3. BLE连接建立与参数协商

BLE连接建立是主机（Central）与从机（Peripheral）之间建立双向数据通道的过程。连接建立后，双方通过连接事件（Connection Events）进行周期性通信，通信的节奏由连接间隔、连接延迟和监控超时三个参数共同决定。此外，MTU交换用于提升单次数据传输的有效载荷，而连接回调则是应用层感知连接状态变化的入口。

3.1 连接参数详解

连接参数在BLE链路层（Link Layer）建立连接时确定，直接影响通信的实时性、功耗和稳定性。应用层可以在连接建立后发起参数更新请求，但最终由链路层根据双方能力协商决定。

3.1.1 连接间隔

连接间隔以 1.25 ms 为单位递增。主机在 CONNECT_REQ 中发送初始间隔，从机可以在连接建立后通过 LL_CONNECTION_PARAM_REQ 发起参数更新。BLE 协议规定连接间隔的最小值为 6（对应 7.5 ms），最大值为 3200（对应 4 s）。实际产品中，交互式应用（如遥控器、游戏手柄）常用 30~50 ms，数据采集类（如传感器）常用 100~400 ms。

3.1.2 连接延迟

连接延迟允许从机在指定数量的连接事件中不发送数据包，以节省功耗。延迟值 N 表示从机最多可以连续跳过 N 个连接事件。但协议规定：从机不得连续跳过超过 supervision_timeout / (interval * 2) 个事件，以确保链路不被判定超时。连接延迟为 0 表示每个连接事件从机都必须响应。

3.1.3 监控超时

监控超时是链路层判断连接丢失的最长时间。如果从机在该时间内未收到任何有效数据包（包括空包），链路层将强制断开连接，并通过回调通知应用层。超时值必须大于 connection_interval * (1 + slave_latency) * 2，否则参数更新将被拒绝。

3.2 MTU 交换

MTU（最大传输单元）决定了单个 ATT 数据包可以携带的用户数据大小。默认 MTU 为 23 字节（其中 3 字节为 ATT 头，实际有效载荷仅 20 字节）。通过 MTU 交换，双方可以协商一个更大的值，减少大数据传输时的分片开销。

• MTU 交换流程： 客户端发送 MTU Exchange Request 携带本端最大接收 MTU，服务端回复 MTU Exchange Response 携带本端最大接收 MTU，最终取两者中的较小值作为连接 MTU。
• BLE 版本差异： BLE 4.0/4.1 最大支持 247 字节，BLE 4.2+ 最大支持 512 字节（基于 LE Data Length Extension）。
• 影响： MTU 从 23 提升到 247 时，单次传输效率提升约 10 倍，适合固件升级、批量数据同步等场景。

3.3 连接回调代码实现

连接回调是应用层监听连接状态、获取连接参数、处理 MTU 更新的核心接口。下面展示一个典型的连接回调实现，包括连接建立、参数获取、MTU 更新和断开通知。

/* ble_conn_cb.h - 连接回调接口定义 */

typedef struct {
    void (*on_connected)(void *conn_handle, uint8_t role,
                         uint16_t interval, uint16_t latency,
                         uint16_t timeout);
    void (*on_disconnected)(void *conn_handle, uint8_t reason);
    void (*on_mtu_updated)(void *conn_handle, uint16_t mtu);
    void (*on_param_updated)(void *conn_handle,
                             uint16_t interval, uint16_t latency,
                             uint16_t timeout);
} ble_conn_cb_t;

/* 注册回调 */
void ble_conn_cb_register(ble_conn_cb_t *cb);

/* ble_conn_cb_example.c - 连接回调实现示例 */

#include "ble_conn_cb.h"

/* 连接建立回调 */
static void on_connected(void *conn_handle, uint8_t role,
                         uint16_t interval, uint16_t latency,
                         uint16_t timeout) {
    printf("[BLE] 连接建立, 角色: %s\n",
           role == 0 ? "主机" : "从机");
    printf("      连接间隔: %.2f ms\n", interval * 1.25);
    printf("      连接延迟: %u 个事件\n", latency);
    printf("      监控超时: %.2f s\n", timeout * 0.01);

    /* 发起 MTU 交换 (通常在连接后立即发起) */
    ble_mtu_exchange(conn_handle, 512);
}

/* 断开连接回调 */
static void on_disconnected(void *conn_handle, uint8_t reason) {
    printf("[BLE] 连接断开, 原因: 0x%02X\n", reason);
    /* 此处可添加重连逻辑 */
}

/* MTU 更新回调 */
static void on_mtu_updated(void *conn_handle, uint16_t mtu) {
    printf("[BLE] MTU 已更新: %u 字节\n", mtu);
    /* MTU 更新后可以安全地发送小于等于 mtu-3 字节的数据包 */
}

/* 连接参数更新回调 (从机成功更新参数后触发) */
static void on_param_updated(void *conn_handle,
                             uint16_t interval, uint16_t latency,
                             uint16_t timeout) {
    printf("[BLE] 连接参数已更新\n");
    printf("      新连接间隔: %.2f ms\n", interval * 1.25);
    printf("      新连接延迟: %u\n", latency);
    printf("      新监控超时: %.2f s\n", timeout * 0.01);
}

/* 注册回调结构体 */
static ble_conn_cb_t g_conn_cb = {
    .on_connected    = on_connected,
    .on_disconnected = on_disconnected,
    .on_mtu_updated  = on_mtu_updated,
    .on_param_updated = on_param_updated,
};

/* 应用初始化时调用 */
void app_ble_init(void) {
    ble_conn_cb_register(&g_conn_cb);
    printf("BLE 连接回调已注册\n");
}

3.4 参数更新请求与协商

从机可以在连接建立后通过 ble_conn_param_update_req 发起参数更新。主机收到请求后，根据自身能力决定接受或拒绝。参数更新请求需要满足协议约束：

• 间隔约束： min_interval ≤ max_interval，且两者均必须落在 7.5 ms ~ 4 s 范围内。
• 延迟约束： latency ≤ (supervision_timeout / (max_interval × 2)) - 1。
• 超时约束： supervision_timeout > max_interval × (1 + latency) × 2。

/* 从机发起连接参数更新请求示例 */

ble_conn_param_t new_params = {
    .min_interval = 40,   /* 40 × 1.25 ms = 50 ms */
    .max_interval = 48,   /* 48 × 1.25 ms = 60 ms */
    .latency      = 4,    /* 最多跳过 4 个连接事件 */
    .timeout      = 400,  /* 400 × 10 ms = 4 s */
};

int err = ble_conn_param_update_req(conn_handle, &new_params);
if (err == 0) {
    printf("参数更新请求已发送\n");
} else {
    printf("参数更新请求失败, err: %d\n", err);
}

3.5 常见错误与调试

3.6 性能与稳定性优化

连接参数的选择本质是实时性、功耗和链路稳定性的三方权衡。以下优化策略可供参考：

• 低延迟场景（遥控器、游戏手柄）： 连接间隔 30~50 ms，延迟 0，超时 2~4 s。确保每 30~50 ms 有一次双向通信，触控响应在 100 ms 以内。
• 低功耗场景（传感器、信标）： 连接间隔 200~400 ms，延迟 10~50，超时 4~6 s。从机在大部分连接事件中休眠，大幅降低平均电流。
• 大数据传输场景（OTA 升级、日志导出）： 先发起 MTU 交换到 512 字节，再尝试缩小连接间隔至 15~30 ms，同时启用 2-Mbit PHY 和 LE Data Length Extension 以提升吞吐量。
• 链路稳定性： 监控超时建议设置为连接间隔 × (1 + 延迟) × 4 以上，为射频重传保留足够余量。若部署在强干扰环境（如 Wi-Fi 密集区），可适当增大连接间隔以避免碰撞。