手把手教你开发BLE数据透传应用程序

Nordic开发环境如何快速搭建？如何理解Nordic的BLE透传服务？如何开发自己的数据透传应用？如何提高BLE数据传输速率？手机和BLE设备之间通信有没有什么工具可以进行压力测试？哪里可以找到手机端BLE app参考程序？本文将对以上问题进行解答。

在很多应用场合，BLE只是作为一个数据透传模块，即将设备端数据上传给手机，同时接收手机端下发的数据。本文将和大家一起，一步一步演示如何开发一个BLE透传应用程序。按照本文的说明，大家可以很快就实现一个BLE透传应用，BLE透传应用已经是BLE应用中比较复杂的一种，一旦大家掌握了BLE透传应用，其他BLE应用开发就更不在话下了。本文还将手把手教大家如何提高BLE数据传输速度（在蓝牙4.2模式下我们实测速度达到了85kB/s（理论值90kB/s）；在蓝牙5.0模式下我们实测速度达到了150kB/s（理论值170kB/s））。最后，我们将告诉大家如何使用安卓版nRF Connect来对你的BLE设备进行压力测试，以测试设备的稳定性和可靠性。文章的最后还会告诉大家如何找到安卓和iOS手机BLE app开发参考代码。

这是一篇纯实践的文章，如果你对低功耗蓝牙的一些基本概念还不是很懂的话，那么建议你先看一下这篇文章：低功耗蓝牙ATT_GATT_Profile_Service_Char规格解读，有了BLE这些基本概念后，再去看下面的内容，就容易多了。

文中涉及的所有代码都可以在百度网盘找到，地址如下所示：

• 链接: https://pan.baidu.com/s/1FKTfY3Q_zBVvviO7KC7Gyg#list/path=%2Fblog   密码: y8fb

下载“ble_app_uart_hs_SDK16_0_0.rar”，解压缩到SDK16.0.0如下目录下：nRF5SDK160098a08e2examplesle_peripheral，即可成功编译和运行。

注意：虽然本文代码是基于SDK16.0.0开发的，但所有新增代码都可以直接拷贝到SDK15.0.0/SDK15.2.0/SDK15.3.0的ble_app_uart例子，并可以成功编译和运行，他们是完全兼容的。 

1. 开发准备

1)      Nordic nRF52或者nRF51开发板1块。请参考“Nordic nRF51/nRF52开发流程说明”，购买相应开发板（DK）。

2)      开发环境搭建。简述如下（详细说明请参考“Nordic nRF51/nRF52开发环境搭建”）：

• 安装Keil5 MDK
• 安装SDK。如果你使用的是nRF52开发板，请安装最新版nRF5 SDK（现在最新版本是：nRF5 SDK v16.0.0），下载链接：https://www.nordicsemi.com/Software-and-Tools/Software/nRF5-SDK/Download#infotabs。如果你手上是nRF51开发板，请选择nRF5 SDK v12.3.0（nRF51最高SDK版本只能到12.3.0，后续SDK就不再支持nRF51了）
• 安装ARM CMSIS4.5.0，下载链接：https://github.com/ARM-software/CMSIS/releases/download/v4.5.0/ARM.CMSIS.4.5.0.pack。
• 安装Keil5 Device Family Pack，下载链接：https://www.nordicsemi.com/Software-and-Tools/Development-Tools/nRF-MDK/Download#infotabs。
• 安装nRF Command Line Tools，下载链接（Windows版）：https://www.nordicsemi.com/Software-and-Tools/Development-Tools/nRF-Command-Line-Tools/Download#infotabs。
• 安装安卓版或者iOS版nRF connect。iOS版nRF connect请到苹果app store下载。安卓版nRF connect可以到Nordic Github官网上下载，下载链接为：https://github.com/NordicSemiconductor/Android-nRF-Connect/releases
• 安装PC版nRF connect。PC版nRF connect下载链接（Windows版）：https://www.nordicsemi.com/Software-and-tools/Development-Tools/nRF-Connect-for-desktop/Download。

注：如果你使用的是Linux系统/Mac系统，或者你使用的不是Keil5-MDK，请参考“Nordic nRF51/nRF52开发环境搭建”来搭建你的开发环境。

2. 运行Nordic ble_app_uart应用程序

Nordic SDK已经提供了一个直接就可以编译和运行的数据透传应用程序：ble_app_uart，Nordic将BLE透传服务称为Nordic UART Service（NUS），所以在Nordic SDK中，NUS就是BLE透传服务。请按照如下步骤运行SDK自带的ble_app_uart程序：

• 确认自己的芯片型号或者开发板。如果采用Nordic官方开发板的话，芯片型号和开发板编号对应关系如下：
  • nRF52832和nRF52810对应开发板编号为PCA10040。虽然52832和52810共用同一块开发板，但是他们在SDK中的项目编号是不一样的，52832对应PCA10040目录，52810对应PCA10040e目录，由于52810和52832 PIN to PIN兼容，软件也是完全兼容的，因此SDK很多项目只有PCA10040的目录，而没有PCA10040e目录，此时需要你自己来建立PCA10040e对应的目录和工程，具体说明可参考：https://infocenter.nordicsemi.com/topic/sdk_nrf5_v16.0.0/nrf52810_user_guide.html?cp=7_1_5_0。
  • nRF52840和nRF52811对应开发板编号为PCA10056。与832/810相似，52840对应的工程目录为PCA10056，而52811对应的工程目录为PCA10056e。如何建立一个PCA10056e的项目工程可以参考：https://infocenter.nordicsemi.com/topic/sdk_nrf5_v16.0.0/nrf52811_user_guide.html?cp=7_1_5_1。
  • nRF52840 dongle编号为PCA10059。PCA10059是一个可以直接插入电脑的小dongle，它也是使用52840芯片，但本身不带JLink接口芯片。
  • nRF52833对应开发板编号为PCA10100
  • nRF51系列对应开发板编号为PCA10028

这里我会以nRF52832开发板PCA10040为例来阐述整个开发过程，其他开发板与之类似，大家可以举一反三来开始自己的开发之旅。

• 将开发板与PC机通过USB线相连，同时打开开发板电源（将左下角的拨位开关打到“ON”位置）。

 

• 打开SDK中的ble_app_uart程序。如果是52832开发板，请打开：nRF5_SDK_15.0.0_a53641aexamplesle_peripheralle_app_uartpca10040s132arm5_no_packs；如果是51822开发板，请打开：nRF5_SDK_12.3.0_d7731adexamplesle_peripheralle_app_uartpca10028s130arm5_no_packs

 后续将以52832开发板为例来阐述，51822等其他芯片与之类似就不再阐述了。 

注：Nordic SDK例程目录结构为：SDK版本/ examples /蓝牙角色/例子名称/开发板型号/协议栈型号/工具链类型/具体工程，比如下面例子：

  

Nordic每一个例子都支持5种工具链：Keil5/Keil4/IAR/GCC/SES，如下所示：

   

• 编译程序。如果你已经按照之前的说明配置好了开发环境，那么这里编译是不会报任何错的。（如果你遇到了编译错误，请重新按照前面说明去搭建你的开发环境，不要怀疑SDK例子代码有问题哦）
• 下载程序。程序下载包括2步：一先下载softdevice，二再下载应用。Softdevice是Nordic蓝牙协议栈的名称，整个开发过程中只需下载一次。应用就是我们这里的ble_app_uart程序。如果你的开发板已经下载了其他代码，那么最好先把开发板全擦一次，然后再下载softdevice和应用。
  • 芯片全擦（可选）。你可以使用nRF connect桌面版或者nrfjprog，二选其一来执行擦除操作。
    • 打开桌面版nRF Connect，选择启动“Programmer”应用，由于驱动之前已经安装好了，设备可以立即识别成功，执行“Erase all”操作，以擦除芯片原始内容

 

• • • 使用nrfjprog执行全擦操作

 

• • 蓝牙协议栈下载（整个开发周期只需下载一次）。在Keil ‘select target’下拉列表中，默认选择的是Keil工程对应的Target，即‘nrf52832_xxaa’。我们还可以选择另一个target ‘flash_s132_nrf52_7.0.1_softdevice’，即softdevice对应的target，然后点击“下载download”(不需要编译哦！)，此时会把softdevice下载到开发板中。

  

注：你也可以通过桌面版nRF connect的programmer或者nrfjprog来下载softdevice，下载的时候，找到相应的softdevice hex文件，然后直接下载进去即可。 

• • 应用下载。重新选择Target：‘nrf52832_xxaa’，点击“下载Download”，此时会把ble_app_uart应用程序下载到开发板中。此时开发板的LED1闪烁，表示程序运行正常。
• 连接手机。打开手机蓝牙和手机版nRF connect。在nRF connect中，你将看到一个广播设备：Nordic_UART，这个就是开发板的广播名字。点击“CONNECT”，手机将与设备建立连接，并开始服务发现过程，连接成功后，LED1熄灭，LED2点亮，两个关键界面如下所示：

 

  

上图的Nordic UART Service（NUS）就是我们的数据透传服务， NUS具体包括两个characteristic：TX和RX，由于NUS是由设备提供的，所以TX表示设备发送数据给手机，RX表示设备接收手机发过来的数据。

• 测试NUS服务。ble_app_uart使用串口与上位机交互，选择一款串口助手软件，比如Putty，打开该串口软件，并做如下设置：

Baud rate: 115.200kbps
8 data bits
1 stop bit
No parity
HW flow control: None

复位开发板，你会发现串口助手会打印如下信息：

  

重新将开发板连上手机，然后点击右上角的“Enable CCCDs”以使能notification，如下所示： 

 

设备接收数据： 点击RX characteristic旁边的向上箭头，通过手机蓝牙往设备发送：12345678，如下所示：

  

此时设备通过串口打印出刚才接收到的数据，如下所示：

  

设备发送数据：在串口助手中输入“abcdefgh”并输入“ ”（注：在Putty中，先按“CTRL”再按“J”就会发出“ ”换行符）作为结束符，设备将把串口收到的数据通过蓝牙发送给手机，手机的TX characteristic将显示上述字符串，如下所示： 

 

 注：如果你的串口助手发不出“ ”换行符，那么你需要最少输入MTU-3个字符，设备才会把收到的全部字符通过蓝牙发出去。

通过上面的测试，大家可以发现Nordic SDK已经把蓝牙数据透传服务做好了，大家可以直接拿过来使用，下面将对其工作原理进行阐述，最后在Nordic蓝牙透传例子ble_app_uart上进行二次开发，以增加一些其他有用的功能。

3. 设备端固件代码一览

现在我们一起来看一下ble_app_uart的源代码，看看它是怎么工作起来的。首先我们来看main函数：

  

如上所述，ble_stack_init用于初始化配置和使能蓝牙协议栈，其代码如下所示：

 

其中，nrf_sdh_enable_request需要选择蓝牙协议栈的低频时钟（由于蓝牙协议栈的高频时钟必须为外部32M晶振，所以高频时钟无需配置；而低频时钟可以选择为内部32K RC或者外部32K晶振，所以低频时钟需要人工配置），因此如下宏需要根据实际情况进行调整：

nrf_clock_lf_cfg_t const clock_lf_cfg =
{
        .source       = NRF_SDH_CLOCK_LF_SRC,
        .rc_ctiv      = NRF_SDH_CLOCK_LF_RC_CTIV,
        .rc_temp_ctiv = NRF_SDH_CLOCK_LF_RC_TEMP_CTIV,
        .accuracy     = NRF_SDH_CLOCK_LF_ACCURACY
};

通过sdk_config.h文件可以看到，默认是选择外部32K晶振作为低频时钟的，如果你想选择内部32K RC作为低频时钟，那么需要做如下修改：

NRF_SDH_CLOCK_LF_SRC = 0
NRF_SDH_CLOCK_LF_RC_CTIV = 16    //每4s启动一次校准
NRF_SDH_CLOCK_LF_RC_TEMP_CTIV = 2
NRF_SDH_CLOCK_LF_ACCURACY = 1  //500ppm

nrf_sdh_ble_default_cfg_set用来配置softdevice协议栈，如下宏是经常需要修改的：

NRF_SDH_BLE_PERIPHERAL_LINK_COUNT  //作为从模式的连接同时能有几个
NRF_SDH_BLE_CENTRAL_LINK_COUNT  //作为主模式的连接同时能有几个
NRF_SDH_BLE_TOTAL_LINK_COUNT  //一共同时可以支持多少个连接，NRF_SDH_BLE_TOTAL_LINK_COUNT= NRF_SDH_BLE_PERIPHERAL_LINK_COUNT+ NRF_SDH_BLE_CENTRAL_LINK_COUNT
NRF_SDH_BLE_GATT_MAX_MTU_SIZE //MTU为多大
NRF_SDH_BLE_GAP_DATA_LENGTH //链路层数据包的最大长度，它的值要大于NRF_SDH_BLE_GATT_MAX_MTU_SIZE
NRF_SDH_BLE_GAP_EVENT_LENGTH /*一次连接间隔中分配给某个connection的物理层时间，这个时间必须大于等于NRF_SDH_BLE_GAP_DATA_LENGTH最长的包占用的时间，否则协议栈初始化会报错。如果这个时间是NRF_SDH_BLE_GAP_DATA_LENGTH的两倍甚至更多，那么在一个连接间隔中就可以连发两个甚至多个notify或者write command命令 */
NRF_SDH_BLE_VS_UUID_COUNT  //用户自定义的base UUID有几个
NRF_SDH_BLE_SERVICE_CHANGED  //要不要包含service change characteristic
NRF_SDH_BLE_GATTS_ATTR_TAB_SIZE  /*Attribute table总共占多少蓝牙协议栈RAM空间，这个宏的取值是需要用户不断去试错的，每当你添加了或者删除了BLE service/characteristic，那么attribute table占用的RAM的空间就会变。注意：NRF_SDH_BLE_GATTS_ATTR_TAB_SIZE是蓝牙协议栈占用的总RAM空间的一部分，所以当NRF_SDH_BLE_GATTS_ATTR_TAB_SIZE变大时，softdevice占用的总RAM空间也会变大。Softdevice占用的总RAM空间是在编译的时候静态设置的，如下所示，本应用程序分配了0x20000000~0x20002AD8 RAM空间给协议栈（所有的nRF5芯片的RAM物理起始地址都是0x20000000），即softdevice总共占用了0x2AD8的RAM空间。而0x20002AD8往上直到RAM最高物理地址就是留给应用程序使用的，本程序分配了0xD528 RAM空间给应用程序。0x2AD8 + 0xD528 = 0x10000 = 64kB，正好是nRF52832的RAM总空间大小。*/

 

nrf_sdh_ble_enable真正使能BLE功能，它的参数ram_start既是一个输入参数又是一个输出参数，作为输入参数，系统自动会把上面的RAM起始地址（0x20002AD8）传入，同时nrf_sdh_ble_enable会把softdevice当前配置情况下，它实际需要占用的RAM空间通过ram_start返回，如果这个返回值不等于输入值，那么用户需要把上图的IRAM1起始地址修改成它的返回值。这里面又分两种情况：如果返回值大于输入值，那么必须调整IRAM1起始地址，否则协议栈初始化失败；如果返回值小于输入值，这种情况也推荐去调整IRAM1起始地址，当然如果你不调整IRAM1起始地址也没有关系，因为这种情况表示协议栈实际需要的RAM的空间小于你分配给它的RAM空间，所以协议栈初始化不会出问题，这种情况只是会浪费一些RAM空间而已。请注意，任何协议栈配置宏的修改，包括NRF_SDH_BLE_GATTS_ATTR_TAB_SIZE，都有可能导致协议栈占用的RAM空间发生变化，进而需要去调整IRAM1起始地址。一种常见的场景是，用户添加了某个service，从而需要先增大NRF_SDH_BLE_GATTS_ATTR_TAB_SIZE这个宏的值，然后通过nrf_sdh_ble_enable得到ram_start实际起始地址，最后把ram_start的值赋给IRAM1起始地址。

NRF_SDH_BLE_OBSERVER用来为本地文件（此处为main.c文件）注册一个BLE回调函数（此处为ble_evt_handler），NRF_SDH_BLE_OBSERVER这个宏执行成功后，所有的BLE事件都会被ble_evt_handler捕获。进入ble_evt_handler，你会发现BLE有上百个回调事件，你不需要每个都处理，你只需要处理你关心的事件即可，比如连接成功事件BLE_GAP_EVT_CONNECTED或者连接断开事件BLE_GAP_EVT_DISCONNECTED。NRF_SDH_BLE_OBSERVER有一个很大的好处：某个文件如果需要捕获BLE事件，那么它只需在本文件中某处（可以在函数内也可以在函数外）调用NRF_SDH_BLE_OBSERVER这个宏去注册一个回调函数即可，而不再需要在其它文件中去注册这个回调函数，将模块的耦合性降到最低，符合模块化编程思想。

gap_params_init用来修改广播名字和连接间隔的。gatt_init用来修改底层数据包长度的。advertising_init用来修改广播包内容，广播间隔以及广播超时时间。conn_params_init用来请求更新连接间隔的。

下面我们来重点讲一下services_init，services_init用来添加服务和characteristic，“低功耗蓝牙ATT_GATT_Profile_Service_Char规格解读”讲了那么多的概念和理论，现在我们就来看看services_init是如何做到跟理论一致的。services_init通过ble_nus_init添加了一个蓝牙数据透传服务：NUS，那ble_nus_init是怎么将NUS服务添加成功的呢？查看ble_nus_init函数体，你会发现它是分三步来做的：

1. 添加base UUID。如果是蓝牙标准UUID，这步可以省略。由于NUS不是蓝牙联盟定义的，所以需要调用sd_ble_uuid_vs_add以添加一个供应商自定义的UUID。
2. 添加服务本身。直接调用sd_ble_gatts_service_add就可以完成。
3. 添加服务下面的characteristics。服务的characteristic现在可以通过characteristic_add直接添加完成（characteristic_add最终是通过调用sd_ble_gatts_characteristic_add实现自己目的的）。以NUS的TX characteristic添加为例，其对应代码为：              

 characteristic_add(p_nus->service_handle, &add_char_params, &p_nus->tx_handles)

其中，p_nus->service_handle表示该characteristic属于那个service，p_nus->tx_handles是输出参数，由协议栈返回，以后访问该characteristic都是通过这些句柄来完成，p_nus->tx_handles是一个结构体，它包含如下成员变量：

typedef struct
{
uint16_t value_handle; /**< Handle to the characteristic value. */
uint16_t user_desc_handle; /**< Handle to the User Description descriptor, or @ref BLE_GATT_HANDLE_INVALID if not present. */
uint16_t cccd_handle; /**< Handle to the Client Characteristic Configuration Descriptor, or @ref BLE_GATT_HANDLE_INVALID if not present. */
uint16_t sccd_handle; /**< Handle to the Server Characteristic Configuration Descriptor, or @ref BLE_GATT_HANDLE_INVALID if not present. */
} ble_gatts_char_handles_t;

add_char_params （类型为ble_add_char_params_t）是对characteristic的参数进行赋值，如“低功耗蓝牙ATT_GATT_Profile_Service_Char规格解读”所述，characteristic包含多个attribute，每个attribute都有自己的value/handle/uuid/permission，所以ble_add_char_params_t这个结构体设计的比较复杂。这里需要大家明白的是，characteristic核心attribute是value attribute，所以当我们讲characteristic的时候，其实隐含是在说value attribute。换句话说，我们定义characteristic的参数，其实是在定义value的参数，比如我们定义characteristic的访问权限，其实就是指value的访问权限。add_char_params参数解读如下：

 

TX characteristic只需赋值上述参数即可，但对某些其他characteristic，它需要赋值的参数会更多，这里再罗列一下ble_add_char_params_t这个结构体其他一些关键参数：

 

• is_defered_read/ is_defered_write，即authorize read/write，即在read/write characteristic value之前，先进入用户回调函数，由用户回调函数决定这个read/write操作是否允许，以及value最终为多少。
• is_value_user，默认情况下所有attribute/characteristic是存放在协议栈专用RAM中（即上述的IRAM1起始地址以下地方），这种做法的好处是所有attribute由协议栈自动管理，用户无需操心。但有时候，用户想自己控制某个characteristic，那么这个时候就可以把is_value_user设为1，将其放在应用程序RAM空间。is_value_user和is_defered_read配合使用，可以达到一些意想不到效果。

这里需要特别提醒大家的是，虽然Nordic API结构体参数设计得很复杂，但是大部分成员变量都直接采用0作为它的默认值，换句话说，大家只需对自己感兴趣的变量进行赋值即可，其他的变量可以直接采用默认值，因此大家经常会看到如下操作场合，即先用memset将该结构体变量初始化为0，让所有成员变量都采用默认值，然后再对某些需要修改的成员变量进行二次赋值。大家一定不要忘了将结构体变量清零这一步操作！

  

ble_nus_init同时注册了nus_data_handler回调函数，当设备收到手机发过来的数据时，就会触发nus_data_handler，用户可以在nus_data_handler中对接收到的数据进行处理，本例程中nus_data_handler直接将ble收到的数据通过uart口转发出去。如果用户需要发送数据给手机，在连接成功和notify使能的情况下，直接调用ble_nus_data_send即可，而ble_nus_data_send又是通过调用协议栈API：sd_ble_gatts_hvx来实现数据发送功能的。那么什么时候需要发送数据给手机？本例程的做法是，当串口有数据过来并满足如下条件时调用ble_nus_data_send：

if ((data_array[index - 1] == '
') || (index >= (m_ble_nus_max_data_len)))

即遇到换行符或者字符数达到MTU，设备才会把串口收到的数据发给手机，这个测试的时候请注意一下。

main函数最后将调用API让协议栈跑起来，如果你的设备是一个从设备（peripheral），那么请调用ble_advertising_start，ble_advertising_start将开启可连接的广播，从而让你的设备连接成功之后成为从设备。如果你的设备是一个主设备（central），那么请调用sd_ble_gap_scan_start，sd_ble_gap_scan_start将开启设备的扫描功能，从而让你的设备连接成功之后变为主设备。 

最后我们来看main循环，它只有一个函数： idle_state_handle，idle_state_handle先把需要打印的日志打印完，然后让系统进入idle状态（Nordic SoC spec称其为System ON状态），一旦有协议栈事件或者中断事件发生，系统将唤醒，以处理相关事件回调函数，然后再执行一遍idle_state_handle。注意：在idle状态下，蓝牙连接或者广播可以正常进行而不受影响，蓝牙连接或者广播都是周期性的，在一个周期中，蓝牙连接或者广播只持续很短一段时间（几百微妙到几毫秒，与数据包长度有关），CPU或者系统只会在这段时间内工作，其余时间系统都是处于idle状态的，比如广播间隔200ms，CPU或者系统不是持续工作200ms，他们其实只工作几百微妙，大部分时间（199ms多）系统都是处于idle状态的，这就是为什么广播或者连接状态系统平均电流很低的原因。如下为广播间隔200ms时，系统的实时电流波形：

 

如下为200ms连接间隔时对应的实时电流波形：

  

4. 定制你的BLE数据透传应用程序

我们现在在ble_app_uart基础上加入一些定制功能。很多BLE应用场合，都需要快速地把大量数据从设备上传给手机，我们现在模拟这种应用场景，看一下如何修改原始的ble_app_uart以达到我们的目的。

这里假设有一个timer，这个timer每7ms发送一次数据，以模拟传感器等每7ms生成一次数据情况，我们现在来看看如何让这些数据快速发出去并且不发生丢包。这个Timer的ID设为m_timer_speed，它的回调函数为：throughput_timer_handler。原始数据假设放在数组m_data_array，数组的长度正好等于MTU长度的倍数。也就是说，每隔7ms，进入一次throughput_timer_handler，在这个handler中需要把m_data_array中的数据全部正确发出去，这个就是我们的需求。假设m_data_array数据长度为420字节（m_data_array的长度依情况而定，这里只是一个假设），那么此时就需要每7ms发送420字节数据，相当于420B/7ms = 60kB/s。

蓝牙传输速度跟得上吗？怎么做可以满足这个需求呢？在讲解参考代码之前，我们先看一些反例或者误区，这样或许更能帮助大家去理解相关工作机理。

4.1 一些使用上的误区

大家首先想到的做法就是在throughput_timer_handler直接调用 ble_nus_data_send，如下

static void throughput_timer_handler(void * p_context)
{
     err_code = ble_nus_data_send(&m_nus, m_data_array, &length, m_conn_handle);
}

这种做法首先存在如下两个大问题：

• 没有检测返回值err_code。实际上，在这种情况下调用ble_nus_data_send，ble_nus_data_send经常返回NRF_ERROR_RESOURCES，只要err_code不是NRF_SUCCESS，就意味着该数据没有成功放入射频FIFO中，从而出现所谓“丢包”现象。不是包在空中丢了，而是包没有正确放入射频FIFO中，这个就是丢包的原因。
• length变量没有进行最大值限制。ble_nus_data_send不能发送任意长度的数据包，它只能发送小于等于MTU长度的数据包。

如果我们不对返回值进行检测，同时把length设为MTU，然后每调用一次ble_nus_data_send，执行一次m_len_sent += length，即代码如下所示（代码片段1）：

static void throughput_timer_handler(void * p_context)
{
    ret_code_t err_code;
    uint16_t length;
    m_cnt_7ms++;
   //sending code lines
   length = m_ble_nus_max_data_len;
   //new data
   m_data_array[0]++;
   m_data_array[length-1]++;
   err_code = ble_nus_data_send(&m_nus, m_data_array, &length, m_conn_handle);
   m_len_sent += length;
   //calculating data throughput
   NRF_LOG_INFO("time: %d *7ms == bytes send: %d Bytes == avg speed: %d B/s",m_cnt_7ms,m_len_sent,(m_len_sent * 1000)/(m_cnt_7ms*7));
}

我们可以看到如下日志：

  

由上图可知，数据上传吞吐率达到了34.8kB/s，看起来不错，其实这个吞吐率是假的，因为中间丢了很多包，但计算吞吐率的时候把丢的包也算进去了。如下图手机端nRF Connect日志所示，0x6E之后应该为0x6F，但实际发送的数据包编号为0x83，丢包非常严重。

  

为了防止所谓的“丢包”（前面也提过，这里的丢包不是数据包在空中丢掉了，而是数据包没有安全送到协议栈的buffer中，从而导致丢包），我们加上如下if语句（代码片段2），只有ble_nus_data_send返回正确时，才认为数据包正确发送，然后才能算入到最后的数据吞吐率中。

 err_code = ble_nus_data_send(&m_nus, m_data_array, &length, m_conn_handle);
 if (err_code == NRF_SUCCESS)
 {
    m_len_sent += length;
    //new data
    m_data_array[0]++;
    m_data_array[length-1]++;      
}

m_data_array只有在返回成功时才自增（自增表示新数据有效），所以新数据生成速度会比较慢，从而导致数据吞吐率下降。通过查看nRF connect日志，你会发现此时不会发生丢包了，但吞吐率直接降到了4kB/s左右。

之前我们也讲过，为了提高吞吐率，我们可以在一个连接间隔中发多个包。如何可以做到一个连接间隔中发送多个包？除了协议栈需要做一些额外的配置，代码层面可以这么做（代码片段3）：

    do
    {                    
        err_code = ble_nus_data_send(&m_nus, m_data_array, &length, m_conn_handle);
        if ( (err_code != NRF_ERROR_INVALID_STATE) && (err_code != NRF_ERROR_RESOURCES) &&
                 (err_code != NRF_ERROR_NOT_FOUND) )
        {
                APP_ERROR_CHECK(err_code);
        }
        if (err_code == NRF_SUCCESS)
        {
            m_len_sent += length;     
            m_data_array[0]++;
            m_data_array[length-1]++;    
        }
    } while (err_code == NRF_SUCCESS);

测试下来，你会发现上面两份代码（代码片段2和代码片段3）测试结果是一样的。那么问题到底出在哪？下面进行解读。 

4.2 参考代码解读

 欲达到最大的数据吞吐率，必须保证蓝牙带宽尽可能被利用，换句话说，必须保证蓝牙包尽可能占满整个时间轴，如下所示：

  

反之，如果连接间隔很长，而且一个间隔只发一个包，那么哪怕这个包包长为251字节，吞吐率也不可能高，如下所示：

  

粗略来说，

蓝牙数据传输吞吐率 = 一个连接间隔传输的数据 / 连接间隔 = 一个数据包长度 * 包数 / 连接间隔

比如连接间隔设为60ms，一个间隔只传一个244字节的数据包，此时吞吐率为：244B/60ms = 4.1 kB/s，这就是4.1节数据传输速率上不去的根本原因。

实际情况比上面公式复杂得多，但是我们做理论分析时可以以这个公式作为参考。从上面公式可知，欲提高数据吞吐率，可以从数据包长度，每个连接间隔发送的总包数，以及连接间隔等三个方面入手，这里需要提醒大家的是，不是包长越长越好，也不是间隔越短越好，必须将三者统一起来一起考虑。如果发送短包时能保证一个间隔发送很多短包，那么此时短包有可能比长包速率还要快；如果连接间隔大时能保证一个间隔发送很多的数据包，那么此时大的连接间隔速率有可能比小的连接间隔还要快。针对不同的手机，不同的蓝牙设备，大家一定要统筹好这三个参数，让他们整体达到一个最优值，从而得到你的应用场景下的最高吞吐率。下面看看我们的参考代码如何调整这三个参数的。 

一个数据包的长度取决于下面两个参数：

#define NRF_SDH_BLE_GAP_DATA_LENGTH 251
#define NRF_SDH_BLE_GATT_MAX_MTU_SIZE 247

NRF_SDH_BLE_GAP_DATA_LENGTH ≥ (NRF_SDH_BLE_GATT_MAX_MTU_SIZE+4) ，NRF_SDH_BLE_GAP_DATA_LENGTH最大值为251，这里MTU设为247，也就相当于把数据包应用数据最大长度设为247-3=244字节

连接间隔由下面两个参数建议：

#define MIN_CONN_INTERVAL               MSEC_TO_UNITS(30, UNIT_1_25_MS)
#define MAX_CONN_INTERVAL               MSEC_TO_UNITS(30, UNIT_1_25_MS)

上面把最小连接间隔和最大连接间隔都设为30ms，请注意最终连接间隔设为多少只能由蓝牙主设备决定，蓝牙从设备只有建议权。由于我们的设备是一个从设备，所以上面就是对主机提出建议：希望主机把连接间隔设为30ms，主机可以接受也可以拒绝这个请求。

一个连接间隔可以发多个包由下面参数决定：

#define NRF_SDH_BLE_GAP_EVENT_LENGTH 24

NRF_SDH_BLE_GAP_EVENT_LENGTH的单位是1.25ms，所以这里的NRF_SDH_BLE_GAP_EVENT_LENGTH是30ms，如果连接间隔也为30ms，那就意味着整个连接间隔都可以用来发送蓝牙数据包，大家知道一个251字节的蓝牙数据包和它的ACK包总共在空中大概持续2.5ms时间，这样我们可以大概估算30ms连接间隔中理论上可以发的包数：NRF_SDH_BLE_GAP_EVENT_LENGTH / 2.5ms = 12，虽然NRF_SDH_BLE_GAP_EVENT_LENGTH等于连接间隔，但不表示整个连接间隔都可以用来发送蓝牙数据包，因为每个连接间隔还需要预留一些时间给协议栈调度，射频初始化，以及应用程序执行，这个时间假设为3ms，那么上面的配置情况下，30ms连接间隔理论上可以发送的最大包数为：(30-3)/2.5 = 10，即理论上蓝牙数据传输最高速度可以达到：(244*10)/30ms = 81kB/s。

回到上一节问题，为什么代码片段3和代码片段2测试结果差不多呢？因为代码片段3没有对协议栈进行额外配置，所以传输速率起不来。现在我们把上面的配置加上去，看一下代码片段3传输速率能到多少？

  

数据吞吐率只有32kB/s，跟理论值81kB/s还是差了不少，这个又是什么原因呢？

为了分析问题，我们把打印方式改成如下方式：

    if (m_cnt_7ms == 143)
    {
        NRF_LOG_INFO("==**Speed: %d B/s**==", m_len_sent);
        m_cnt_7ms = 0;
        m_len_sent = 0;
        m_data_array[0] = 0;
        m_data_array[length-1] = 0;
    }    
    NRF_LOG_INFO("PacketNo.: %d == Time: %d *7ms", m_data_array[0], m_cnt_7ms);    

相应打印日志如下所示：

  

可以看出，我们的设备每49ms才发了4个包或者5个包，这就是为什么它的吞吐率只有30kB/s左右的原因。49ms发4个包或者5个包，到底是协议栈配置问题，还是手机端限制问题，抑或是应用程序逻辑问题？从上面的日志我们可以推出，协议栈射频FIFO为4（这个是日志给我们的推论，我们也暂且这么认为），而不是我们预想的10，换句话说，30ms连接间隔最多发4个包，即244*4/30ms = 32kB/s，正好跟我们实测值差不多。

如果我们把连接间隔改为14ms，那么吞吐率是不是可以达到：244*4/14ms = 69.7kB/s

  

可以看到，基本上达到预期了。大家可以尝试把连接间隔进一步减少，看一下吞吐率会不会进一步提高？答案是否，具体原因大家可以自己去想一下。

但是60kB/s跟我们的理论速度80kB/s相比，还是相差有一点大，有没有办法能不能进一步提高吞吐率？我们现在把连接间隔重新改为30ms，然后在nus_data_handler中加入如下代码：

        else if (p_evt->type == BLE_NUS_EVT_TX_RDY)
        {        
            ret_code_t err_code;
            uint16_t length;                
            //sending code lines
            length = m_ble_nus_max_data_len;    
            do
            {                    
                err_code = ble_nus_data_send(&m_nus, m_data_array, &length, m_conn_handle);
                if ( (err_code != NRF_ERROR_INVALID_STATE) && (err_code != NRF_ERROR_RESOURCES) &&
                         (err_code != NRF_ERROR_NOT_FOUND) )
                {
                        APP_ERROR_CHECK(err_code);
                }
                if (err_code == NRF_SUCCESS)
                {
                    m_len_sent += length;     
                    m_data_array[0]++;
                    m_data_array[length-1]++;    
                }
            } while (err_code == NRF_SUCCESS);
        }

ble_nus_data_send 对应的ATT PDU是notification，notification是没有response的，但它还是有ACK的，ACK表示对方已经正确收到该包。在Nordic SDK中，BLE_NUS_EVT_TX_RDY事件即表示notification的ACK包，也就是说，每收到BLE_NUS_EVT_TX_RDY这个事件，表示一个或者多个notification包已经被对方正确接收。假设协议栈射频FIFO为10并且已满，此时协议栈将自动将这10个包发出去，每发出去1个包或者多个包（这里用n替代），产生一次BLE_NUS_EVT_TX_RDY回调事件，此时FIFO中还有10-n个包待发送，换句话说，射频FIFO又可以重新入队n个新的数据包进来。通过这种方式，我们可以让一个连接间隔所有时间都用来发数据包，直至下一个连接间隔。

下面为新代码对应的日志，由日志可见，设备在30ms的连接间隔中发出了10个蓝牙包，说明之前的协议栈配置没有问题，手机也支持10个蓝牙包，是我们的应用逻辑出问题了，没有让协议栈跑到极限。 

 

如下所示，这种情况下蓝牙数据传输速率可以达到80kB/s左右，基本上快接近蓝牙4.2的理论吞吐率了。

  

4.3 蓝牙5.0高速率模式

蓝牙5.0提出了一个高速率模式，即引入了一个新的调制解调符号率：2Msps，即1秒钟可以传2M个bit，一个bit传输只需1/2M=0.5us。蓝牙4.x低功耗模式只支持1Mbps，也就是说传输1bit需要1us时间。采用2M高速率模式，传输同样长度的蓝牙数据包，所花费的时间只有1M模式的一半，换句话说，同样的连接间隔中，2M模式可以发出的数据包基本上是1M模式的两倍，根据吞吐率计算公式：

蓝牙数据传输吞吐率 = 一个数据包长度 * 包数 / 连接间隔

包数翻倍，在其他条件不变的情况下，相当于数据传输速率翻倍。

只有手机和蓝牙设备同时支持2M模式，并且有一方主动要求更新物理层为2M时，蓝牙通信才会采用2M，上述的速率翻倍才可能实现。

Nordic所有的nRF52设备都支持高速率2M模式，而手机是否支持2M模式，可以通过手机版nRF Connect的 “Device information” 菜单查看，比如我的手机显示如下信息，说明它是支持2M模式的。

  

硬件已经满足了，那软件需要如何修改呢？2M或者1M模式，这个是物理层的概念，对应用来说是完全透明的，也就是说，不管采用2M还是1M模式，应用代码都是一模一样，不需做任何修改。ble_app_uart已经支持2M模式了，相关代码如下所示：

        case BLE_GAP_EVT_PHY_UPDATE_REQUEST:
        {
            NRF_LOG_DEBUG("PHY update request.");
            ble_gap_phys_t const phys =
            {
                .rx_phys = BLE_GAP_PHY_AUTO,
                .tx_phys = BLE_GAP_PHY_AUTO,
            };
            err_code = sd_ble_gap_phy_update(p_ble_evt->evt.gap_evt.conn_handle, &phys);
            APP_ERROR_CHECK(err_code);
        } break;

phy参数有4种：

• BLE_GAP_PHY_1MBPS，强制选择1M模式
• BLE_GAP_PHY_2MBPS，强制选择2M模式
• BLE_GAP_PHY_CODED，强制选择低速率的长距离模式
• BLE_GAP_PHY_AUTO，协议栈自动选择合适的phy层，一般会选择最快最合适的那个phy

请注意：BLE_GAP_EVT_PHY_UPDATE_REQUEST是响应主机端的phy update请求的，如果主机端不发phy update请求，那么phy仍然维持默认的1M模式。碰到这种情况，设备端需要主动发起phy update请求，怎么做呢？只需在连接成功事件中，调用sd_ble_gap_phy_update这个函数即可，这样哪怕手机端不发起phy update请求，设备端也会主动请求phy update。

4.2节的参考代码我都是把phy强制设为BLE_GAP_PHY_1MBPS，现在我们把它重新设为BLE_GAP_PHY_AUTO，然后手机端主动发起2M phy update请求，如下所示：

  

此时蓝牙数据吞吐率如下所示：146kB/s，快接近1M模式下的吞吐率的两倍，符合我们的预期。

  

4.4 更接近实际应用场景的参考代码

 上面的代码只是为了测试蓝牙数据通信最高速率能到多少，但用户的实际应用场景与此差别很大，主要差别就是数据生成方式。上面的代码有效数据生成方式非常简单：直接对原始的数组元素进行自增，实际应用场景数据都是成块生成的，我们这里假设每7ms生成420B字节数据，换句话说，蓝牙数据传输速率必须达到60kB/s，才能把数据全部正确发出去，而不出现所谓丢包或者不同步现象。

在代码中，每生成一个420B数据，我们将其拆成2包数据放到队列（queue）中，然后在7ms timer中断中以及BLE_NUS_EVT_TX_RDY回调中，我们会去查询queue是否为空，如果不空就把队列中的数据通过蓝牙发出去，核心代码如下所示：

    while (!nrf_queue_is_empty(&m_buf_queue) && !retry)
    {
        err_code = nrf_queue_pop(&m_buf_queue, &m_buf);
        APP_ERROR_CHECK(err_code);        
        length = m_buf.length;                    
        err_code = ble_nus_data_send(&m_nus, m_buf.p_data, &length, m_conn_handle);
        //NRF_LOG_INFO("Data: %d", m_buf.p_data[0]);
        if ( (err_code != NRF_ERROR_INVALID_STATE) && (err_code != NRF_ERROR_RESOURCES) &&
                 (err_code != NRF_ERROR_NOT_FOUND) )
        {
                APP_ERROR_CHECK(err_code);
        }
        if (err_code == NRF_SUCCESS)
        {
            m_len_sent += length;
            retry = false;
        }
        else
        {
            retry = true;
            break;
        }
    }            

所有相关代码我们都是通过APP_QUEUE这个宏来控制的，大家可以自己去看一下相关代码，这里就不再解读了。

经过测试我们发现（代码需要打开APP_QUEUE这个宏），当手机亮屏的时候（此时手机需要协调WiFi和蓝牙活动），丢包现象时有发生；当手机息屏的时候，基本上没有丢包现象发生，日志如下所示：

  

这是一个非常接近实际应用场景的代码，大家可以直接参考它来完成自己的开发。这里要注意一点，由于环境的复杂性以及手机需要调度多种射频活动，“丢包”不可避免，大家需要做的是，当“丢包”发生时，即上文的queue发生溢出时，该如何处理？一般而言，都是舍弃相关数据以让程序可以正常往下跑。

上述所有代码都已上传到百度网盘，网盘地址见文章最开始的地方。

5. 如何测试BLE设备的稳定性

在开发蓝牙设备固件的时候，不可避免需要用手机对其进行测试，尤其需要对其进行稳定性测试。一般而言，固件开发和手机app开发是相互独立的，很多时候我们会碰到固件开发差不多了但手机app还没有开发好，这种情况下怎么测试固件和手机交互的功能和稳定性？答案是nRF connect手机版。nRF connect很多功能都简单明了，一看就会，大家可以用它们来做功能性测试。这里我们讲一下nRF connect的宏录制功能，大家可以用宏录制功能来测试BLE通信的稳定性。强调一下，宏录制功能目前只有安卓版nRF Connect支持，iOS版nRF Connect还不支持这个特性。

5.1 手机端宏录制方式

相信到现在大家对BLE数据上传机理和实践有个大概的了解，那如何测试BLE数据下行性能，即怎么测试数据从手机传到设备的稳定性和可靠性？我们是不是必须开发一款手机app来进行相关测试呢？其实不用的，大家可以直接使用Nordic的nRF connect手机版来与你的设备进行交互，从而完成基本功能验证，同时可以使用nRF connect宏录制功能来对设备进行稳定性测试和压力测试。下面我们来讲讲宏录制是怎么工作的。

所谓宏录制，就是把你对nRF connect的操作录制下来，然后通过宏播放实现自动化操作。由于nRF connect是一个容器，并支持JavaScript和HTML语法，宏其实就是一个XML脚本，nRF connect定义了自己的一套XML标签操作，遵守这套XML标签操作，就可以对nRF connect进行自动化操作。nRF connect支持的所有XML语法都在手机安装目录Nordic Semiconductor中的示例中体现，只要示例中出现过的标签就支持，相反示例中没有的标签就不支持。下面具体讲一下宏录制的操作过程。

当nRF connect连接设备成功后，你会发现右下角有一个红点，那个就是宏录制菜单。

  

点击下面的红点，我们开始宏录制操作

 

然后我们按照普通操作来操作nRF connect，这些操作最终对应的BLE指令会被录制下来，以便后续重复播放。我们先把“1234”发送给设备，如下：

  

发送完上述指令后，我们加一个300ms的延时，如下：

  

然后我们点击完成按钮，保存该宏，可以看出这个宏包括两条操作：发送“1234”到设备，然后睡眠300ms。

 

将宏命名为“test”并保存：

 

到此宏已经录制成功了，现在我们开始展示宏的神奇功能。如下，选择循环播放模式，然后点击“开始”按钮开始循环播放该录制宏。

  

大家可以看到，nRF connect先执行“Write 0x31323334 to RX characteristic”，然后睡眠300ms，然后又执行“Write 0x31323334 to RX characteristic”，如此循环往复。打开串口助手，你会发现设备已经收到了手机发过来的一连串“1234”，如下。

 

我们把刚才的test宏导出为XML，看一看它到底长什么样：

<macro name="test" icon="PLAY">
   <assert-service description="Ensure Nordic UART Service" uuid="6e400001-b5a3-f393-e0a9-e50e24dcca9e">
      <assert-characteristic description="Ensure RX Characteristic" uuid="6e400002-b5a3-f393-e0a9-e50e24dcca9e">
         <property name="WRITE" requirement="MANDATORY"/>
      </assert-characteristic>
   </assert-service>
   <write description="Write 0x31323334 to RX Characteristic" characteristic-uuid="6e400002-b5a3-f393-e0a9-e50e24dcca9e" service-uuid="6e400001-b5a3-f393-e0a9-e50e24dcca9e" value="31323334" type="WRITE_REQUEST"/>
   <sleep description="Sleep 300 ms" timeout="300"/>
</macro>

大家可以看到，宏就是一些XML标记，大家也可以在此基础上，去修改该XML文件，以实现更复杂的自动化测试，然后通过nRF connect把最新的XML文件装载进来，就可以自动播放了。

如果你还想了解宏更多的用法信息，请参考：https://github.com/NordicSemiconductor/Android-nRF-Connect/blob/master/documentation/Macros/README.md 

5.2 电脑端XML方式

前面的宏录制方式，功能还是比较单一，如果要实现更复杂的自动化测试，可以通过在PC端执行XML脚本方式来实现（这个XML格式跟上面的XML是有差别的）。通过安卓调试工具ADB，我们可以直接通过PC来操作nRF connect，这样就可以让nRF connect按照XML脚本意图去执行相关自动化操作。nRF connect支持的所有XML语法都在手机安装目录中（手机内部存储/ Nordic Semiconductor目录）的示例中体现，只要示例中出现过的标签就支持，相反示例中没有的标签就不支持。

欲了解更多信息请参考：https://github.com/NordicSemiconductor/Android-nRF-Connect/blob/master/documentation/Automated%20tests/README.md 

6. 开发手机端app代码

Nordic提供很多手机端开源app供大家参考，用得最多的就是nRF Toolbox和nRF Blinky（注：nRF connect代码不开源），在nRF Toolbox和nRF Blinky中都有相关的BLE操作库，尤其是nRF Toolbox包含了很多BLE库，比如BLE管理，DFU，数据透传，蓝牙Mesh等等，大家可以参考他们来开发自己的手机端app。

• Android版nRF Toolbox源代码及开发说明请参考：https://github.com/NordicSemiconductor/Android-nRF-Toolbox 
• iOS版nRF Toolbox源代码及开发说明请参考：https://github.com/NordicSemiconductor/IOS-nRF-Toolbox 

nRF Toolbox软件界面如下所示：

 

UART就是前文说的NUS服务，除了nRF connect，其实大家也可以通过nRF Toolbox UART模块来完成第2章所述的操作。nRF Toolbox另一个用的比较多的功能就是DFU，如果你需要通过手机BLE来实现设备固件的空中升级（OTA），那么可以参考nRF Toolbox DFU模块来编写你的手机端app软件。