藍牙無線耳機控制板開發(fā)

藍牙工作在2.4GHz的免照頻段，它采用跳頻擴譜技術，支持語音和數(shù)據(jù)的傳輸，其傳輸距離為10～100m，是一種近距離無線通信技術規(guī)范。藍牙規(guī)范為設備提供了同時傳送數(shù)據(jù)和語音的方法，使用異步無連接(ACL)信道傳送數(shù)據(jù)，而使用同步定向連接(SCO)信道傳送語音，還允許多達3個雙工的語音(SCO)信道同時處于活動狀態(tài)。藍牙使用電路交換技術處理語音，電路轉換信道(SCO)能夠有規(guī)律地提供保留帶寬信道，當鏈路首次建立時，主設備已分配好了它們占用的固定時隙。SCO鏈路上使用不同的包類型(高質量語音HV1、HV2、HV3或數(shù)據(jù)語音DV)，它們占用不同大小的帶寬，提供不同質量的語音。發(fā)起連接的應用程序選擇一種HV包類型來配置語音鏈路，這種包在周期性保留的時隙中傳送，提供64kbps的對稱傳輸。不同類型的包需要保留時隙的間隔不同，但都是單時隙包，都不帶CRC。藍牙在空中接口上支持3種音頻編碼方案:連續(xù)可變斜率增量調制(CVSD)、使用A律的對數(shù)脈沖編碼調制(A-PCM)及使用u律的對數(shù)脈沖編碼調制(u-PCM)。CVSD是一種使用兩級適應量化器的微分波形量化技術，而PCM使用的則是一種非均勻的量化，在有位錯誤存在的情況下，CVSD比PCM更可靠。但是PCM簡單、廉價，并且已經應用于大量設備中。

與其它的無線通訊技術相比，藍牙在語音傳輸方面性能表現(xiàn)突出，此外藍牙還具有自動接入可移動網絡、抗干擾性強、高性價比、體積小及低功耗等優(yōu)點。綜合以上因素，藍牙技術是無線耳機的首選解決方案。目前，許多廠家推出了內置藍牙功能的手機，藍牙耳機也應運而生。

一、藍牙無線耳機系統(tǒng)總體解決方案

(1)系統(tǒng)組成。藍牙耳機系統(tǒng)的基本組成為語音接入設備，即語音網關(AG)和藍牙耳機(HS)。語音網關作為語音輸入輸出的網關，具有代表性的語音網關設備是PC或者手機。藍牙耳機以無線的方式延伸了語音網關的語音輸入輸出接口，作為語音網關遠端的語音輸入輸出設備。

(2)通訊機制。根據(jù)實際應用需要，耳機語音撥號，需要主動發(fā)起連接，語音網關有呼叫接入時也需要主動發(fā)起連接，而且通信活動屬于突發(fā)型，所以在耳機和語音網關組成的Ad2hoc網絡中，沒有固定的主從設備角色之分。

耳機和語音網關之間通過藍牙的SCO鏈路來雙向傳輸語音數(shù)據(jù)，并且在此方案中只支持一條SCO鏈路。由于耳機受到體積能耗的限制，繁瑣的鏈路控制集中在語音網關這一端。耳機和語音網關都可以作為主設備發(fā)起ACL連接，但是建立在ACL鏈路之上的SCO鏈路都是由語音網關創(chuàng)建的。耳機和語音網關都可以發(fā)出指令來中止兩者之間的呼叫，但是真正對SCO鏈路的釋放是由語音網關來完成的。

列出了耳機和語音網關分別作為主動請求端的兩種情況。耳機和語音網關也可交替發(fā)出請求，它們之間通過RFCOMM(射頻通信)的仿真串口，以類似于Modem的機制，利用AT命令和Modem的控制信號來傳輸信令(例如耳機音量的控制)。語音網關創(chuàng)建ACL連接之后發(fā)送AT+RING信令，通知耳機生成鈴音，提醒用戶有來自語音網關的呼叫。用戶通過RFCOMM信道向語音網關發(fā)小鍵盤信令AT+CKPD來接受呼叫。耳機和語音網關通過SCO鏈路傳輸同步命令，保持兩端音量設置同步，從而實現(xiàn)遠程音量控制。當不存在SCO語音連接時，音量不可改變，語音網關對上一次通話的音量設置有記憶性。

二、無線藍牙耳機硬件設計

2.1語音網關

語音網關的硬件組成分為主機(PC或者是手機)、藍牙模塊和編?解碼(CODEC)模塊。藍牙模塊由藍牙芯片BlueCore02、閃存和天線組成。BlueCore02采用單芯片集成射頻和基帶控制模塊的方案，不僅體積小而且性能好，所以用它作為藍牙模塊的主控芯片，并外接8Mbit的FlashRom用于存儲藍牙協(xié)議棧和語音網關應用程序。編?解碼模塊采用MotorolaMC145483連接BlueCore02的PCM接口。MotorolaMC145483是一種3V低工作電壓的13位線性PCM濾波編?解碼器，采用2s補償數(shù)據(jù)格式，包含一個片上精確的參考電壓，能夠處理語音的數(shù)字化和重組，適合同步和異步的應用。

主機接入的語音數(shù)據(jù)(如果是數(shù)字信號則跳過編解碼過程)通過音頻接口送給CODEC編碼成數(shù)字信號，通過PCM接口傳給藍牙模塊，藍牙模塊將數(shù)字信號轉換為無線信號發(fā)射出去傳給耳機。按照同樣的原理，藍牙模塊接收耳機傳來的無線信號并將其轉換成數(shù)字信號通過PCM接口傳給CODEC解碼成語音模擬信號(如果主機需要接收數(shù)字信號則跳過編解碼過程)再傳給主機。

2.2藍牙耳機

藍牙耳機系統(tǒng)的硬件由4部分組成:耳機核心控制模塊、編/解碼(CODEC)模塊、聲音輸入輸出模塊和電源管理模塊。

(1)耳機核心控制模塊由藍牙模塊、按鍵及LED組成。藍牙模塊是由藍牙芯片BlueCore02、閃存和天線組成，其中FlashRom用于存儲藍牙協(xié)議棧和耳機應用程序。BlueCore02有豐富的PIO口線，這些PIO口線都支持雙向通訊而且芯片內部帶有上拉電阻，接上按鍵后可以直接讀出按鍵被按下的脈沖信號，并由此觸發(fā)中斷處理。耳機上設有4個按鍵Talk、VolumeUp、VolumeDown及On/Off。兩個LED指示燈，一藍一白分別用亮、滅及閃爍表示耳機處于的狀態(tài):Idle(空閑)、Paring(配對)、ConnectasSlave(連接后作為從設備)、ConnectasMaster(連接后作為主設備)及Connected(連接)。

(2)編/解碼模塊采用MotorolaMC145483連接BlueCore02的PCM接口。

(3)聲音輸入輸出模塊包括麥克風和揚聲器。麥克風作為語音輸入設備，把聲波信號轉換成模擬電信號;揚聲器作為語音輸出設備，把模擬電信號轉換成聲波信號。

(4)電源管理模塊是便攜式移動設備設計中最重要的部分之一。便攜式移動設備有功耗低、待機時間長的要求，所以電源管理模塊主要包括對編?解碼器的電源監(jiān)控和藍牙模塊的低功耗模式控制這兩部分。通過藍牙模塊控制編/解碼器的電源，高電平接通電源，低電平切斷電源。

三、藍牙無線耳機軟件設計

藍牙協(xié)議棧和應用層協(xié)議最終都以固件形式封裝在所使用的藍牙模塊中。CSR的開發(fā)包BlueLab提供了從基帶到RFCOMM層以及SDP層的API，所以只需在這些協(xié)議的基礎上按照用戶的需求開發(fā)應用層協(xié)議。

連接控制層位于應用層和RFCOMM層之間，在高層應用和底層協(xié)議棧之間提供一個通用消息接口。

消息分為3類:與配對相關的、連接管理以及與連接相關的消息。從用戶角度看，由于連接控制層的存在，屏蔽了底層復雜的指令，簡化了應用層的設計。

耳機和語音網關之間通訊流程步驟為:①初始化過程完成設備當前狀態(tài)的設置，連接控制器的初始化，連接控制器的服務注冊等工作。②使用藍牙設備搜索程序在附近找到合適的設備，一旦語音網關應用程序發(fā)現(xiàn)了耳機設備，它就需要使用SDP服務搜索協(xié)議并執(zhí)行服務搜索來尋找耳機服務。③服務搜索階段完成之后，就是配對過程。主要負責發(fā)送配對請求、PIN碼的輸入及鏈路密鑰的產生。AG與HS是多對多的關系，采用配對的方式將耳機與語音網關一對一映射，同時為了安全起見，用配對來建立鏈路密鑰。④連接到音頻服務。連接過程主要是完成RFCOMM連接的初始化(包括參數(shù)商議、Modem狀態(tài)命令的執(zhí)行)、建立及釋放，控制AG初始化、建立和釋放SCO連接。

耳機的電源能量非常有限，必須使有限的電源發(fā)揮最大作用，而語音網關具有較持久的電源，所以電源管理開銷放在鏈路的語音網關端，負責鏈路的電源管理，因而在語音網關端的軟件部分設計了異步電源管理應用程序。該應用程序主要在3個方面考慮藍牙的節(jié)能狀況:

①配對。在配對狀態(tài)下，耳機處于可發(fā)現(xiàn)狀態(tài)，加長尋呼和查詢掃描的間隔來減少無線電接收裝置的耗電時間，以達到節(jié)能的目的。

②建立SCO連接。建立RFCOMM連接后，設置耳機處于可連接狀態(tài)，由語音網關發(fā)起SCO連接，與配對的節(jié)能原理相同，減少耳機掃描時間。

③RFCOMM和SCO兩個連接的間隙。一旦建立了RFCOMM連接，耳機進入PARK模式，直到需要建立SCO連接時退出PARK模式，耳機和語音網關都可終止PARK模式，這樣每次呼叫均節(jié)省了建立RFCOMM連接的時間和能耗。一旦SCO連接中斷，RFCOMM連接再次進入PARK模式。如果耳機端在SCO連接中斷后要傳送數(shù)據(jù)(如按鈕信息)可以進入SNIFF模式，耳機可以在不退出SNIFF模式的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)。

軟件設計中考慮了耳機低功耗模式的動態(tài)設置，即對PARK?SNIFF模式的開啟、關閉以及參數(shù)的動態(tài)設置，方便用戶根據(jù)需求在高響應度和低功耗之間權衡，以達到最佳使用效果。

總結

本文利用CSR提供的良好性能的藍牙模塊和底層協(xié)議棧，設計實現(xiàn)了符合藍牙耳機剖面的無線耳機系統(tǒng)，具有優(yōu)良的性能。若將本方案中語音網關部分接入不具備藍牙功能的手機的音頻接口，即可方便的實現(xiàn)普通手機的藍牙功能。同時本方案可進一步推廣為車載免提(CarKit)等應用的參考解決方案。本方案已應用到信息家電、汽車電子等多個領域。

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