1. 引言
随着数据时代的到来和人们生活、工作节奏的加快，智能手机成为连接人与人、人与知识、人与数据的重要工具。通过数据线用电脑读取USB存储设备中资料的这种传统方法存在几点不足，一是数据线收纳起来比较麻烦，二来线缆传输比较局限，对设备的接口也有要求 [1] ，三是时刻随身携带电脑不太可行，不能满足人们随时查看资料的需要。
目前，基于蓝牙和USB OTG访问的大容量存储设备的研究相对比较独立，王振铎 [2] 、幸联星 [3] 等人设计实现了安全防护和智能控制等含有蓝牙模块的硬件、软件系统；王宽方 [4] 研究了手持监测终端的USB OTG技术的应用。专利号为CN201320664049.8的中国专利首次公开了一种U盘和蓝牙的桥接器，它由MCU模块、蓝牙模块、开关控制模块、电压调节和充电管理模块、可充电纽扣电池、液晶显示模块、USB A型插头、USB A型插座等组成 [5] 。可使U盘、U盾等USB设备通过蓝牙网络在手机等移动便携设备中使用。但由于有MCU和液晶显示模块的存在，该实用新型虽然可以访问的USB设备种类比较多，但功耗、体积和成本也会增大，不方便携带。很多情况下人们身边只有智能手机和不带OTG接口的普通U盘，想随时随地浏览和访问U盘内的文件比较麻烦，因此急需一种便携、低成本的基于蓝牙的U盘控制系统来解决这个问题。
本文提出的基于蓝牙的U盘控制系统可以使得智能手机与不带OTG接口的U盘可以通过蓝牙技术进行通信，方便人们浏览、拷贝粘贴U盘里的文件，大大提高工作效率。文中首先介绍了蓝牙技术和系统概述，然后阐述了系统各模块的设计，介绍了系统功能，最后介绍了系统的应用前景。
2. 基于蓝牙技术的U盘控制系统
蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的短距离无线通信为基础，为固定与移动设备的通信环境提供特别连接的通信技术。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4 GHz ISM频段，其数据速率为1 Mbps，采用时分双工传输方案实现全双工传输。作为一种短距离无线通信协议，蓝牙技术具有低成本、低功耗、高速率、方便灵活等特点，能在包括智能手机、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路 [6] [7] 。
为了实现智能手机通过蓝牙协议直接浏览和访问普通U盘内的文件，从而研制了包括低功耗蓝牙模块、USB控制模块和电源管理模块组成的便携式低成本蓝牙U盘控制系统。整个系统的示意图如图1所示，普通U盘插入本文设计的U盘控制器，通过蓝牙协议与智能手机无线连接；智能手机上的APP或者微信小程序可以直接浏览访问U盘里的数据文件。
Figure 1. A new USB control system based on Bluetooth wireless communication
图1. 基于蓝牙的U盘控制系统示意图
3. 系统硬件设计与实现
基于蓝牙的U盘控制系统分为软硬件两大部分。软件包括手机APP程序或微信小程序；硬件主要是蓝牙U盘控制器。
蓝牙U盘控制器在设计上划分成三个功能模块，包括：低功耗蓝牙模块、USB控制模块和电源管理模块。蓝牙U盘控制系统要满足低功耗、低成本、便携的要求，因此在设计上针对上述要求进行了优化处理。蓝牙U盘控制器的功能框图如图2所示。
Figure 2. Diagram of a new USB control system based on Bluetooth
图2. 蓝牙U盘控制器功能框图
3.1. 低功耗蓝牙模块
在与智能手机进行无线通信的协议中，蓝牙协议属于低功耗的一种协议，而且目前基于蓝牙的设备比较成熟 [8] 。因此，本文基于低功耗蓝牙模块JDY-10进行了设计实现。JDY-10透传模块是基于蓝牙4.0协议标准，工作频段为2.4 GHz范围，调制方式为GFSK，最大发射功率为8 dB，最大发射距离80米，具有功耗低、尺寸小、信号强、数据传输稳定等特性。JDY-10的实物图如图3所示。
JDY-10模块使用起来比较简单，通过异步串口UART的TXD和RXD信号就可实现跟其他设备异步串口双向数据通信 [9] 。该模块的原理图如图4所示。通过给该模块供3.3 V直流电源就可以工作，而且可以手动控制PWRC管脚打开或关闭本模块，以达到低功耗的要求。
Figure 4. The schematic diagram of Bluetooth module
图4. 蓝牙模块的原理图
3.2. USB控制模块
USB控制模块在设计上选择了性价比高的CH376芯片作为主控芯片，通过扩展外围电路实现对U盘的控制和访问，其主要性能和特点如下：
1) CH376是文件管理控制芯片，用于单片机系统读写U盘或者SD卡中的文件。
2) 支持USB设备方式和USB主机方式，并且内置了USB通讯协议的基本固件，内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件 [10] ，内置了SD卡的通讯接口固件，内置了FAT16和FAT32以及FAT12文件系统的管理固件，支持常用的USB存储设备(包括U盘/USB硬盘/USB闪存盘/USB读卡器)和SD卡(包括标准容量SD卡和高容量HC-SD卡以及协议兼容的MMC卡和TF卡)。
3) CH376支持三种通讯接口：8位并口、SPI接口或者异步串口，各种控制器可以通过上述任何一种通讯接口控制CH376芯片，存取U盘或者SD卡中的文件 [11] 。
CH376的功能框图如图5所示。CH376芯片通过三种接口可以方便的让各种控制器访问USB设备或SD设备。本文设计当中只使用了其异步串口接口，通过蓝牙模块JDY-10的异步串口直接接到CH376上，将蓝牙模块设置为透传模式，这样手机APP可以直接访问U盘。实际的USB控制模块原理图如图6所示。
Figure 5. Function diagram of USB control module
图5. USB控制模块功能框图
Figure 6. The schematic diagram of USB control module
图6. USB控制模块原理图
3.3. 电源管理模块
电源管理模块包括微型锂电池、电源开关、充电管理单元、电量指示灯和MicroUSB充电接口。其中锂电池充电管理单元选用了低功耗高集成度的LTC4001芯片，最大充电电流2A，具有电池短路检测、适宜温度充电判定和过压保护等功能，其电路设计如图7所示 [12] 。
Figure 7. Schematic diagram of power management module
图7. 电源管理模块原理图
4. 系统软件设计及实验分析
系统软件包括手机端的APP应用程序或微信小程序。本文以APP应用程序为例来说明系统的软件。APP应用程序可以基于IOS也可以基于安卓，主要功能包含了底层驱动程序、用户接口API函数、顶层用户功能三层结构(图8)。
Figure 8. Function layers of mobile software
图8. 手机端软件功能层
目前通过在安卓智能手机上开发的APP程序可以浏览、访问普通U盘中的文件，同时具有蓝牙U盘控制器设备远离报警、电量监控等特殊功能，如图9所示。
经实验测试，通过蓝牙u盘访问文件时间如表1所示。
Table 1. Access time test results
表1. 软件测试结果——文件访问时间
实验所测传输时间略大于蓝牙4.0协议的3 M/s (对应24 mbps)的传输时间，原因是本方案采用了蓝牙轮训机制而非中断机制。
5. 应用前景与未来研究方向
本系统设计了由蓝牙传输模块、USB控制模块、电源管理模块的硬件系统，自主开发了APP软件程序，通过实验测试实现了对图片、文档、音频的便捷传输。基于蓝牙的U盘控制系统在研究和工业领域均有较大研究价值和应用前景。数据化、快速化是社会发展趋势，无线、便携、低功耗的基于蓝牙的U盘控制系统改变了传统数据读取方式，具有大批量生产、广泛运用的市场需求。此外，本系统可以通过APP和微信小程序进行更新扩展，可根据用户需要增加最时兴的功能，比如未来会增加文件标注，一键式邮件分享等功能。在蓝牙技术发展方面，以下几个方面还可进行深入研究：进一步提高数据传输的性能，降低传输的能耗，增强网络的可扩展性和降低蓝牙设备的连接时间。