（二）蓝牙架构概述-通俗易懂

在进行蓝牙产品研发时，需要考虑两个层面：一是 逻辑功能架构（做什么），二是 硬件实现架构（怎么做）。

1.蓝牙逻辑架构及关键概念

1.1 蓝牙架构是什么？

蓝牙架构是一个标准化的协议栈（Protocol Stack），实现设备间无线通信而定义的分层协议栈、硬件模块分工、网络拓扑规则的总称。它通过标准化的 “软件协议 + 硬件接口”，屏蔽不同设备的底层差异，让手机、耳机、传感器等设备能快速建立稳定连接，完成数据传输（如文件、音频、控制指令）。可以比喻成一个多层蛋糕，每一层都有特定的功能，并为上一层提供服务。这种分层结构确保了不同厂商的设备可以相互通信。

其最核心的划分是将整个架构分为两个主要部分：

• 控制器（Controller）： 负责处理无线电信号的底层部分，与硬件紧密相关。它包括：
  • 物理层（PHY）： 负责在2.4GHz频段上发送和接收无线电波。
  • 链路层（LL）： 负责管理连接状态（如广播、连接、扫描），确保数据包的可靠传输。
• 主机（Host）： 负责处理数据逻辑的上层部分，通常在设备的操作系统或应用程序中运行。它包括：
  • 逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）： 向上层提供数据封装服务，类似于一个数据通道管理器。
  • 配置文件（Profiles Layer）： 这是实现具体应用功能的关键层，定义了数据如何被格式化和解释。
  • 应用程序（Application）： 最终用户与之交互的程序。
    
    这两部分之间通过一个标准接口——主机控制器接口（HCI）——进行通信，这使得主机和控制器的硬件和软件可以由不同厂商提供，增加了设计的灵活性（此图主要为BLE的分层设计）。

1.2 逻辑架构关键概念

理解蓝牙架构，需先掌握以下核心术语，它们是架构设计的基础：

1.3 蓝牙架构的核心类型（按功能分）

蓝牙技术自 1998 年推出以来，已迭代至 6.0 版本，核心架构可分为经典蓝牙（BR/EDR） 和低功耗蓝牙（BLE） 两大类，两者设计目标不同，适用场景完全差异，功能组合有三种：低功耗蓝牙（单模）、经典蓝牙（单模）、低功耗和经典蓝牙（双模）。

类型 1：经典蓝牙架构（BR/EDR，Basic Rate/Enhanced Data Rate）

核心定位“高带宽、连续传输”，专为需要稳定数据流的场景设计（如音频、文件传输）。

架构关键特征

• 带宽与速率：支持 1Mbps（BR）、2Mbps（EDR）传输速率，带宽足以承载立体声音频（如 A2DP 协议）；
• 功耗：较高（工作电流通常几十 mA），需持续供电（如耳机需频繁充电）；
• 连接方式：主从式（1 主多从，最多 7 个从设备），连接后保持持续通信；
• 核心协议：除基础协议栈外，内置音频专用协议（如 A2DP、HFP、AVRCP）、文件传输协议（OBEX）。

典型应用场景

• 音频传输：蓝牙耳机（立体声）、蓝牙音箱、车载蓝牙（通话 + 音乐）；
• 文件传输：手机间照片 / 视频传输（早期功能机常见，现被 WiFi 直连替代）；

类型 2：低功耗蓝牙架构（BLE，Bluetooth Low Energy）

核心定位
“超低功耗、间歇传输”，专为电池供电的物联网设备设计（如传感器、可穿戴设备），目标是 “一次充电用数年”。

架构关键特征

• 带宽与速率：相对速率较低（1Mbps/2Mbps/4Mbps，5.0 + 版本支持），但仅需间歇传输数据（如每秒 / 每分钟传 1 次）；
• 功耗：极低（待机电流 < 1μA，广播电流 < 10μA，工作电流 < 1mA），一节纽扣电池（CR2032）可供电 1-3 年；
• 连接方式：灵活支持 “广播模式”（无需连接，主动推送数据，如 Beacon 定位）和 “连接模式”（按需建立连接，传输后快速休眠）；
• 核心协议：以 GAP/GATT 为核心，数据按 “服务（Service）- 特征（Characteristic）” 结构化传输，支持自定义协议（适配不同传感器）。

典型应用场景

• 可穿戴设备：智能手环（传输步数、心率）、智能手表（推送通知）；
• 物联网传感器：温湿度传感器、烟雾报警器、智能门锁（低频次数据传输）、蓝牙按钮/门磁；
• 定位与近场交互：Beacon（商场导购、展会签到）、手机碰一碰解锁（如共享单车）；
• 医疗设备：血糖监测仪、心电贴（需长期低功耗运行）。

类型 3：双模蓝牙架构（Dual-Mode Bluetooth）

核心定位
“兼容经典蓝牙 + BLE”，解决 “单设备适配多场景” 需求（如手机需同时连接蓝牙耳机（经典）和智能手环（BLE））。

架构关键特征

• 硬件上集成经典蓝牙和 BLE 的射频模块，软件上支持两种协议栈切换；
• 功耗介于两者之间（但因支持经典蓝牙，整体功耗高于纯 BLE 设备）；
• 核心优势：兼容性强，无需用户手动选择连接方式。

典型应用场景

• 智能手机、平板、笔记本电脑（需连接多种蓝牙设备）；
• 智能网关（需同时接收传感器的 BLE 数据，并通过经典蓝牙连接音箱播放提示）。

2.蓝牙硬件架构及关键概念

这部分简单阐述关于芯片方案的新问题，是决定产品成本、功耗、体积和开发模式的关键。

2.1架构1：Host + Controller 双芯片架构 (Standard Dual-Chip)

具体内容是什么？
host跑在AP上，controller跑在蓝牙模块上，两者之间通过HCI协议进行通信，而且host具体包含协议栈那些部分，controller具体包含协议栈那些部分，两者之间通信的HCI协议如何定义，这些在蓝牙核心规格中都有详细定义，因此我把它称为分体式方案。

• 一种“分体式”方案。一块芯片是专用的蓝牙控制器芯片，它只负责无线射频和底层链路层（PHY + LL）。
• 另一块芯片是主处理器（MCU/MPU），它作为主机（Host），运行着蓝牙协议栈的上半部分（L2CAP、GATT、Profiles等）以及产品的核心应用程序。
• 两者通过标准的HCI接口（通常是UART或USB）连接。

优缺点是什么？
优点：
灵活性极高： 您可以为您的应用选择最合适的、性能最强的主处理器，而不受限于蓝牙芯片的性能。
模块化： 蓝牙功能像一个外挂模块，便于复用和认证。

缺点：
成本较高： 需要两块芯片。
体积较大： 占用更多的PCB电路板空间。
功耗较高： 两颗芯片协同工作且之间需要通信，功耗大于单芯片。

2.2 架构2：单芯片整体方案 (SoC - System on Chip)

具体内容是什么？
这是目前最主流的“一体化”方案。一块芯片集成了所有功能。这颗SoC（System on Chip）内部既包含了蓝牙控制器（射频+底层），也包含了一个微处理器核心（如ARM Cortex-M系列）来运行主机协议栈和用户应用程序。内存（Flash、RAM）和各种外设接口（GPIO, I2C, SPI等）也都在这颗芯片上。

优缺点是什么？
优点：
成本最低： 只需要一颗主芯片。
体积最小： 高度集成，非常适合小型化设备。
功耗最低： 内部通信效率高，整体功耗控制得最好。
开发简单： 厂商通常会提供包含协议栈和驱动的完整SDK，开发流程统一。

缺点：
性能和资源受限： 芯片上的处理器性能和内存大小是固定的，可能无法满足非常复杂的应用需求。
灵活性较低： 无法更换处理器。

2.3 架构3：自定义双芯片架构 (SoC as a Network Co-Processor, NCP)

具体内容是什么？
这可以看作是架构1和架构2的巧妙结合，也叫**“网络协处理器”方案。
一块芯片是完整的蓝牙SoC（和架构2中的芯片一样），但它在这里不运行最终的用户应用，而是运行完整的蓝牙协议栈（Controller + Host），作为一个专职的“蓝牙通信模块”。
另一块是功能强大的主应用处理器（MCU/MPU），它运行复杂的操作系统（如Linux）和核心应用。
主处理器通过一个自定义的、高级的串行接口（如UART）**向蓝牙SoC发送简单的命令（如“扫描设备”、“发送数据”），而无需关心复杂的蓝牙协议栈内部细节。

优缺点是什么？
优点：
解耦： 将实时性要求高的蓝牙协议栈与复杂的上层应用逻辑完全分开，极大地简化了主应用处理器的开发。
性能强大： 可以使用非常强大的主处理器（如运行图形界面的处理器）来处理复杂任务，而无需担心它会干扰蓝牙的实时通信。
缺点：
仍然是双芯片方案，存在成本和体积问题。
两个芯片间的通信接口和协议需要定义和开发。

2.4 三类框架对比

对比维度	架构 1: 标准双芯片	架构 2: 单芯片 SoC	架构 3: 自定义双芯片
Host 与 Controller	独立芯片, HCI 连接	集成在同一芯片, 无 HCI	独立芯片, 自定义接口
硬件复杂度	高 (双芯片 + 外围电路)	低 (单芯片 + 极简外围)	极高 (定制化电路)
开发效率	中等 (需调试 HCI)	高 (SDK 成熟, 即插即用)	低 (自主设计接口 / 协议)
BOM 成本	中 (双芯片 + 电阻电容)	低 (单芯片)	高 (定制芯片 + 开发费用)
灵活性	高 (Host 可自由选型)	中 (SoC 性能固定)	极高 (按需定制)
适用场景	需灵活选型 MCU 的场景	低成本、小体积、快迭代	多协议、高性能定制需求

3.蓝牙架构的开发选型（核心决策逻辑）

这是一个两步决策过程：先选逻辑，再选硬件。
开发时选择哪种架构，核心取决于逻辑产品功能需求、功耗限制、成本预算三个维度，以下是具体选型步骤和决策依据：

第一步：明确核心需求（排除法筛选架构类型）

1. 是否需要持续高带宽传输？
   是（如立体声耳机、车载音乐）→ 选经典蓝牙（BR/EDR）；
   否（如传感器数据、通知推送）→ 进入下一步。
2. 是否需要超低功耗（电池供电 > 6 个月）？
   是（如智能手环、无线传感器）→ 选纯 BLE 架构；
   否（如插电式设备，如智能网关）→ 进入下一步。
3. 是否需要同时兼容经典蓝牙设备和 BLE 设备？
   是（如手机、平板）→ 选双模蓝牙架构；
   否（如单一功能设备，如仅传数据的传感器）→ 选纯 BLE 架构。

第二步：确定蓝牙版本（5.x 系列选型）
蓝牙版本迭代（5.0→5.1→5.2→5.3→5.4→6.0）主要提升速率、距离、抗干扰、功耗优化，需根据场景选择：

• 长距离需求（如智能家居网关覆盖全屋）：选 5.0+（支持 LE Coded PHY，传输距离可达 100 米以上）；
• 低延迟需求（如游戏手柄、无线鼠标）：选 5.2+（支持 LE Audio 的 LC3 编码，延迟 < 30ms）；
• 多设备并发需求（如工业传感器网络）：选 5.3+（优化广播信道，减少设备间冲突）；
• 成本敏感场景（如低价传感器）：选 5.0/5.1（芯片成本低，满足基础需求）。
• 物联网 + 音频传输需求：可以考虑6.0，需要和对应芯片商沟通。

第三步：选择芯片与开发平台
架构选型最终落地为 “芯片选型”，需匹配架构类型和版本：

架构需求	推荐芯片厂商 / 型号	开发平台支持
经典蓝牙	高通 (CSR8675)、瑞昱 (RTL8761B)	支持 A2DP/HFP 协议, 适合音频设备
BLE	Nordic (nRF52840)、Dialog (DA14531)、乐鑫 (ESP32 - C3)、Telink(8258)	超低功耗, 支持 GATT 自定义, 适合物联网设备
双模蓝牙	高通 (QCC5125)、华为 (HiLink 芯片)、联发科 (MT7921)	兼容双协议栈, 适合手机、智能终端

第四步：评估成本与开发难度

• 成本：纯 BLE 芯片（如 DA14531）< 经典蓝牙芯片（如 CSR8675）< 双模芯片（如 QCC5125），需根据预算平衡功能；
• BLE芯片：同类型国内比国外芯片稍微便宜（多用国产，再能促进他们发展）
• 开发难度：BLE 开发（基于 GATT）较简单（有成熟 SDK，如 Nordic nRF SDK）；经典蓝牙音频开发（需适配 A2DP/LC3）较复杂；双模开发需兼顾两种协议栈，难度最高。