实战经验 | BlueNRG 系列协处理器简介

关键词：协处理器，AT 指令，X-Cube-BLE

目录预览

1、协处理器模式概述

2、协处理器软件分层

3、ACI 指令格式

4、DTM 相关的工程介绍

5、基于 STM32CubeMX 软件包的协处理器模式

6、基于源码移植的协处理器模式

7、应用处理器（MCU）端软件处理主框架

8、交互时序图

9、小结

01

协处理器模式概述

BlueNRG 系列芯片从最早的一代 BlueNRG-MS 开始就支持协处理器模式。在协处理器模式下，BLE 功能在 BlueNRG 芯片端完成，应用部分在 MCU 端完成。与 AT 指令的模式类似，协处理器方式也具有高内聚、低耦合的特点，但相比于 AT 指令模式，协处理器方式更为强大灵活，而且还兼顾了 MCU 间通信的睡眠和相互唤醒等方面的需求。

BlueNRG 系列的所有芯片都支持协处理器模式。在使用协处理器时，BlueNRG 需要烧录一个 DTM 固件。DTM 原本是指 Direct Test Mode，而 ST 在这个固件的功能上进行了扩充。除了用于 RF 测试（包括 RF 发射功率、接收灵敏度、频偏、谐波等方面的测试），BlueNRG 的 DTM 固件还可以用于协处理器模式。

BlueNRG GUI 工具是一个针对 BlueNRG 芯片协处理器应用的工具。在使用协处理器时，协处理器可以搭配任何带有串口或 SPI 接口的 MCU、MPU 或 PC 端使用。

如下图所示，官方协处理器资料可以通过 SDK 中文档 index.html 进行索引。

图1.BlueNRG 端协处理器官方资料

02

协处理器软件分层

BlueNRG GUI 工具的使用属于一个 BlueNRG 芯片协处理器的应用。

协处理器可以搭配任意带UART或者 SPI 的 MCU、MPU 或者 PC 端使用。

软件框架如下图所示。协处理器模式有两种分层。

• [处理器] APP <------------> [BlueNRG] (Host+Controller)

• [处理器](APP+Host) <------------> [BlueNRG] (Controller)

图2.协处理器软件框架

大部分应用会采用第一种方式，对应用处理器或者 MCU 只需要关注应用部分，这种方式，处理器和 MCU 之间是通过 ACI 指令进行交互，ACI 是 HCI 指令的扩展。

第二种方式，BlueNRG 系列运行 Controller 部分，MCU 或者处理器 Host 层协议和应用，使用的场景比较少，双方之间通过 HCI 经行交互。BlueNRG 系列如果需要使用这种方式的协议栈，则编译 DTM 固件的时候，则需要在 Preprocessor Symbols 中使能“LL_ONLY”宏。

03

ACI 指令格式

Bluetooth LE 协议栈 ACI 指令利用并扩展了标准 HCI 数据格式。

图3.HCI 指令格式

根据 Bluetooth 核心规范，标准 HCI 数据包可以是以下几种类型：

• HCI 命令数据包（数据包类型：0x01）

• HCI ACL 数据包（数据包类型：0x02）

• HCI 同步数据包（数据包类型：0x03）

• HCI 事件数据包（数据包类型：0x04）

• HCI 扩展命令（数据包类型：0x81）

• HCI 扩展事件（数据包类型：0x82）

详细的数据包格式可以通过如下方式详细查看：

打开 BlueNRG-LP 或者 BlueNRG-LPS SDK 中 index.html ------->Network Coprocessor (UART, SPI mode)章节中的 Bluetooth LE stack v3.x ACI Data format -----------> Bluetooth LE stack v3.x ACI commands data format.

了解 ACI 指令格式有助于在实际调试双通信部分时遇到问题时分析定位问题。

详细的其他协处理器资料可以通过 SDK 中 index.html 中的如下章节进行查找。

04

DTM 相关的工程介绍

BlueNRG SDK 中提供了很多个不同的 DTM 的工程，用户难以分辨。

为了简化，绝大部分应用，建议选择功能最齐全的 DTM 工程下，“UART_WITH_UPDATER”工程配置或者“SPI_WITH_UPDATER”工程配置。

图4.BlueNRG DTM 相关的工程

其中 SDK 中包含的工程如下 :

• DTM: // DTM 是 Full Stack

• DTM_basic: // DTM 配置为 Basic stack

• DTM_Updater: // 带 boot 程序 DTM 的 boot 源码工程

其中 DTM 工程和 DTM_basic 工程是实现 DTM 功能的工程，他们之间的差别主要是一个默认是 Full stack，另一个默认为 Basic stack。而 DTM_Updater 只是一个 DTM 的 boot 源码工程。

打开 DTM 或者 DTM_basic 工程可以看到如下不同工程配置：

• UART: DTM 使用 UART 接口(不包含升级代码)

• UART_WITH_UPDATER:DTM 使用 UART 接口,DTM 在 Flash 的第一页中包含 DTM_Updater .并且包含 DTM 功能。

• UART_FOR_UPDATER: DTM 使用 UART 接口,DTM 固件在 Flash 第一页中留空不填充 (偏移 0x2000). 用户制作升级固件，包含 DTM 功能。

• SPI: DTM 使用 SPI 接口(不包含升级代码)

• SPI_WITH_UPDATER: DTM 使用 SPI 接口,DTM 在 Flash 的第一页中包含DTM_Updater .并且包含 DTM 功能。

• SPI_FOR_UPDATER: DTM 固件在 Flash 第一页中留空不填充 (偏移 0x2000). 用户制作升级固件。包含 DTM 功能。

其中分两大类通信方式，一类是 UART，一类是 SPI。其中 UART 通信方式的第一个“UART”工程配置是单纯的 DTM，使用 UART 通信接口和其他 MCU 或者 MPU 通信作为协处理器功能的代码。而“UART_WITH_UPDATER”工程配置包含了两个程序，其中一个是将 DTM_Updater 工程编译的二进制代码放置编译在数组中，作为启动代码；另外一个程序就是 DTM 程序偏移一定位置的代码。“UART_FOR_UPDATER”工程配置只有一个程序，即 DTM 程序配置偏移了一定位置的代码，它和“DTM”工程配置的差别仅仅是代码偏移不同，实际内容一样。

05

基于 STM32CubeMX 软件包的协处理器模式

基于 STM32CubeMX 软件包支持协处理器的有以下几个：

图5.STM32CubeMX 中的软件包

详细的软件配置涉及步骤比较多，可以参考官方的配置教程视频：

https://www.youtube.com/watch?v=BzKIT2T5Q4c&t=1s

或者参考官方的帮助文档，如下图右下边的文档。

图6.X-CUBE-BLE2 软件配置

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基于源码移植的协处理器模式

如果使用的另外一端的 MCU 并非是 STM32，或者一些 ST 官方还没有适配的型号（如 BlueNRG-LPS）则需要移植协处理器模式源码到 MCU 上。需要移植如下代码：

图7.非 STM32 使用 BlueNRG 协处理器需要移植的代码

移植后上去后，需要适配。适配主要是实现 SPI 或者串口初始化部分的代码以及实现这个函数：

可以参考 BlueNRG SDK 工程下协处理器相关的例子：

BlueNRG-LP/LPS: BlueNRG-LP_LPS_LPF DK x.x.x\Projects\External_Micro

BlueNRG-1/2: BlueNRG-1_2 DK x.x.x\Project\STM32L

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应用处理器（MCU）端软件处理主框架

主要处理流程分为两大类：

• MCU 或者处理器主动发送数据

• BlueNRG 主动发送数据

MCU 或者处理器主动发送数据的流程是这样的：当应用端主动调用 aci_xxxx 等函数时，这些函数的处理是同步超时的。最后会调用"hci_send_req()"函数，在这个函数中，会先发送数据到 BlueNRG 端，然后在 while(1)循环中带超时的等待，以查看hciReadPktRxQueue 队列中是否有数据收到。当 BlueNRG 返回数据给应用处理器端（MCU）时，会通过 IO 中断，最后触发调用“hci_tl_lowlevel_isr()”函数。在这个函数中执行读取数据的操作。如果成功读取数据，将数据压入 hciReadPktRxQueue 队列中。整个执行 aci_xxxx 等函数的过程是同步执行的，直到超时还没有读取到数据放入队列中。

BlueNRG 主动发送数据的流程如下：当 BlueNRG 发生一些事件，例如蓝牙连接上了设备，这时 BlueNRG 会拉相应的 IO 口，通过应用处理器的外部中断通知应用处理器端（MCU）。这会触发调用“hci_tl_lowlevel_isr()”函数，在这个函数中执行读取数据的操作。如果成功读取数据，将数据压入 hciReadPktRxQueue 队列中。然后在主循环处理函数“hci_user_evt_proc()”中，会解析接收队列中的函数。最后，如果成功解析，则会触发对应的 xxx_event 事件。这里的 xxx_event 事件如果应用没有定义，则默认执行一个弱定义的空函数。如果应用程序定义了，则执行用户定义的函数。

08

交互时序图

下文分别描述通过串口和 SPI 交互时的时序图。了解双方通信的时序，有助于理解双发睡眠和唤醒，以及在定位问题时能够更快速准确定位分析问题。

8.1. UART接口交互时序图

使用UART接口进行交互时，时序图如下所示：

图8.串口方式交互时序图

上图时 MCU 主动发送 ACI 指令流程，分为以下几个步骤：

• MCU 发送数据

o 1：MCU 唤醒 BlueNRG 芯片

o 2：BlueNRG 芯片被唤醒完成

o 3：MCU 通过串口发送数据

▪ 如果流控允许

o 4：MCU 发送完毕数据释放 MCU_RTS

o 5：BlueNRG 芯片允许进入睡眠

•BlueNRG 发送数据

o A: BlueNRG 唤醒 MCU

o B: MCU 被唤醒

o C: BlueNRG 通过串口发送数据

▪ 如果串口流控允许

o D: BlueNRG 发送完数据释放 MCU_CTS

o E: MCU 允许进入睡眠

8.2. SPI 接口操作时序图

SPI 时序图官方文档中描述比较详细，建议查看官方的文档（在 SDK 的帮助文档index.html 中）。

图9.协处理器 SPI 通信协议

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小结

本文介绍了 BlueNRG 系列芯片的协处理器模式、软件分层、ACI 指令格式以及 DTM相关的工程。BlueNRG 芯片的协处理器模式与 AT 指令模式类似，但更为强大灵活，同时兼顾了 MCU 间通信的睡眠和相互唤醒等方面的需求。BlueNRG 系列的所有芯片都支持协处理器模式，且可搭配任何带有串口或 SPI 接口的 MCU、MPU 或 PC 端使用。在软件框架方面，协处理器模式有两种分层，大部分应用采用第一种方式，对应用处理器或 MCU只需要关注应用部分，处理器和 MCU 之间通过 ACI 指令进行交互。了解 ACI 指令格式有助于在实际调试双通信部分时遇到问题时分析定位问题。在 DTM 相关的工程介绍方面，建议选择功能最齐全的 DTM 工程下，“UART_WITH_UPDATER”工程配置或者“SPI_WITH_UPDATER”工程配置。