藍(lán)牙車載系統(tǒng)的設(shè)計思路 - 全文

　　通過具有藍(lán)牙功能的手機(jī)，藍(lán)牙車載系統(tǒng)可以實現(xiàn)汽車自動故障診斷、電子導(dǎo)航等多種很有創(chuàng)意的應(yīng)用。本文介紹了這些應(yīng)用設(shè)計思路，并詳細(xì)分析了藍(lán)牙車載系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和藍(lán)牙免提應(yīng)用規(guī)范。

　　車載系統(tǒng)正向智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，汽車市場已經(jīng)成為電子工業(yè)一個重要的增長點，無線通信技術(shù)在汽車等移動系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文介紹的汽車藍(lán)牙應(yīng)用主要以手機(jī)為無線網(wǎng)關(guān)，車載系統(tǒng)通過藍(lán)牙無線鏈路和手機(jī)連接，再連入外部無線網(wǎng)絡(luò)。利用該方案，用戶通過一部藍(lán)牙手機(jī)就可以方便地使用以下功能：

　　免提電話。用戶進(jìn)入車內(nèi)，車載系統(tǒng)自動連接上用戶手機(jī)。用戶在駕車時，無須用手操作就可以用聲控完成撥號、接聽、掛斷和音量調(diào)節(jié)等功能，通過車內(nèi)麥克風(fēng)和音響系統(tǒng)進(jìn)全雙工免提通話。

　　汽車遙控。用戶可以在10米范圍內(nèi)用手機(jī)控制車門和車中的各類開關(guān)。

　　音樂下載。用戶可以通過手機(jī)下載音樂到汽車音響中播放。

　　電子導(dǎo)航。用戶可以通過手機(jī)下載電子地圖等數(shù)據(jù)到車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中，導(dǎo)航系統(tǒng)得到當(dāng)前坐標(biāo)參數(shù)再通過手機(jī)短信傳回導(dǎo)航中心。

　　汽車自動故障診斷系統(tǒng)。車載系統(tǒng)可以通過手機(jī)將故障代碼等信息發(fā)往維修中心，維修中心派人前來修理時可以按故障代碼等信息準(zhǔn)備好相應(yīng)的配件和修理工具。

　　藍(lán)牙在車載系統(tǒng)中的全面應(yīng)用需要解決硬件和軟件方面的問題。硬件實現(xiàn)藍(lán)牙的射頻和基帶部分，工作溫度范圍、可靠性和價格是在設(shè)計硬件時應(yīng)考慮的重點問題，車載系統(tǒng)的各種上層功能由軟件實現(xiàn)。免提電話作為藍(lán)牙在車載系統(tǒng)中的主要應(yīng)用，其應(yīng)用規(guī)范已經(jīng)成熟并獲得眾多手機(jī)廠商的支持。

　　圖1

　　如圖1所示，射頻芯片在2.4GHz頻段提供數(shù)據(jù)和語音無線雙向傳送?；鶐酒l、信道加密解密、鑒權(quán)、SCO語音編解碼等硬件，以及鏈路管理、HCI接口等固件。處理器運(yùn)行藍(lán)牙上層協(xié)議棧、應(yīng)用規(guī)范和語音算法等核心軟件。為方便描述，本文將射頻、基帶和處理器部分稱為藍(lán)牙子系統(tǒng)。汽車音響通過車內(nèi)麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器為藍(lán)牙子系統(tǒng)提供聲音的輸入輸出。主控制器運(yùn)行人機(jī)接口（MMI）等軟件，對藍(lán)牙子系統(tǒng)、汽車音響和其它車載電子設(shè)備進(jìn)行集中控制管理，并將有關(guān)信息顯示在圖形用戶界面（GUI）上。

　　藍(lán)牙子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

　　藍(lán)牙子系統(tǒng)包含實現(xiàn)藍(lán)牙車載應(yīng)用規(guī)范有關(guān)的軟硬件?；鶐酒ㄟ^UART和SSI接口連接處理器：HCI命令、數(shù)據(jù)和事件通過UART接口傳輸；SCO數(shù)據(jù)通過SSI接口傳輸。如前所述，處理器運(yùn)行藍(lán)牙上層協(xié)議棧、應(yīng)用規(guī)范和語音算法等核心軟件。圖2給出了藍(lán)牙子系統(tǒng)中處理器上運(yùn)行的軟件結(jié)構(gòu)。

　　圖2

　　圖2中的電路支持包（BSP）包含所有與硬件有關(guān)的代碼，可以保證上層軟件良好的硬件無關(guān)性。RTOS為軟件提供良好的結(jié)構(gòu)和實時性能。設(shè)計時應(yīng)充分考慮RTOS的RAM、ROM占用大小、中斷響應(yīng)和任務(wù)切換時間，以及調(diào)度算法是否滿足語音算法等部分對實時性的要求。藍(lán)牙協(xié)議棧包括HCI HOST、L2CAP、SDP和RFCOMM等上層協(xié)議。在協(xié)議棧之上，按不同的應(yīng)用要求放置有若干應(yīng)用規(guī)范，如免提應(yīng)用規(guī)范和耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范。由于新的應(yīng)用規(guī)范不斷出現(xiàn)，軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)便于加入新的應(yīng)用規(guī)范以備將來擴(kuò)充應(yīng)用范圍。數(shù)據(jù)庫提供記錄的添加、刪除和查找功能來管理本地和遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)據(jù)，通常這些數(shù)據(jù)存放在Flash存儲器中。存放的數(shù)據(jù)有本地設(shè)備的藍(lán)牙地址、設(shè)備名稱、配對密碼和SDP記錄，以及遠(yuǎn)端設(shè)備的藍(lán)牙地址、設(shè)備名稱、SDP記錄、鏈路密鑰、鑒權(quán)和授權(quán)方案。由于系統(tǒng)需要和多個遠(yuǎn)端設(shè)備配對，數(shù)據(jù)庫應(yīng)有足夠的容量來存放多個遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)。

　　藍(lán)牙管理層（Bluetooth ME）對協(xié)議棧和數(shù)據(jù)庫調(diào)用使其按一定流程工作，從而執(zhí)行訪問控制管理、連接管理和安全管理等。在車載系統(tǒng)中還需要提供語音算法，因為在免提通話時對方可以聽到自己的回聲，可以采用回聲抵消（AEC）技術(shù)來消除。行車過程中進(jìn)行免提通話時，發(fā)動機(jī)噪聲、路面噪聲、風(fēng)聲會進(jìn)入車內(nèi)麥克風(fēng)，影響通話質(zhì)量。采用噪音抑制（NS）技術(shù)可以抑制車內(nèi)噪聲以提高通話清晰度。

　　為了增加行車安全，語音識別（VR）技術(shù)可以讓駕駛員無需手動操作電子設(shè)備，通過預(yù)先錄入的聲音指令，駕駛員可以撥打電話，接聽電話等；語音合成（VS）技術(shù)用語音信號提醒駕駛員需要進(jìn)行的操作或一些值得注意的信息；語音管理層對各種語音算法模塊進(jìn)行管理，如配置算法參數(shù)和緩沖區(qū)數(shù)據(jù)輸入輸出等；人機(jī)接口層（MMI Interface）是外部與藍(lán)牙子系統(tǒng)進(jìn)行通信的接口，這種通信使用專門的協(xié)議，外部MMI主機(jī)通過該協(xié)議發(fā)送命令到人機(jī)接口層，人機(jī)接口層解釋收到的命令，繼而控制應(yīng)用層進(jìn)行相應(yīng)的動作，同時應(yīng)用層也會將藍(lán)牙子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和事件送往人機(jī)接口層，人機(jī)接口層通過該協(xié)議發(fā)送命令到外部MMI主機(jī)。應(yīng)用層接受所有來自人機(jī)接口層和藍(lán)牙管理層的事件，在一定的應(yīng)用條件約束下對接收到的事件進(jìn)行處理，并執(zhí)行相應(yīng)的動作以控制人機(jī)接口層、藍(lán)牙管理層和語音管理層進(jìn)行有序工作。應(yīng)用層還負(fù)責(zé)對異常情況進(jìn)行處理，比如人機(jī)接口層收到錯誤指令、藍(lán)牙鏈路的異常斷開、鑒權(quán)失敗等，通過適當(dāng)?shù)腻e誤處理機(jī)制來提高系統(tǒng)的可靠性。

　　藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范規(guī)定了為實現(xiàn)某種應(yīng)用，雙方藍(lán)牙設(shè)備應(yīng)滿足的一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。包括應(yīng)用特性的規(guī)定、應(yīng)用模型的定義、核心協(xié)議棧的配置、在核心協(xié)議上為實現(xiàn)特定應(yīng)用而定義的協(xié)議，以及為了滿足互操作性要求的其它規(guī)定，這些規(guī)定分為強(qiáng)制性支持、有條件支持和可選支持。由以上結(jié)構(gòu)可以看出，通過合理配置各軟件功能模塊就可以在相同硬件平臺上支持多個應(yīng)用規(guī)范。

　　藍(lán)牙免提應(yīng)用規(guī)范

　　藍(lán)牙免提應(yīng)用規(guī)范規(guī)定了在語音網(wǎng)關(guān)和免提設(shè)備之間建立藍(lán)牙數(shù)據(jù)和語音連接的過程，以及免提設(shè)備如何基于該連接對手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并訪問外部網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)電話功能。

　　該規(guī)范中的語音網(wǎng)關(guān)是免提設(shè)備與外界進(jìn)行語音通信的橋梁，一般語音網(wǎng)關(guān)是指GSM或CDMA手機(jī)。通過語音網(wǎng)關(guān)，免提設(shè)備可以使用蜂窩網(wǎng)提供的電話服務(wù)。免提設(shè)備和語音網(wǎng)關(guān)連通后，用戶可以進(jìn)行免提通話。在這里免提設(shè)備一般指藍(lán)牙車載系統(tǒng)。該規(guī)范規(guī)定了語音網(wǎng)關(guān)和免提設(shè)備應(yīng)支持的特性，語音網(wǎng)關(guān)和免提設(shè)備必須支持建立服務(wù)級連接（SLC）。所有的控制信令在SLC上傳遞。

　　圖3

　　藍(lán)牙免提應(yīng)用規(guī)范的典型應(yīng)用如圖3所示。此時藍(lán)牙車載系統(tǒng)是免提設(shè)備，手機(jī)充當(dāng)語音網(wǎng)關(guān)。圖中的手機(jī)具有藍(lán)牙功能，第一次使用前需要和藍(lán)牙車載系統(tǒng)進(jìn)行綁定，用戶輸入正確的密碼后，綁定即告成功。此后，經(jīng)過綁定的藍(lán)牙手機(jī)靠近藍(lán)牙車載系統(tǒng)10米左右，兩者就能自動建立連接。

　　圖4

　　圖4是協(xié)議棧的配置情況。免提規(guī)范是通過在RFCOMM上傳送專用控制命令來實現(xiàn)的，這些命令是通用AT指令集的一個子集，同時添加了有關(guān)的專用指令。通過這些AT指令可以完成電話狀態(tài)顯示、接聽、拒絕、掛斷、傳輸雙音多頻碼（DTMF）、遠(yuǎn)程音量控制、控制回聲抵消、噪聲抑制和語音識別等功能。

　　另外，為了滿足互操作性要求，免提規(guī)范還就藍(lán)牙信道的連接過程、安全管理等方面做出了一些規(guī)定。免提規(guī)范規(guī)定語音網(wǎng)關(guān)和免提設(shè)備之間進(jìn)行綁定時，語音網(wǎng)關(guān)應(yīng)該是發(fā)起者。語音網(wǎng)關(guān)發(fā)起設(shè)備查詢，免提設(shè)備進(jìn)行查詢掃描，通過設(shè)備查詢語音網(wǎng)關(guān)就可以找到有效范圍內(nèi)的免提設(shè)備。然后語音網(wǎng)關(guān)通過呼叫（Page）與免提設(shè)備建立連接，發(fā)起綁定流程。在該情況下，語音網(wǎng)關(guān)只能作為主設(shè)備， 免提設(shè)備為從設(shè)備。綁定完成后，可以由免提設(shè)備或者語音網(wǎng)關(guān)任何一方發(fā)起連接請求，沒有固定的主從設(shè)備之分。

　　免提規(guī)范本身不對藍(lán)牙鏈路的安全性提出強(qiáng)制性要求。就免提應(yīng)用而言，為了保證通話內(nèi)容的安全性，應(yīng)進(jìn)行鑒權(quán)和加密。鑒權(quán)是設(shè)備一方通過檢查鏈路密鑰來驗證對方設(shè)備的合法性，鑒權(quán)可以雙向進(jìn)行；加密是對兩個設(shè)備間ACL數(shù)據(jù)按一定算法進(jìn)行處理，生成加密數(shù)據(jù)。只有知道正確的解密密鑰后，才可以由加密數(shù)據(jù)恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。加密使用的加密密鑰和解密密鑰是根據(jù)鏈路密鑰按固定的算法生成，因此鏈路密鑰是系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵。在藍(lán)牙免提應(yīng)用中，鏈路密鑰由語音網(wǎng)關(guān)和免提設(shè)備通過配對（pairing）過程產(chǎn)生。在這個過程中，用戶需要在語音網(wǎng)關(guān)一方輸入正確的PIN碼來創(chuàng)建鏈路密鑰。

　　另外，藍(lán)牙車載系統(tǒng)可以提供多個不同應(yīng)用服務(wù)。其它藍(lán)牙設(shè)備在訪問這些服務(wù)時，藍(lán)牙車載系統(tǒng)還需要控制對其不同服務(wù)的訪問權(quán)限，這種控制由授權(quán)過程實現(xiàn)。對于語音網(wǎng)關(guān)，一般應(yīng)授予其訪問藍(lán)牙車載系統(tǒng)中免提應(yīng)用的權(quán)力。

　　藍(lán)牙耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范

　　在藍(lán)牙車載系統(tǒng)中藍(lán)牙耳機(jī)主要也是用作免提，可以認(rèn)為藍(lán)牙耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范是免提應(yīng)用規(guī)范的簡化版本，只能完成有限的功能。由于耳機(jī)的用戶接口很簡單，一般為少量按鍵和LED顯示，因此耳機(jī)應(yīng)用協(xié)議只定義了簡單的功能，包括數(shù)據(jù)鏈路、語音鏈路的建立和拆除，可選對語音網(wǎng)關(guān)和車載系統(tǒng)之間的音量同步控制支持等。通過耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范，可以進(jìn)行接聽電話、掛斷電話、聲控?fù)芴柕然镜拿馓嵬ㄔ挷僮鳌?/p>

　　藍(lán)牙耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范也是通過在核心協(xié)議上添加耳機(jī)控制實體和應(yīng)用層來實現(xiàn)。

　　本文小結(jié)

　　在藍(lán)牙車載系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)過程中，需要采用合理的硬件設(shè)計方案來滿足汽車應(yīng)用在溫度范圍、可靠性和價格等方面的要求，同時還需要采用合理的軟件方案來滿足嚴(yán)格的藍(lán)牙互操作性要求、良好的功能擴(kuò)展能力以及良好的實時性和高可靠性。藍(lán)牙車載系統(tǒng)要大規(guī)模應(yīng)用，在技術(shù)方面還需要解決應(yīng)用規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化問題，并且需要有完備的測試手段來保證不同廠商之間的設(shè)備有良好的互操作性和兼容性。目前，免提應(yīng)用規(guī)范和耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范在藍(lán)牙車載系統(tǒng)和藍(lán)牙手機(jī)上已經(jīng)得到了廣泛的支持。