物聯(lián)網(wǎng)
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藍(lán)牙無線耳機(jī)控制板開發(fā)
藍(lán)牙工作在2.4GHz的免照頻段，它采用跳頻擴(kuò)譜技術(shù)，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(shù)規(guī)范。藍(lán)牙規(guī)范為設(shè)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(dá)3個雙工的語音(SCO)信道同時處于活動狀態(tài)。藍(lán)牙使用電路交換技術(shù)處理語音，電路轉(zhuǎn)換信道(SCO)能夠有規(guī)律地提供保留帶寬信道，當(dāng)鏈路首次建立時，主設(shè)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(zhì)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(zhì)量的語音。發(fā)起連接的應(yīng)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(lán)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(diào)制(CVSD)、使用A律的對數(shù)脈沖編碼調(diào)制(A-PCM)及使用u律的對數(shù)脈沖編碼調(diào)制(u-PCM)。CVSD是一種使用兩級適應(yīng)量化器的微分波形量化技術(shù)，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(jīng)應(yīng)用于大量設(shè)備中。
與其它的無線通訊技術(shù)相比，藍(lán)牙在語音傳輸方面性能表現(xiàn)突出，此外藍(lán)牙還具有自動接入可移動網(wǎng)絡(luò)、抗干擾性強(qiáng)、高性價比、體積小及低功耗等優(yōu)點(diǎn)。綜合以上因素，藍(lán)牙技術(shù)是無線耳機(jī)的首選解決方案。目前，許多廠家推出了內(nèi)置藍(lán)牙功能的手機(jī)，藍(lán)牙耳機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。
一、藍(lán)牙無線耳機(jī)系統(tǒng)總體解決方案
(1)系統(tǒng)組成。藍(lán)牙耳機(jī)系統(tǒng)的基本組成為語音接入設(shè)備，即語音網(wǎng)關(guān)(AG)和藍(lán)牙耳機(jī)(HS)。語音網(wǎng)關(guān)作為語音輸入輸出的網(wǎng)關(guān)，具有代表性的語音網(wǎng)關(guān)設(shè)備是PC或者手機(jī)。藍(lán)牙耳機(jī)以無線的方式延伸了語音網(wǎng)關(guān)的語音輸入輸出接口，作為語音網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)端的語音輸入輸出設(shè)備。
(2)通訊機(jī)制。根據(jù)實際應(yīng)用需要，耳機(jī)語音撥號，需要主動發(fā)起連接，語音網(wǎng)關(guān)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(jī)和語音網(wǎng)關(guān)組成的Ad2hoc網(wǎng)絡(luò)中，沒有固定的主從設(shè)備角色之分。
耳機(jī)和語音網(wǎng)關(guān)之間通過藍(lán)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(jī)受到體積能耗的限制，繁瑣的鏈路控制集中在語音網(wǎng)關(guān)這一端。耳機(jī)和語音網(wǎng)關(guān)都可以作為主設(shè)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(wǎng)關(guān)創(chuàng)建的。耳機(jī)和語音網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)來完成的。
列出了耳機(jī)和語音網(wǎng)關(guān)分別作為主動請求端的兩種情況。耳機(jī)和語音網(wǎng)關(guān)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(jī)制，利用AT命令和Modem的控制信號來傳輸信令(例如耳機(jī)音量的控制)。語音網(wǎng)關(guān)創(chuàng)建ACL連接之后發(fā)送AT+RING信令，通知耳機(jī)生成鈴音，提醒用戶有來自語音網(wǎng)關(guān)的呼叫。用戶通過RFCOMM信道向語音網(wǎng)關(guān)發(fā)小鍵盤信令A(yù)T+CKPD來接受呼叫。耳機(jī)和語音網(wǎng)關(guān)通過SCO鏈路傳輸同步命令，保持兩端音量設(shè)置同步，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程音量控制。當(dāng)不存在SCO語音連接時，音量不可改變，語音網(wǎng)關(guān)對上一次通話的音量設(shè)置有記憶性。
二、無線藍(lán)牙耳機(jī)硬件設(shè)計
2.1語音網(wǎng)關(guān)
語音網(wǎng)關(guān)的硬件組成分為主機(jī)(PC或者是手機(jī))、藍(lán)牙模塊和編?解碼(CODEC)模塊。藍(lán)牙模塊由藍(lán)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(lán)牙模塊的主控芯片，并外接8Mbit的FlashRom用于存儲藍(lán)牙協(xié)議棧和語音網(wǎng)關(guān)應(yīng)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(bǔ)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(yīng)用。
主機(jī)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(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為無線信號發(fā)射出去傳給耳機(jī)。按照同樣的原理，藍(lán)牙模塊接收耳機(jī)傳來的無線信號并將其轉(zhuǎn)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(jī)需要接收數(shù)字信號則跳過編解碼過程)再傳給主機(jī)。
2.2藍(lán)牙耳機(jī)
藍(lán)牙耳機(jī)系統(tǒng)的硬件由4部分組成:耳機(jī)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(jī)核心控制模塊由藍(lán)牙模塊、按鍵及LED組成。藍(lán)牙模塊是由藍(lán)牙芯片BlueCore02、閃存和天線組成，其中FlashRom用于存儲藍(lán)牙協(xié)議棧和耳機(jī)應(yīng)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(nèi)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(jī)上設(shè)有4個按鍵Talk、VolumeUp、VolumeDown及On/Off。兩個LED指示燈，一藍(lán)一白分別用亮、滅及閃爍表示耳機(jī)處于的狀態(tài):Idle(空閑)、Paring(配對)、ConnectasSlave(連接后作為從設(shè)備)、ConnectasMaster(連接后作為主設(shè)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(fēng)和揚(yáng)聲器。麥克風(fēng)作為語音輸入設(shè)備，把聲波信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號;揚(yáng)聲器作為語音輸出設(shè)備，把模擬電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號。
(4)電源管理模塊是便攜式移動設(shè)備設(shè)計中最重要的部分之一。便攜式移動設(shè)備有功耗低、待機(jī)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(lán)牙模塊的低功耗模式控制這兩部分。通過藍(lán)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(lán)牙無線耳機(jī)軟件設(shè)計
藍(lán)牙協(xié)議棧和應(yīng)用層協(xié)議最終都以固件形式封裝在所使用的藍(lán)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(chǔ)上按照用戶的需求開發(fā)應(yīng)用層協(xié)議。
連接控制層位于應(yīng)用層和RFCOMM層之間，在高層應(yīng)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(guān)的、連接管理以及與連接相關(guān)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(fù)雜的指令，簡化了應(yīng)用層的設(shè)計。
耳機(jī)和語音網(wǎng)關(guān)之間通訊流程步驟為:①初始化過程完成設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的設(shè)置，連接控制器的初始化，連接控制器的服務(wù)注冊等工作。②使用藍(lán)牙設(shè)備搜索程序在附近找到合適的設(shè)備，一旦語音網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序發(fā)現(xiàn)了耳機(jī)設(shè)備，它就需要使用SDP服務(wù)搜索協(xié)議并執(zhí)行服務(wù)搜索來尋找耳機(jī)服務(wù)。③服務(wù)搜索階段完成之后，就是配對過程。主要負(fù)責(zé)發(fā)送配對請求、PIN碼的輸入及鏈路密鑰的產(chǎn)生。AG與HS是多對多的關(guān)系，采用配對的方式將耳機(jī)與語音網(wǎng)關(guān)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(wù)。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(jī)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(wǎng)關(guān)具有較持久的電源，所以電源管理開銷放在鏈路的語音網(wǎng)關(guān)端，負(fù)責(zé)鏈路的電源管理，因而在語音網(wǎng)關(guān)端的軟件部分設(shè)計了異步電源管理應(yīng)用程序。該應(yīng)用程序主要在3個方面考慮藍(lán)牙的節(jié)能狀況:
①配對。在配對狀態(tài)下，耳機(jī)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(dá)到節(jié)能的目的。
②建立SCO連接。建立RFCOMM連接后，設(shè)置耳機(jī)處于可連接狀態(tài)，由語音網(wǎng)關(guān)發(fā)起SCO連接，與配對的節(jié)能原理相同，減少耳機(jī)掃描時間。
③RFCOMM和SCO兩個連接的間隙。一旦建立了RFCOMM連接，耳機(jī)進(jìn)入PARK模式，直到需要建立SCO連接時退出PARK模式，耳機(jī)和語音網(wǎng)關(guān)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(jìn)入PARK模式。如果耳機(jī)端在SCO連接中斷后要傳送數(shù)據(jù)(如按鈕信息)可以進(jìn)入SNIFF模式，耳機(jī)可以在不退出SNIFF模式的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)。
軟件設(shè)計中考慮了耳機(jī)低功耗模式的動態(tài)設(shè)置，即對PARK?SNIFF模式的開啟、關(guān)閉以及參數(shù)的動態(tài)設(shè)置，方便用戶根據(jù)需求在高響應(yīng)度和低功耗之間權(quán)衡，以達(dá)到最佳使用效果。
總結(jié)
本文利用CSR提供的良好性能的藍(lán)牙模塊和底層協(xié)議棧，設(shè)計實現(xiàn)了符合藍(lán)牙耳機(jī)剖面的無線耳機(jī)系統(tǒng)，具有優(yōu)良的性能。若將本方案中語音網(wǎng)關(guān)部分接入不具備藍(lán)牙功能的手機(jī)的音頻接口，即可方便的實現(xiàn)普通手機(jī)的藍(lán)牙功能。同時本方案可進(jìn)一步推廣為車載免提(CarKit)等應(yīng)用的參考解決方案。本方案已應(yīng)用到信息家電、汽車電子等多個領(lǐng)域。
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