蓝牙和TWS的连接原理

📎 原始文档：https://www.kdocs.cn/l/csR4lgOlWnsj 蓝牙和TWS的连接原理

文档简介

本文简单介绍蓝牙连接和TWS连接的原理，简单说明SDK相关命令和接口的使用方法，提供常见问题分析处理思路和解决办法。

一、蓝牙常用的几种状态

网络资料参考：蓝牙的状态详解

Page连接主动对其他蓝牙设备发起连接；
Page Scan连接扫描可被其他蓝牙设备连接；
当其他蓝牙设备处于Page Scan状态时，才能被发起page 的蓝牙设备连接。
Inquiry搜索搜索周围的蓝牙设备；
Inquiry Scan搜索扫描可被其他蓝牙设备搜素到；
当其他蓝牙设备处于Inquiry Scan状态时，才能被发起Inquiry 的蓝牙设备搜索到。
Connection连接状态已经处于连接状态；
蓝牙设备A通过page或者Inquiry获取到目标蓝牙设备B后，会经过一系列的连接过程，连接完成后两个蓝牙设备A和B就处于连接状态了。

二、蓝牙连接

首次配对手机：由手机发起Inquiry，搜索周围的蓝牙设备；
耳机：耳机要处于Inquiry Scan，才能被手机搜索到；
配对完成：手机和耳机都会记录配对信息，配对信息中包含对方的蓝牙地址。
耳机回连手机耳机：由耳机发起Page，page的蓝牙地址是手机的蓝牙地址
手机：手机要处于Page Scan状态，才能被耳机回连上
特殊点：
1. page用的蓝牙地址可以从配对信息中获取，这样的过程就是耳机回连已经配对过的手机；
2. page用的蓝牙地址来源于其他方式，如uart上报，或者代码指定：
  1. 如果耳机已经跟手机配对过，就正常回连；
  2. 如果耳机没有跟手机配对过，会经过一个配对过程，如果手机允许配对，就正常配对连接，产生配对信息，否则连接失败。
耳机回连手机失败后耳机处于Inquiry Scan和Page Scan的可发现可连接状态，可被手机发现和连接。

三、TWS连接

手机、TWS主机、TWS从机的关系（仅讨论AC697N以后的方案） TWS（true wireless stereo 真无线蓝牙）不属于标准蓝牙协议，每家方案都有所区别。我们方案有以下三种方案：
转发：主机和手机连接，同时和从机连接，主机收到手机数据后，转发给从机。
监听：监听模式，主从机可以对于手机来说是同一个设备，从机能监听到手机和主机之间的通讯，从而减小主从之间的数据交流。
监听+转发：

根据使用的场景切换监听或者转发模式
监听的前提下，再加入转发机制
//在lib_btctrler_config.c里面配对TWS方式
//0 监听 1 转发 2 监听+转发
const int CONFIG_TWS_WORK_MODE

TWS配对
1. 左右耳使用公共的配对地址
2. 左右耳分别在Page <--> Page Scan之间切换
3. 在同一个时间段内，当左右耳中，有一个处于Page，另一个处于Page Scan，则可以建立连接
4. 连接成功后记录配对信息
TWS回连
1. 左右耳使用特有的配对地址（可能是配对信息中的地址，或者只有左右耳知道，没有第三者知道的某个地址）
2. 左右耳分别在Page <--> Page Scan之间切换
3. 在同一个时间段内，当左右耳中，有一个处于Page，另一个处于Page Scan，则可以建立连接
TWS的配对信息
1. 另一只耳机的地址（REMOTE地址）
2. 通过特定方式生成的公共地址（COMMON地址）
其他相关信息
1. 蓝牙地址（BT_MAC）
2. TWS本地地址（LOCAL地址）
3. 在实际应用中，TWS的连接还受左右声道限制，固定了左右声道后，不允许相同声道的对耳进行连接
四个蓝牙地址的关系
1. 用于TWS配对连接的地址：LOCAL地址、REMOTE地址，丢失、更改LOCAL地址或者REMOTE地址都会导致TWS无法回连；
2. 用于跟手机配对连接的地址：BT_MAC、COMMON地址；
3. 当TWS左右耳已经配对上或者配对过且有配对记录：使用COMMON地址跟手机配对连接；
4. 当TWS左右耳从来都没有配对过，也就是没有配对记录：使用BT_MAC跟手机配对连接。

四、代码中相关的命令和接口

蓝牙连接

Page

USER_CTRL_START_CONNEC_VIA_ADDR，TWS主机或单耳使用这个命令page回连手机

//从配对记录中获取手机的蓝牙地址
get_current_poweron_memory_search_index(bt_user_priv_var.auto_connection_addr);
//结束上一次的page流程
user_send_cmd_prepare(USER_CTRL_PAGE_CANCEL, 0, NULL);
//启动当前的page流程
user_send_cmd_prepare(USER_CTRL_START_CONNEC_VIA_ADDR, 6, bt_user_priv_var.auto_connection_addr);

Inquiry Scan

TWS主机或单耳执行：
打开：USER_CTRL_WRITE_SCAN_ENABLE
关闭：USER_CTRL_WRITE_SCAN_DISABLE

Page Scan

TWS主机或单耳执行：
打开：USER_CTRL_WRITE_CONN_ENABLE
关闭：USER_CTRL_WRITE_CONN_DISABLE

/*可发现(1)可连接(1)，只能被手机搜索连接*/
user_send_cmd_prepare(USER_CTRL_WRITE_SCAN_ENABLE, 0, NULL);
user_send_cmd_prepare(USER_CTRL_WRITE_CONN_ENABLE, 0, NULL);
/*打开可发现, 可连接，可被手机和tws搜索连接*/
int tws_api_wait_pair_by_code(u16 code, const char *name, int timeout_ms);
/*不可发现(0)不可连接(0)*/
user_send_cmd_prepare(USER_CTRL_WRITE_SCAN_DISABLE, 0, NULL);
user_send_cmd_prepare(USER_CTRL_WRITE_CONN_DISABLE, 0, NULL);
/*不可发现(0)可连接(1)*/
user_send_cmd_prepare(USER_CTRL_WRITE_SCAN_DISABLE, 0, NULL);
user_send_cmd_prepare(USER_CTRL_WRITE_CONN_ENABLE, 0, NULL);

配对

TWS主机或单耳执行：有两种方式

//第一种：
/*可发现(1)可连接(1)，只能被手机搜索连接*/
user_send_cmd_prepare(USER_CTRL_WRITE_SCAN_ENABLE, 0, NULL);
user_send_cmd_prepare(USER_CTRL_WRITE_CONN_ENABLE, 0, NULL);
/*===========================================================================*/
//第二种：
/*打开可发现, 可连接，可被手机和tws搜索连接*/
int tws_api_wait_pair_by_code(u16 code, const char *name, int timeout_ms);

回连

TWS主机或单耳执行：

//从配对记录中获取手机的蓝牙地址
get_current_poweron_memory_search_index(bt_user_priv_var.auto_connection_addr);
//结束上一次的page流程
user_send_cmd_prepare(USER_CTRL_PAGE_CANCEL, 0, NULL);
//启动当前的page流程
user_send_cmd_prepare(USER_CTRL_START_CONNEC_VIA_ADDR, 6, bt_user_priv_var.auto_connection_addr);

回连流程：
手机处于page scan时，会根据自己的mac地址计算出32个频点，每个频点在page scan时会停留1.28秒。
耳机处于page状态时，会根据手机的mac地址计算出32个频点，分成A、B两组，每组16个频点。
为了保证手机能够收到耳机的page包，每组频点会page 1.28+1.28=2.56秒，A、B组都page完需要2.56+2.56=5.12秒。

其他命令

TWS主机或单耳执行：
USER_CTRL_DISCONNECTION_HCI：已经处于连接状态时，执行该命令会断开耳机和手机的连接
USER_CTRL_CONNECTION_CANCEL：正在建立连接时，执行该命令会中断连接流程
USER_CTRL_PAGE_CANCEL：发起回连后，执行该命令会中断回连流程
2. TWS连接

配置配对地址

//调用tws_api_set_quick_connect_addr配置, addr为配对地址
void tws_api_set_quick_connect_addr(u8 *addr);
//或使用配对码的方式间接配置配对地址，code为配对码，底层会将code转换为配对地址
int tws_api_search_sibling_by_code(u16 code, int timeout_ms);

TWS配对

TWS配对的两种方式

//第一种，自动配对
//设置配对地址为跟配对码相关的地址，配对码相同的耳机可以进行TWS配对
tws_api_set_quick_connect_addr(tws_set_auto_pair_code());
tws_api_create_connection(timeout);//timeout单位为ms，经过timeout时间后结束配对流程
/*==========================================================================*/
//第二种，按键配对
//耳机开机先进入等待配对的状态，配对地址为跟配对码相关的地址
tws_api_wait_pair_by_code(bt_get_tws_device_indicate(NULL), bt_get_local_name(), 0);
//按键触发后发起配对，配对地址为跟配对码相关的地址，有其他耳机处于等待配对状态且双方配对码一致时，可以进行配对
tws_api_search_sibling_by_code(bt_get_tws_device_indicate(NULL), timeout);//timeout单位为ms，经过timeout时间后结束配对流程

TWS回连

//设置配对地址,addr为跟配对记录相关的地址，公版SDK中使用左耳local地址或者左右local地址相加，也可以使用没有第三者知道的某个地址
tws_api_set_quick_connect_addr(addr);
tws_api_create_connection(timeout);//timeout单位为ms，经过timeout时间后结束配对流程

其他接口

tws_api_cancle_wait_pair：取消可发现, 可连接，不可被tws搜索到
tws_api_cancle_create_connection：取消tws配对连接流程
tws_api_wait_connection：等待tws连接

五、连接产生的事件

蓝牙连接

Page

//page流程的相关状态会出现在hci事件中
static int bt_hci_event_handler(struct bt_event *bt)
{
    switch (bt->event) {
    case HCI_EVENT_CONNECTION_COMPLETE:
        switch (bt->value) {
        case ERROR_CODE_SUCCESS://page成功，或者被其他设备page成功
        case ERROR_CODE_PAGE_TIMEOUT://page流程超时
        case CUSTOM_BB_AUTO_CANCEL_PAGE://使用USER_CTRL_PAGE_CANCEL命令主动取消
        }
    }
}

HCI层的其他连接事件

查看apps\earphone\include\earphone.h中的注释。
常用事件：

///这个事件上来目前是做了一个连接确认的操作，跟手机配对的时候会有这个事件
#define HCI_EVENT_USER_CONFIRMATION_REQUEST                   0x33
///<连接过程中linkkey丢失，手机删除了linkkey，回连就会出现一次，SDK会默认在这种情况下清掉耳机上的配对记录
#define ERROR_CODE_PIN_OR_KEY_MISSING                         0x06
///<连接超时，一般拿远就会断开有这个消息
#define ERROR_CODE_CONNECTION_TIMEOUT                         0x08
///<需要回连的设备资源不够。有些手机连了一个设备之后就会用这个拒绝。或者其它的资源原因，苹果手机在通知栏点蓝牙按钮断开之后（这时候手机蓝牙已经是不可连接的状态），耳机再回连大概率会出现这个事件
#define ERROR_CODE_CONNECTION_REJECTED_DUE_TO_LIMITED_RESOURCES       0x0D
///<经常用的连接断开消息。就认为断开就行，目前发现手机端主动断开才会有这个事件
#define ERROR_CODE_REMOTE_USER_TERMINATED_CONNECTION          0x13

协议栈的连接事件

连接是否完整和完成，依赖于协议栈的事件。
查看include_lib\btstack\avctp_user.h中STATUS_FOR_USER的注释。
常用事件：

    BT_STATUS_FIRST_CONNECTED,        /*连接成功*/
    BT_STATUS_SECOND_CONNECTED,        /*连接成功*/
    ...
    BT_STATUS_FIRST_DISCONNECT,       /*断开连接*/
    BT_STATUS_SECOND_DISCONNECT,        /*断开连接*/
    BT_STATUS_PHONE_INCOME,     /*来电*/
    BT_STATUS_PHONE_NUMBER,     /*来电话号码*/
    BT_STATUS_PHONE_MANUFACTURER,     /*获取手机的厂商*/
    BT_STATUS_PHONE_OUT,        /*打出电话*/
    BT_STATUS_PHONE_ACTIVE,     /*接通电话*/
    BT_STATUS_PHONE_HANGUP,     /*挂断电话*/
    ...
    BT_STATUS_CALL_VOL_CHANGE,     /*通话过程中设置音量会产生这个状态变化*/
    BT_STATUS_SCO_STATUS_CHANGE,    /*当esco/sco连接或者断开时会产生这个状态变化*/
    ...
    BT_STATUS_VOICE_RECOGNITION,   /*手机报告当前手机语音助手的状态*/
    ...
    BT_STATUS_A2DP_MEDIA_START, /*手机开始发送音频数据过来*/
    BT_STATUS_A2DP_MEDIA_STOP,  /*手机停止发送音频数据*/

TWS连接 include_lib\btctrler\classic\tws_event.h

enum {
    TWS_EVENT_SEARCH_TIMEOUT = 1, //调用tws_api_search_sibling_by_code，timeout后会有此事件
    TWS_EVENT_CONNECTED,          //对耳连接成功，配对成功和连接成功都是这个事件
    TWS_EVENT_CONNECTION_TIMEOUT, //调用tws_api_search_sibling_by_code搜索到，但是连接超时，或者调用tws_api_create_connection连接超时，会有这个事件
    TWS_EVENT_CONNECTION_DETACH,  //对耳连接成功后，由于某些原因断开，会有这个事件，该事件会带一个参数表示断开的原因（见enum tws_detach_reason）
    TWS_EVENT_REMOVE_PAIRS,  //调用tws_api_remove_pairs函数断开产生的事件
    TWS_EVENT_PHONE_LINK_DETACH,  //tws和手机断开会有这个事件
    TWS_EVENT_SYNC_FUN_CMD,  //调用tws_api_sync_call_by_uuid做对耳同步执行，且uuid是'T'时，会有这个事件，该事件会带一个参数表示同步的事件
    TWS_EVENT_SYNC_FUN_TRANID, //没有用到
    TWS_EVENT_CONNECT_TEST, //没有用到
    TWS_EVENT_ROLE_SWITCH, //主从切换成功事件
    TWS_EVENT_LOCAL_MEDIA_START, //没有用到
    TWS_EVENT_LOCAL_MEDIA_STOP,  //没有用到
    TWS_EVENT_ESCO_ADD_CONNECT,  //对耳连上ESCO通话链路事件
    TWS_EVENT_SETUP_MONITOR_LINK,//没有用到
    TWS_EVENT_MONITOR_START,     //对耳进入监听状态的事件
    TWS_EVENT_DATA_TRANS_OPEN,   //没有用到
    TWS_EVENT_DATA_TRANS_START,  //没有用到
    TWS_EVENT_DATA_TRANS_STOP,   //没有用到
    TWS_EVENT_DATA_TRANS_CLOSE,  //没有用到

    TWS_EVENT_MODE_CHANGE,      //sniff without phone，没连手机时tws进入低功耗的事件

    TWS_EVENT_ROLE_SWITCH_START, //对耳开始进行主从切换的事件
    TWS_EVENT_TONE_TEST = 0xff,  //没有用到
};

enum tws_detach_reason { //调用tws_api_detach函数断开TWS的传参，可以根据需要选择
    TWS_DETACH_BY_SUPER_TIMEOUT = 8, //对耳已经连接上，但是连接中断导致长时间通信不上而断开
    TWS_DETACH_BY_LOCAL, //本地主动断开
    TWS_DETACH_BY_REMOTE, //remote主动断开
    TWS_DETACH_BY_POWEROFF, //因为要执行关机而断开，最常用的是这个
    TWS_DETACH_BY_REMOVE_PAIRS, //调用tws_api_remove_pairs函数断开，但目前已经不常用
    TWS_DETACH_BY_TESTBOX_CON, //暂时没有用到
    TWS_DETACH_BY_REMOVE_NO_RECONN,//暂时没有用到
};

六、TWS主从切换

手机、TWS主机、TWS从机的关系（仅讨论AC697N以后的方案）
TWS连接手机时，实际上只有主机和手机进行通信，主机会将一些重要的连接信息同步给从机。
主从切换就是让从机切换成主机，接替原来主机的工作去跟手机通信。
产生主从切换的情况一般有以下几种：

关机主从切换，主机关机，从机切换为主机：这种情况，是在对耳还没断开的情况下，先进行主从切换，切换完成后TWS断开然后才关机。
信号主从切换/超距主从切换，主机信号差，从机信号好，从机切换为主机：这种情况，需要在有业务通信的情况下才会产生主从切换，比如播歌或者通话过程中（通话信号主从切换仅限可视化SDK），同时还要求主从机之间、耳机和手机之间的RF正常。
电量主从切换，主机电量低，从机电量高，从机切换为主机：当耳机不处于第二点情况时，才会产生电量主从切换，也就是信号主从切换优先于电量主从切换。注意：所有的主从切换场景都要求TWS主从之间能正常通信。突然切断TWS通信的场景无法进行主从切换（例如耳机直接复位或关机、断电、放屏蔽箱等）

七、TWS数据透传和同步指令

interface\btctrler\classic\tws_api.h
具体使用方法可参考SDK已有代码

/*
 * 通过uuid，主从同步调用相同函数
 */
int tws_api_sync_call_by_uuid(int uuid, int priv, int delay_ms);

/*
 * tws 数据发送函数, 要求 len <= 512
 */
int tws_api_send_data_to_sibling(void *data, u16 len, u32 func_id);//支持主从互发数据
int tws_api_send_data_to_slave(void *data, int len, u32 func_id);//只支持主机发给从机

demo：
1、anc同步提示音
2、主从间透传数据：主从间同步电量

常见问题处理

蓝牙连接

根据上面蓝牙连接章节的内容，我们知道耳机回连手机，需要耳机处于page状态，而手机处于page scan状态，耳机page 的地址必须是手机的蓝牙地址，并且回连时间要大于5.12秒。
基于上述，分析思路如下：
1. 先确保手机的蓝牙处于打开状态，并且没有在回连其他蓝牙设备 2. 通过打印log检查耳机是否处于page的回连状态： 1. 有没有执行到USER_CTRL_START_CONNEC_VIA_ADDR命令 2. USER_CTRL_START_CONNEC_VIA_ADDR带的蓝牙地址是否正确（手机蓝牙地址） 3. 打印中有没有出现大写字母C的打印（蓝牙底层的打印） 3. 检查开机回连时间，最好设置10秒以上，否则回连苹果手机会有小概率回连不了

一些常用的连接状态

1. 区分是首次配对还是回连：配对和回连会有不一样的流程，主要体现在HCI层的连接，当出现HCI_EVENT_USER_CONFIRMATION_REQUEST事件时，可认为当前连接是首次配对。
2. 区分断连是否为超距断连：耳机和手机处于连接状态时，由于某些原因导致了连接中断，比如手机和耳机拉远，由于连接中断导致的断连，会附带一个ERROR_CODE_CONNECTION_TIMEOUT的HCI错误事件，在连接成功之后收到此事件可以认为是超距断连。
3. 区分是否手机主动断开了连接：有些应用需要判断是否手机主动断开，来做不同的动作，手机端主动断开连接时会附带一个ERROR_CODE_REMOTE_USER_TERMINATED_CONNECTION的HCI错误事件，在连接成功之后收到这个事件可以认为是手机主动断开了连接。

TWS连接

对耳开机TWS不回连/不配对

根据TWS连接章节的内容，对耳不管是配对还是回连：
1. 左右耳必须使用同一个地址进行配对和回连 2. 同时TWS的左右耳固定方式也会制约TWS的连接 3. 对耳的连接必须保证，同一段时间内一个耳机处于page状态，另一个耳机处于page scan状态基于上述条件，分析思路如下：
1. 检查TWS配对时是否使用相同配对码（检查配置工具中的配对码），TWS回连时是否使用相同地址（检查传入tws_api_set_quick_connect_addr的地址），对于回连的，也可以直接检查对耳的LOCAL地址、REMOTE地址是否正常（是否被擦除、更改） 2. 检查两个耳机是否都是左声道，或者都是右声道 3. 检查配对或者回连过程中，log有无类似"CPCPCPCPCPPCPCP"这样C和P随机组合的打印 4. 检查是否有其他途径擦除了TWS配对记录，如是否存在按键功能清除TWS配对记录，存在这种按键功能的时候很容易误触，尤其是触摸按键。不建议使用按键进行清除配对记录，可用测试盒串口配对功能替代 5. 是否开启了交叉配对功能，交叉配对功能允许配对后的耳机跟第三者配对，进而导致丢失原配的配对记录。不建议使用交叉配对功能，可用测试盒串口配对功能替代