ST BLE 协议栈 v3.x 实战编程指南：从基础到优化的全流程开发

ST 低功耗蓝牙（BLE）协议栈 v3.x 专为 BlueNRG-LP/BlueNRG-LPS 设备设计，以模块化架构、蓝牙 5.x 全特性支持、低功耗优化为核心优势，简化多角色（中央 / 外设 / 广播器 / 观察者）开发，适配消费电子、工业传感、医疗设备等场景。核心价值在于 “标准化 API + 特性可配置 + 内存优化”，让开发者快速落地低功耗、高可靠的 BLE 应用。

资料获取：PM0269 低功耗蓝牙协议栈 v3.x 编程指南

1. 核心特性：v3.x 的关键升级与优势

1.1 架构与兼容性升级

• 模块化设计：硬件相关代码开源（如睡眠定时器、NVM 模块），协议部分二进制封装，测试与定制更灵活。
• 蓝牙 5.x 全特性支持：兼容 LE 2M PHY（2Mbps 速率）、LE Coded PHY（125/500Kbps，距离延伸 4 倍）、扩展广播（255 字节负载）、周期性广播、测向（AoA/AoD）。
• 向下兼容：支持蓝牙 4.0-5.x 规范，适配传统 BLE 设备通信。

1.2 多角色与功能增强

• 多角色并发：单设备可同时作为中央设备（连接多外设）+ 外设（被中央设备连接），支持最多 128 个无线任务。
• 灵活的通信模式：支持可连接 / 不可连接广播、主动 / 被动扫描、定向连接、数据长度扩展（PDU 最大 251 字节）。
• 低功耗优化：支持控制器隐私、动态功率控制、睡眠时钟校准，纽扣电池供电可工作数年。

1.3 安全与可靠性

• 安全机制：支持 LE 安全连接（ECDH 密钥交换）、传统配对、绑定（LTK/IRK/CSRK 密钥存储）、MITM 攻击防护。
• 稳健性提升：优化无线电活动调度器，抗中断延迟，支持 Flash 操作与无线电活动同步，避免连接丢失。

2. 协议栈架构：分层设计与核心组件

2.1 整体架构（控制器 + 主机层）

• 控制器层：包含物理层（PHY）、链路层（LL），负责射频传输、数据包处理、跳频、低功耗控制，支持 2M/Coded PHY 切换。
• 主机层：涵盖 L2CAP、ATT、GATT、GAP、安全管理器（SM），提供标准化 API，负责服务管理、连接控制、数据传输、安全配对。
• 支持层：包含 AES 加密、定时器、NVM、RNG 等，为协议栈提供基础硬件支持。

2.2 v3.x vs v2.x 核心差异

3. 编程核心基础：API 与关键流程

3.1 协议栈初始化（必做步骤）

初始化是开发起点，需完成硬件配置、协议栈参数设置、角色定义，核心代码示例：

// 1. 系统初始化（时钟、IO、外设）
SystemInit(SYSCLK_64M, BLE_SYSCLK_32M);
BSP_IO_Init();
BLECNTR_InitGlobal();

// 2. 协议栈初始化参数配置
BLE_STACK_InitTypeDef stack_init = BLE_STACK_INIT_PARAMETERS;
stack_init.BLEStartRamAddress = BLE_RAM_START; // RAM起始地址
stack_init.TotalBufferSize = BLE_STACK_TOTAL_BUFFER_SIZE; // 总缓冲区大小
stack_init.NumOfLinks = 8; // 支持最大连接数
BLE_STACK_Init(&stack_init);

// 3. GAP初始化（设置角色：中央+外设）
uint16_t service_handle, dev_name_handle;
aci_gap_init(GAP_CENTRAL_ROLE | GAP_PERIPHERAL_ROLE, 
             0, 0x07, &service_handle, &dev_name_handle, NULL);

// 4. 设置发送功率（0dBm）
aci_hal_set_tx_power_level(0, 25);

3.2 关键 API 分类（开发高频使用）

（1）GAP 相关 API（连接与广播控制）

• 广播配置：aci_gap_set_advertising_configuration()（设置可发现模式、广播间隔）
• 扫描控制：aci_gap_set_scan_configuration()（主动 / 被动扫描、扫描窗口）
• 连接管理：aci_gap_create_connection()（建立连接）、aci_gap_terminate()（断开连接）

（2）GATT 相关 API（服务与特征管理）

• 服务注册：aci_gatt_srv_add_service()（添加主 / 次要服务）
• 特征配置：aci_gatt_srv_add_char()（定义特征属性、权限）
• 数据传输：aci_gatt_srv_notify()（服务器通知）、aci_gatt_clt_write()（客户端写入）

（3）安全相关 API（配对与绑定）

• IO 能力配置：aci_gap_set_io_capability()（仅显示 / 仅键盘 / 键盘显示）
• 配对启动：aci_gap_send_pairing_req()（中央设备发起配对）
• 密钥响应：aci_gap_pass_key_resp()（输入配对码）

3.3 事件回调机制（异步通信核心）

协议栈通过回调函数通知应用事件，核心回调示例：

// 连接完成回调
void hci_le_enhanced_connection_complete_event(uint8_t status, uint16_t conn_handle) {
    if (status == BLE_STATUS_SUCCESS) {
        // 连接成功，后续可发现服务
        aci_gatt_clt_disc_all_primary_services(conn_handle);
    }
}
// 特征通知回调
void aci_gatt_clt_notification_event(uint16_t conn_handle, uint16_t attr_handle, 
                                    uint8_t len, uint8_t* data) {
    // 处理接收的特征数据（如传感器数据）
}

4. 实战开发流程：从 0 到 1 搭建 BLE 应用

4.1 开发环境准备

• 硬件：BlueNRG-LP/BlueNRG-LPS 开发板（如 STEVAL-BCN002V1）
• 软件：STM32CubeIDE、STSW-BNRGLP_DK（SDK）、eDesignSuite（仿真工具）

4.2 核心开发步骤

（1）定义服务与特征

根据应用场景配置 GATT 数据库，示例（温度传感器服务）：

// 温度服务UUID（16位：0x1809）
static ble_gatt_srv_def_t temp_srv = {
    .type = BLE_GATT_SRV_PRIMARY_SRV_TYPE,
    .uuid = BLE_UUID_INIT_16(0x1809),
    .chrs = {
        .chr_count = 1,
        .chrs_p = &temp_char // 温度特征
    }
};

// 温度特征（可读+通知）
static ble_gatt_chr_def_t temp_char = {
    .properties = BLE_GATT_SRV_CHAR_PROP_READ | BLE_GATT_SRV_CHAR_PROP_NOTIFY,
    .permissions = BLE_GATT_SRV_PERM_NONE,
    .uuid = BLE_UUID_INIT_16(0x2A1C), // 温度特征UUID
    .val_buffer_p = &temp_val_buf // 特征值缓冲区
};

// 注册服务
aci_gatt_srv_add_service(&temp_srv);

（2）广播与连接管理

• 外设端：配置广播数据（设备名称、服务 UUID），启用广播，等待中央设备连接。
• 中央端：配置扫描参数，扫描并发现外设，发起连接，发现服务特征后启用通知。

（3）数据传输

• 外设（服务器）：通过aci_gatt_srv_notify()主动推送温度数据给中央设备。
• 中央（客户端）：通过aci_gatt_clt_read()读取外设数据，或aci_gatt_clt_write()下发控制指令。

（4）安全配对

• 配置 IO 能力（如外设 “仅显示”，中央 “仅键盘”）。
• 启动配对流程，输入 6 位配对码，完成绑定后自动加密链路。

4.3 低功耗优化技巧

• 合理配置连接间隔：空闲时增大间隔（如 1s），数据传输时减小（如 50ms）。
• 启用睡眠模式：通过HAL_PWR_MNGR_Request()进入深度睡眠，仅无线电唤醒。
• 优化广播间隔：非实时场景增大广播间隔（如 1s），降低占空比。

5. 关键避坑与性能调优

5.1 常见问题解决

• 连接丢失：检查连接间隔是否超过监控超时（默认 100ms），确保 CE 长度适配连接间隔。
• 数据传输失败：确认 ATT MTU 协商（默认 23 字节，需扩展可调用aci_gatt_clt_exchange_config()）。
• 功耗过高：关闭不必要的特征通知，优化扫描窗口（避免长时间扫描）。

5.2 性能调优

• 吞吐量提升：启用数据长度扩展（PDU 最大 251 字节），使用 LE 2M PHY。
• 距离延伸：启用 LE Coded PHY（S=8 模式，距离提升 4 倍），优化发送功率。
• 多连接管理：使用预调度器（aci_gap_set_connection_configuration()），避免时隙冲突。

ST BLE 协议栈 v3.x 通过模块化架构、标准化 API 和蓝牙 5.x 全特性支持，大幅降低了多角色、低功耗 BLE 应用的开发门槛。核心开发逻辑是 “初始化配置→服务特征定义→连接与数据传输→安全优化”，配合仿真工具和 SDK 示例，可快速落地从消费电子到工业传感的各类应用。