP 配置

初始化 GAP 层。注册GAP服务,并设置标准 GAP 服务特性:设备名称、Appearance、外围设备首选连接参数(仅限外围设备)。

GAP 配置的指令的 ogf 为0x3f,ocf 为0x08a。配置为外围设备,如果需要用做其他角色,需要修改此处;不启用隐私策略(为保护地址不被窃取,进行地址加密/解密,并周期更新);设置设备名字长度。

privacy: 

0x00: Privacy disabled 

0x01: Privacy host enabled 

0x02: Privacy controller enabled

1#define GAP_PERIPHERAL_ROLE                     (0x01)
2#define GAP_BROADCASTER_ROLE                    (0x02)
3#define GAP_CENTRAL_ROLE                        (0x04)
4#define GAP_OBSERVER_ROLE                       (0x08)
5#define privacy_enabled                         (0x00)
6#define device_name_char_len                    (0x08)
7static int bluenrg2_gap_init()
8
{
9    uint8_t cmd_buffer[3];
10    struct net_buf *buf;
11    cmd_buffer[0] = GAP_PERIPHERAL_ROLE;    //role
12    cmd_buffer[1] = privacy_enabled;        //privacy
13    cmd_buffer[2] = device_name_char_len;   //device_name_char_len
14    uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x08a;
15    uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
16    buf = bt_hci_cmd_create(opcode, sizeof(cmd_buffer));
17    if (!buf)
18    {
19        return -ENOBUFS;
20    }
21    net_buf_add_mem(buf, cmd_buffer, sizeof(cmd_buffer));
22    return bt_hci_cmd_send(opcode, buf);
23}

启动事件处理

对于启动流程的返回响应,需要由event_process()回调进行判断和推进。这里为了方便,只对CMD_COMPLETE事件进行判断处理,推进 Prepare 流程进行。

GAP 设置完成后调用bt_hci_set_prepare_ready()结束流程。

1void event_process(uint8_t event, struct net_buf *buf)
2
{
3    if(state == STATE_POLLING_PREPARING) // boot do nothing
4    {
5        if (event == BT_HCI_EVT_CMD_COMPLETE)  //only complete
6        {
7            printk("prepare_event_process, step: %d\n", step);
8            switch (step)
9            {
10            case 1//close host just now
11                bluenrg2_config_set_public_addr();  //step2  set_public_addr
12                step = 2;
13                break;
14            case 2:
15                bluenrg2_set_tx_power_level(14);  //step3  set_public_addr
16                step = 3;
17                break;
18            case 3:
19                bluenrg2_gatt_init();               //step4  gatt_ini
20                step = 4;
21                break;
22            case 4:
23                bluenrg2_gap_init();                //step5  gap_ini
24                step = 5;
25                break;
26            case 5:
27                bt_hci_set_prepare_ready();          //finish prepare
28                step = 0;
29                break;
30            }
31        }
32    }
33}

启动流程注册

将上述实现的启动流程的函数指针打包到bt_hci_chipset_driver结构体中,供协议栈调用注册。

1static const struct bt_hci_chipset_driver chipset_drv = {
2        init_work, boot_start, prepare_start, event_process,
3};
4// public drv API
5const struct bt_hci_chipset_driver *bt_hci_chipset_impl_local_instance(void)
6
{
7    return &chipset_drv;
8}


验证


完成 HCI 接口的时候虽然成功运行了 Beacon 例程,但 Beacon 例程是不需要进行 chipset 启动配置流程的(运行时启用的是common空白回调)。运行外设的心率例程验证 Bluenrg2 蓝牙芯片启动流程。

1 \ | /
2- RT -     Thread Operating System
3 / | \     5.0.1 build Sep 20 2023 22:16:27
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5do components initialization.
6initialize rti_board_end:0 done
7initialize stm32l4_hw_lptim_init:0 done
8initialize finsh_system_init:0 done
9msh >zephyr
10zephyr_polling_init 
11bt_init_hci_driver 
12SPI_init_process device_name: spi10, spi_name: spi1, rate: 1000000, databits: 8, LSB_MSB: 1, Master_Slave: 0, CPOL: 0, CPHA: 1
13SPI_init_process cs_pin_num: 1, irq_pin_num: 0
14hci_driver_open, SPI_config_finish
15I: (bt_hci_core)hci_init():3230: work start.
16msh >prepare_event_process, step: 1
17prepare_event_process, step: 2
18prepare_event_process, step: 3
19prepare_event_process, step: 4
20prepare_event_process, step: 5
21I: (bt_hci_core)hci_init_end():3205: work end.
22E: (bt_smp)smp_self_test():5695: smp_self_test start
23I: (bt_hci_core)bt_dev_show_info():3008: Identity: 02:80:e1:00:00:f5 (public)
24I: (bt_hci_core)bt_dev_show_info():3042: HCI: version 5.2 (0x0b) revision 0x1222, manufacturer 0x0030
25I: (bt_hci_core)bt_dev_show_info():3044: LMP: version 5.2 (0x0b) subver 0x0015
26Bluetooth initialized
27Advertising successfully started
28Connected
29BAS Notifications enabled
30HRS notifications enabled


prepare_event_process 步骤的日志输出正常,设备连接、电池服务、心率服务正常。


———————End——————




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本文分享自微信公众号 - RTThread物联网操作系统(RTThread)。
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