BLE核心模块FS-QN9021模块开发-linux版

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这段时间又参与了一个新的小项目，简单概括为蓝牙、智能、家居吧，虽然时间有点紧，还是希望能把这一些东西记录下来。


BLE

什么是BLE？参考这篇文章做如下总结。
中文名称为蓝牙低功耗。主要特点为低成本、超低功耗、短距离、标准接口和可互操作性强，并且工作在免许可的2.4GHz ISM射频段，需要支持蓝牙4.0（系统为Android4.3及以上）的主机设备才能与其连接。

目前生产BLE芯片的厂家主要有CSR、TI、Nodic和NXP（QN902x），各个厂家芯片对比如下图

s

从如上图对比可以看出，NXP的QN902x在功耗方面比CSR和TI更省电，在接收灵敏度和模式方面比Nodic的胜一筹，它的从设备相比其它几家可以连接的更多，共有8个，这也算是蓝牙4.0的一大特色吧，并且NXP的芯片已经过了MFI认证，直接能与苹果设备相连接，因为这种认证也是挺贵的。

因为BLE的低功耗、低成本及强大的处理能力，并且随着iPhone的设备支持蓝牙4.0，BLE的终端设备在我们的生活当中将会越来越多，在未来将会有爆发式增长。

QN902X是一款内核为M0的蓝牙BLE SOC芯片，其SDK对蓝牙BLE的profile都有实现，并提供源码，SDK也提供很多工具以便使用芯片，比如引脚配置，NVDS读写，串口USB Dongle(配合上位机可以调试各profile，没有手机也可以调试)，ISP下载等，但QN902X不提供数据手册，所有的外设操作都以库的方式提供，SDK说明比较全面但全是英文的。

与NODRDIC的51822和TI的CC2540不同QN902X的架构是M0+ROM+FLASH+SRAM的方式，其中ROM放的是蓝牙协议和内部一个小的调度核，FLASH放的是用户程序和数据，RAM用于跑程序。其中ROM:96K，SRAM:64K，FLASH:64K/128K。因为QN902X程序是跑到SRAM中，所以它的深度睡眠电流比较大些。


环境搭建

老生长谈，开发一款产品，第一步当然是搭建开发环境咯。

wine安装

由这里可知，keil不支持linux环境，所以必须自己想办法了。这是在linux环境下运行windows的程序，本身使用windows的请自动忽略这一步。具体请看官网/博文。

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~ $ sudo add-apt-repository ppa:ubuntu-wine/ppa
~ $ sudo apt-get update
# => 我的是64为的系统，所有安装64位版
~ $ sudo apt-get install wine1.8-amd64
# => 配置
~ $ winecfg
# => 中文路径：~/ .wine/drive_c/windows/Fonts/
~ $ winetricks corefonts

keil安装

首先得下载keil，可以自己去官网下载最新的，也可以直接点击mdk5.17下载地址，参考这篇博文并实践做如下记录。

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# => 进入下载目录安装
~ $ wine mdk517.exe

提示：卸载程序可以用wine uninstaller
如编译有限制，下载破解注册机Keygen：http://pan.baidu.com/s/1hqGSRqs

安装完成后，会弹出来一个安装器件（pack installer）如下的界面，也就是说，你要用它来开发哪个芯片（此项目可以忽略，后面步骤导入DB）。
packin



或者打开keil界面会看到如下图标
packicon



要开发哪一款芯片，点击install即可，或者先网页端下载好在导入，具体参考上面提供的博文地址。

MCU DB库安装

下载Quintic最新的SDKQBlue1.3.7，安装：

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~ $ wine QBlue-1.3.7.exe

会弹出窗口如下，点击安装即可，或者打开桌面QBlue里的QN9020DevDBforIDE工具安装。

sdk

keil使用

首先获取开源代码

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~ $ cd
~ $ git clone git@bitbucket.org:T-Firefly/fireble.git

桌面打开keil，假如我们希望开始proxr工程：

  1. 在keil的Project菜单中选择Open Project…
  2. 弹出文件选择框中，打开/home/xxx/fireble/BLE/prj_proxr/keil/proxr.uvproj工程文件（linux可能在z磁盘里）

  3. 配置DB如下，如果没发现库，请重启软件

    dbset

  4. 编译代码，成功后如下，具体配置选项请参考这里

    compile

  5. 下载程序，下载的时候需要按复位键，如下载出错，可先下载到SRAM。

    dl

Tip:在ubuntu 上串口识别为ttyS0或ttyUSB0之类，在wine上识别不到，可用：

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># =>将其该为小写的com1，如果不行，将其改为大写的COM1
>~ $ sudo ln -s /dev/ttyUSB0 ~/.wine/dosdevices/com1
>~ $ sudo usermod -a -G dialout $USER
>~ $ sudo chmod 777 ~/.wine/dosdevices/com1

即可在wine的应用程序使用串口


项目实践

点亮LED

对于新的芯片与开发板，从LED实验开始。首先下载该开发板的原理图对该LED部分的电路进行分析。

本程序非常简单，复制gpio demo代码

实现让开发板D1灯闪烁如下：

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/* Set pin D1/P2_7 */
gpio_set_direction_field(GPIO_P27, (uint32_t)GPIO_OUTPUT);
while(1)
{
	gpio_write_pin_field(GPIO_P27, GPIO_LOW);
	delay(100000);
	gpio_write_pin_field(GPIO_P27, GPIO_HIGH);
	delay(100000);
}

程序流程：系统初始化–>GPIO配置–>各驱动模块初始化–>主循环实现功能
效果如下：

led

UART实验

串口通信可以用来打印数据，调试程序，有必要实验一下。
同样复制uart demo代码
改程序如下：

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//Print out "Hello NXP!\n" thought uart.
uart_printf(QN_UART0, (uint8_t *)"Hello NXP!\n");
uart_printf(QN_UART0, (uint8_t *)"This is nephen's test!\n");

波特率设置为115200，现象如下：
uart_tst

PWM实验

由于这个项目会控制到电机什么的，所以pwm少不了，这个实验是通过pwm控制陶瓷蜂鸣器报警和呼吸灯。通过PWM方式调节脉冲频率和占空比，变换LED亮度，渐变亮度实现呼吸灯效果。FireBLE板载的贴片蜂鸣器是压电式陶瓷蜂鸣器，压电陶瓷蜂鸣器要想响起来，需要满足四个条件：多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱，压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成，在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。板载的蜂鸣器缺少的只是多谢振荡器，这里我们用PWM来代替，输出1.5KHz-2.5KHz的方波信号推动压电蜂鸣片发声，频率在1.5KHz-2.5KHz才会响，太高太低都不响，直接加3.3V更不会响，直接加3.3V响的那是电磁式蜂鸣器，有源和无源。
首先看下电路连接

同样复制pwm代码，改写如下：

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int main (void)
{
    SystemInit();

    pwm_init(PWM_CH0);
    pwm_io_config();
    //P2.7 will output pwm wave with period for 1000us and pulse for 400us
    pwm_config(PWM_CH0, PWM_PSCAL_DIV, PWM_COUNT_US(1000, PWM_PSCAL_DIV), PWM_COUNT_US(500, PWM_PSCAL_DIV));
    pwm_enable(PWM_CH0, MASK_ENABLE);
    pwm_io_dis_config();

    pwm_init(PWM_CH1);
    pwm_io_config();
    //P2.6 will output pwm wave with period for 1000us and pulse for 500us
    pwm_config(PWM_CH1, 119, PWM_COUNT_US(1000, 119), PWM_COUNT_US(500, 119));
    pwm_enable(PWM_CH1, MASK_ENABLE);

    while (1)                                /* Loop forever */
    {
			int i;
			for(i=0;i<=1000;i++)
			{
				pwm_config(PWM_CH1, 119, PWM_COUNT_US(1000-i, 119), PWM_COUNT_US(500, 119));
				if(i%2)
					pwm_config(PWM_CH0, PWM_PSCAL_DIV, PWM_COUNT_US(1000-i, PWM_PSCAL_DIV), PWM_COUNT_US(500, PWM_PSCAL_DIV));
				else
					pwm_config(PWM_CH0, PWM_PSCAL_DIV, PWM_COUNT_US(i, PWM_PSCAL_DIV), PWM_COUNT_US(500, PWM_PSCAL_DIV));
				delay(2000);
			}
    }
}

呼吸灯效果：

breath

按键广播

看到有些人对买的fireBLE按键广播不懂，其实刚开始我也是这样的，摸不着头脑，现在至少不会太迷糊，就给大家记录下吧。
首先按键按下属于gpio中断，找到中断初始化函数：SystemInit(); ——》
gpio_init(gpio_interrupt_callback); ——》
void gpio_interrupt_callback(enum gpio_pin pin) ——》
void usr_button1_cb(void) ——》
ke_evt_set(1UL << EVENT_BUTTON1_PRESS_ID); 找到EVENT_BUTTON1_PRESS_ID对应的事件，搜索
EVENT_BUTTON1_PRESS_ID，找到void usr_init(void)里的if(KE_EVENT_OK != ke_evt_callback_set(EVENT_BUTTON1_PRESS_ID, app_event_button1_press_handler))可知为app_event_button1_press_handler ——》
ke_timer_set(APP_KEY_SCAN_TIMER,TASK_APP,2); 同样通过搜索APP_KEY_SCAN_TIMER可知定时器事件为app_key_scan_timer_handler ——》
app_key_scan_timer_handler，这里进行adc采集，完成后由adc_read(&read_cfg, adc_key_value, KEY_SAMPLE_NUMBER, adc_test_cb);可知进入adc_test_cb，在这里设置了EVENT_ADC_KEY_SAMPLE_CMP_ID，搜索找到对应事件app_event_adc_key_sample_cmp_handler ——》
app_event_adc_key_sample_cmp_handler，判断按键朝哪个方向按，定时回调 ——》
app_key_process_timer_handler，如下： 

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int app_key_process_timer_handler(ke_msg_id_t const msgid, void const *param,
                                  ke_task_id_t const dest_id, ke_task_id_t const src_id)
{
	ke_evt_clear(1UL << EVENT_ADC_KEY_SAMPLE_CMP_ID);
	switch (key_value0)
	{

	case	key_up:
		if (APP_IDLE == ke_state_get(TASK_APP))
		{

			// start adv
			//QPRINTF("you press up key\r\n!");
			app_gap_adv_start_req(GAP_GEN_DISCOVERABLE | GAP_UND_CONNECTABLE,
			                      app_env.adv_data, app_set_adv_data(GAP_GEN_DISCOVERABLE),
			                      app_env.scanrsp_data, app_set_scan_rsp_data(app_get_local_service_flag()),
			                      GAP_ADV_FAST_INTV1, GAP_ADV_FAST_INTV2);

这里一看就明白，向上按时，进入广播。其实在系统上电的时候，已经进行了一系列的gap建立连接的初始话，就差广播了，所以这里只要广播出去就能和别的蓝牙建立连接。

QTool使用及蓝牙了解

使用QBlueStudio中QTool工具进行蓝牙开发分析，可以方便的对各个蓝牙操作的过程进行细致的研究，并结合具体的源代码进行查看，能够更加深入的了解到蓝牙协议的实现过程，大部分的API接口在GAP和GATT。具体的使用文档请查看QBlueStudio里的Document。Linux里可以采取这种方法查看：地址见/home/username/.wine/drive_c/QBlue/QN9020/QBlue-1.3.7/Documents，然后使用evince命令打开。

在这之前，还需对蓝牙的一些术语做一个大概的了解，比如什么是master，slave，主机。客户端与服务器又是什么。GAP与GATT有什么区边。蓝牙各个协议层都有哪些分工。下面参考做一些归纳：

  1. BLE规范中定义了GAP（Generic Access Profile）和GATT(Generic Attribute)两个基本配置文件。
    a.协议中的GAP层负责设备访问模式和进程，包括设备发现，建立连接，终止连接。初始化安全特性和设备配置。
    b.GATT层用于已连接的蓝牙设备之间的数据通信。GATT通俗理解为用于主从机之间的客户端和服务器端的数据交互，以Attribute Table来体现。

  2. BLE低功耗蓝牙中有四种设备类型，Central主机,Peripheral从机,Observer观察者,Broadcaster广播者。通常Central主机,Peripheral从机一起使用，Observer观察者,Broadcaster广播者一起使用。Central和Peripheral连接交换数据，平时我们使用到的基本上是这种模式。而像多温度采集器，通常使用Observer和Broadcaster这种无连接形式。
    主机和从机是这样开机工作的:从机开始广播，然后主机扫描广播的从机，当从机收到主机的扫描请求后，会向主机发送扫描回应数据。然后主机发起连接，然后开始通讯。所以从机需要设置广播内容和扫描回应内容。这方面的代码可以查看App_gap.c和App_gap_task.c。

    • profile：可以理解为一种规范，一个标准的通信协议，profile存在于从机中。蓝牙组织规定了一系列的标准profile，如防丢计、心率计。每个profile中包含多个service，每个service代表从机的一种能力。
    • Service：可以理解为一种服务，在BLE从机里，通过有多个服务，例如电量信息服务、系统信息服务等。每个service又包含多个characteristic特征值。每个具体的characteristic特征值才是BLE通讯的主体，比如当前电量是80%。所以会通过电量的characteristic特征值特征值保存在从机的profile里，这样主机就可以通过这个characteristic来读取80%这个数。
    • characteristic：characteristic特征值，BLE主从机均是通过characteristic来实现，可以理解为一个标签，通过这个标签可以获取或者写入想要的内容。

    • UUID：统一标识吗，我们刚提到的characteristic和service，都需要一个唯一的UUID来标识。

      每个从机都会有个叫做profile的东西存在，不管自定义的还是标准的profile，他们都是由一系列的Service组成，然后每个service又包含多个characteristic，主机和从机之间的通信，均是通过characteristic来实现。
      BLE协议栈中传输数据分为两方面，一个GATT的client主动向service发送数据。另一个是GATT的service主动向client发送数据。即主从之前相互传数据。
      主机向从机发送数据，使用GATT_Write
      从机向主机发送数据，使用GATT_Notification

  3. GATT有Service和Client，Service作为服务器端，对GATT Client提供read/write接口，一般情况下，Central作为Client，Peripheral作为Service。所以主机会调用read/write来和作为Service端的Peripheral从机通讯。而Peripheral则通过notify的方式即调用GATT_Notifycation发起和主机通讯。

  4. 特征值声明值可以有五种属性：Read(可读) Write(可靠的可写,带响应) Write without resp(不可靠的可写,不带响应) Indicate(可靠通知，带响应) Notify（不可靠通知，不带响应）

更多请查看蓝牙设计问与答 /Android 蓝牙4.0 BLE 理解

BLE中主从机建立连接，到配对和绑定的过程如下图。

QPPS工程

在此之前，建议先了解一下Firefly的QPPS介绍/对QPPS profile中服务和特征实现的分析理解/对profile QPPS的分析理解。关于蓝牙的数据收发部分可以看Firefly的协议栈介绍。数据帧格式如下：

Tip：技术案例中串口透传案例，实现的是将蓝牙模组串口所接收到的数据透传到app，并且把app的数据通过蓝牙透传到串口输出，案例本身的实现是针对串口通信和蓝牙透传的结合。

  1. 其实BLE完成初始化的条件并不是进入main函数的while（1）中（系统在调度了几个消息之后才完成的初始化，前几次进入while（1）时初始化都是没完成的），真正完成初始化并且可以运行是在打印BLE is Ready这句话的地方。那个地方你可以看到只要开启QN_DEMO_AUTO宏定义就可以上电广播了。
  2. 设备名默认从NVDS中写入，但是软件也可以修改，可以用app_gap_set_devname_req修改设备名。

  3. 如果你非要用软件指定，参考广播内容设定，取消NVDS读取，直接利用app_gap_set_devname_req函数指定设备名，然后将QN_LOACL_NAME广播出去，那么设备名和广播中的设备名都会是QN_LOCAL_NAME了。

    具体实施如下

    修改自动广播，无需向上拨动按键：

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    #=> App_config.h中，取消如下的注释即可
    #define QN_DEMO_AUTO             1

    在广播之前改变设备的名字，注意app_set_adv_data函数

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    //Set remote device name
    app_gap_set_devname_req("nephen",6);
    // Created DB should has been finished by each profile service,
    // Start Adv mode automatically here
    app_gap_adv_start_req(GAP_GEN_DISCOVERABLE|GAP_UND_CONNECTABLE, 
    app_env.adv_data, app_set_adv_data(GAP_GEN_DISCOVERABLE), 
    app_env.scanrsp_data, app_set_scan_rsp_data(app_get_local_service_flag()),
    GAP_ADV_FAST_INTV1, GAP_ADV_FAST_INTV2);

  4. 接收手机app中9600可写属性发送的数据。
    由下面Qpps_task.c可知，当有数据到达蓝牙时，会触发gatt_write_cmd_ind_handler，同理，发送数据触发qpps_data_send_req_handler，得到通知触发gatt_notify_cmp_evt_handler，app层对应的api是app_qpps_data_send_cfm_handler、app_qpps_data_ind_handler、app_qpps_cfg_indntf_ind_handler，下文会提到，只会对这些做修改

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    /// Connected State handler definition.
    const struct ke_msg_handler qpps_connected[] =
    {
        {QPPS_DATA_SEND_REQ,    (ke_msg_func_t) qpps_data_send_req_handler},
        {GATT_WRITE_CMD_IND,    (ke_msg_func_t) gatt_write_cmd_ind_handler},
        {GATT_NOTIFY_CMP_EVT,   (ke_msg_func_t) gatt_notify_cmp_evt_handler},
    };

    而在gatt_write_cmd_ind_handler函数里，会对QPPS_IDX_RX_DATA_VAL属性进行处理

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    else if (param->handle == (qpps_env.shdl + QPPS_IDX_RX_DATA_VAL))
            {
                if (param->length <= QPP_DATA_MAX_LEN)
                {
                    //inform APP of configuration change
                    struct qpps_data_val_ind * ind = KE_MSG_ALLOC_DYN(QPPS_DAVA_VAL_IND,
                                                                      qpps_env.appid,
                                                                      TASK_QPPS,
                                                                      qpps_data_val_ind, param->length);

                    memcpy(&ind->conhdl, &(qpps_env.conhdl), sizeof(uint16_t));
                    //Send received data to app value
                    ind->length = param->length;
                    memcpy(ind->data, param->value, param->length);

                    ke_msg_send(ind);
                }
                else
                {
                    status = QPPS_ERR_RX_DATA_EXCEED_MAX_LENGTH;
                }
            }

    再由上面的QPPS_DAVA_VAL_IND可知会跳到下面这个函数，在这里对接收到的数据进行处理

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    int app_qpps_data_ind_handler(ke_msg_id_t const msgid,
                                  struct qpps_data_val_ind *param,
                                  ke_task_id_t const dest_id,
                                  ke_task_id_t const src_id)
    {
    	 uint8_t i;
        if (param->length > 0)
        {
            QPRINTF("len=%d, I%02X", param->length, param->data[0]);
    		 QPRINTF("\r\n");
    		 QPRINTF("the receive data is :");
    		 for(i=0;i<param->length;i++)
    	 	 {
    	 		QPRINTF("%x",param->data[i]);
    	 	 }
        }
        QPRINTF("\r\n");

        return (KE_MSG_CONSUMED);
    }

    当发送数据为29时，CuteCom蓝牙接收数据为

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    QN BLE is ready.
    Set device name complete
    Advertising start.
    Connection with 1FDA7E9F8E30 result is 0x0.
    LTK request indication idx is 0, auth_req is 0.
    Start encryption complete, idx 0, status 0, key_size 0, sec_prop 1, bonded 0.
    Slave update success.
    Update parameter complete, interval: 0xc, latency: 0x0, sup to: 0x12c.
    len=1, I29
    the receive data is :29

  5. App收取蓝牙通知。通过点击app上5个特征的通知，能获取蓝牙模块的实时通知。Gatt层与通知相关的函数是qpps_data_send_req_handler，但我们只需要修改app开头的api即可完成相应的开发，现象及分析如下：
    当点击app上的通知时，会进入如下的函数，为了调试将其调整为如下：

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    int app_qpps_cfg_indntf_ind_handler(ke_msg_id_t const msgid,
                                        struct qpps_cfg_indntf_ind *param,
                                        ke_task_id_t const dest_id,
                                        ke_task_id_t const src_id)
    {
        if (app_qpps_env->conhdl == param->conhdl)
        {
        	QPRINTF("enter app_qpps_cfg_indntf_ind_handler");
    		QPRINTF("\r\n");
            if (param->cfg_val == PRF_CLI_START_NTF)
            {
            	QPRINTF("enter PRF_CLI_START_NTF");
    			QPRINTF("\r\n");
    			app_qpps_env->features |= (QPPS_VALUE_NTF_CFG << param->char_index);
    			QPRINTF("app_qpps_env->features is %d, param->char_index is %d",app_qpps_env->features,param->char_index);
    			QPRINTF("\r\n");
                // App send data if all of characteristic have been configured
                if (get_bit_num(app_qpps_env->features) == app_qpps_env->tx_char_num)//num is 5
                {
                	QPRINTF("enter app_qpps_env->features");
    				QPRINTF("\r\n");
                    app_qpps_env->char_status = app_qpps_env->features;
                    app_test_send_data(app_qpps_env->tx_char_num - 1);
                }
            }
            else
            {
                app_qpps_env->features &= ~(QPPS_VALUE_NTF_CFG << param->char_index);
                app_qpps_env->char_status &= ~(QPPS_VALUE_NTF_CFG << param->char_index);
            }
        }

        return (KE_MSG_CONSUMED);
    }

    其中，param->char_index代表第几个可通知特征，app_qpps_env->tx_char_num为特征的数量5，只有当所有特征都进入通知状态时蓝牙模块才会发数据到手机app。

    数据发送的过程见如下函数，这个函数中的数据val可以改为项目中的需求，如IO口状态

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    static void app_test_send_data(uint8_t max)
    {
        uint8_t cnt;

    	QPRINTF("enter app_test_send_data");
    	QPRINTF("\r\n");
        for (cnt = 0; (max != 0) && cnt < app_qpps_env->tx_char_num; cnt++)
        {
            if ((app_qpps_env->char_status >> cnt) & QPPS_VALUE_NTF_CFG)
            {
                static uint8_t val[] = {0, '0', '1', '2','3','4','5','6','7','8','9','8','7','6','5','4','3','2','1','0'};

                // Increment the first byte for test 
                val[0]++;

                max--;
                // Allow next notify until confirmation received in this characteristic
                app_qpps_env->char_status &= ~(QPPS_VALUE_NTF_CFG << cnt);
                app_qpps_data_send(app_qpps_env->conhdl, cnt, sizeof(val), val);
            }
        }
    }

    数据发送后，有一个发送确认函数app_qpps_data_send_cfm_handler，发送成功后手机上看到的现象是这样的

至此完成的功能为，实时反应蓝牙通知信息，app发数据控制蓝牙模块。


QTool使用

QTool是一个运行在PC端的应用软件，允许用户启动两个BLE设备之间的连接，它能帮助用户分析BLE蓝牙。它是通过串口与BLE设备进行通信，通过ACI命令扮演网络处理器的作用。

打开pdf使用文档

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~ $ cd /home/nephne/.wine/drive_c/QBlue/QN9020/QBlue-1.3.7/Documents
~ $ evince QBlue\ ISP\ Studio\ Manual\ v1.0.pdf

插入USB连接蓝牙模块，下载np_controller_B2.bin，然后打开QTool进入设备连接。关于界面说明见系统文档。

例如：点击Setting-Server-QPPS里的Create DB，然后进入Setting-Mode里点击Advertising，即可实现如上QPPS工程的效果。而在旁边的Local Device Traces窗口可以看到程序的大概运行过程。


参考文档

nephen wechat
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