基于硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的藍(lán)牙技術(shù)在車載娛樂設(shè)備中的應(yīng)用與開發(fā)

隨著汽車電子和消費(fèi)電子技術(shù)的融合，車載信息娛樂系統(tǒng)近幾年發(fā)展迅猛，成為融合各種技術(shù)的集成化平臺，很多在消費(fèi)電子領(lǐng)域中的應(yīng)用開始在汽車上實(shí)現(xiàn)，滿足了用戶在娛樂、舒適與安全方面的追求。在消費(fèi)電子領(lǐng)域大行其道的藍(lán)牙技術(shù)也開始滲透到汽車應(yīng)用中，汽車內(nèi)部空間有限，正符合藍(lán)牙短距離連接應(yīng)用的初衷，而且藍(lán)牙SIG組織以剖面（profile）的形式詳細(xì)定義了在各方面應(yīng)用中的操作方式和應(yīng)該遵循的原則和步驟，相比于其他無線技術(shù)更能保證通用性和互操作性。藍(lán)牙SIG組織專門定義了HFP（Hand Free Profile）規(guī)范了藍(lán)牙在車載免提裝置中的應(yīng)用，使得用戶通過車載麥克風(fēng)和音響便可以打電話，保證了行車安全；定義了PBAP（Phone Book Access Profile）和OPP（Obeject Push profile）規(guī)范了電話簿下載的應(yīng)用，使得用戶可以將手機(jī)中的電話簿同步到車載免提裝置上，從而可以利用汽車上的按鍵和液晶屏直接撥打電話，方便了用戶的使用；藍(lán)牙技術(shù)在立體聲耳機(jī)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也開始應(yīng)用到車載娛樂系統(tǒng)中，利用車載音響便可以播放藍(lán)牙立體聲流媒體音樂，大大提升了用戶的車內(nèi)娛樂體驗(yàn)。在筆者研制的一款車載娛樂設(shè)備中，將USB技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、音頻解碼技術(shù)融合在一起，結(jié)合汽車內(nèi)部麥克風(fēng)和音響，集成了播放U盤存儲的音樂、免提應(yīng)用、電話簿下載和流媒體音樂播放功能，而且通過CAN總線連接車載CAN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了與車載信息娛樂系統(tǒng)的集成和功能的可擴(kuò)展性。本文主要從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面講述一下藍(lán)牙技術(shù)在這款車載娛樂設(shè)備中的應(yīng)用與開發(fā)。

一、硬件設(shè)計

該車載娛樂設(shè)備的硬件設(shè)計采用雙處理器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，主CPU采用Freescale的高性能32位處理器MCF5251，藍(lán)牙芯片采用CSR的Bluecore5-MM，采用UART作為兩款處理器的接口。其中USB HOST、音頻文件解碼、CAN通訊、人機(jī)接口均在主CPU上實(shí)現(xiàn)，Bluecore5-MM實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通訊和相應(yīng)的剖面協(xié)議，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1：硬件結(jié)構(gòu)圖

下面介紹下Bluecore5-MM芯片的特點(diǎn)及應(yīng)用。

BlueCore5-MM是CSR提供的一款高度集成的藍(lán)牙單芯片，在8*8*1.2mm TPBGA封裝內(nèi)集成了藍(lán)牙MAC層和基帶IC，其發(fā)射功率和接收功率分別可達(dá)到+8dBm和-90dBm，無須外部功放即能實(shí)現(xiàn)Class 2的范圍。CSR以固件的形式提供了完全兼容藍(lán)牙2.0規(guī)范的的協(xié)議棧，且內(nèi)部提供了自動校準(zhǔn)和內(nèi)建的自測試機(jī)制，用于原型開發(fā)和藍(lán)牙協(xié)議認(rèn)證。

Bluecore5-MM內(nèi)部包含一16位MCU，可外接32M bits FLASH，用于完成協(xié)議棧和應(yīng)用程序，還集成了一顆處理能力高達(dá)64MIPS的DSP，主要完成三個功能：

1. 回聲消除及噪聲抑制，提供非常清晰的語音質(zhì)量；

2. 實(shí)現(xiàn)對流媒體音樂的解碼，可以對mp3，aac等格式的音樂文件解碼；

3. 能夠方便地增加CSR第三方合作伙伴基于該DSP開發(fā)的專用的經(jīng)過驗(yàn)證的音頻或語音增強(qiáng)軟件，快速加強(qiáng)其終端設(shè)計的性能和功能。

這樣便提升了免提組件的用戶體驗(yàn)， 使其適用于各種先進(jìn)且高質(zhì)量音頻的車載應(yīng)用。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2： Bluecore5-MM 結(jié)構(gòu)圖

藍(lán)牙子系統(tǒng)硬件在CSR提供的BlueTunes2開發(fā)板的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，該開發(fā)板提供了基于BlueCore5-Multimedia芯片的完整的硬件解決方案，包括原理圖設(shè)計和PCB設(shè)計和天線設(shè)計?；贐lueCore5的藍(lán)牙子系統(tǒng)硬件開發(fā)一個很重要的工作便是利用PSTOOL工具調(diào)整可以決定RF特性的PSKEY值，比如Crystal trim。筆者設(shè)計好電路板后，采用多部手機(jī)進(jìn)行搜索和連接測試，發(fā)現(xiàn)有的手機(jī)搜索不到該設(shè)備，采用Anritsu/安立公司的MT8852藍(lán)牙測試儀測試了其RF特性，發(fā)現(xiàn)“初始載波”不合格，通過修改影響初始載波偏移的PSKEY-Crystal trim，測試通過，且設(shè)備可以被所有的手機(jī)搜索到。

二、軟件設(shè)計

CSR提供固件（firmware）完成藍(lán)牙協(xié)議棧，軟件開發(fā)環(huán)境提供各個剖面（profile）庫及其源代碼，這樣我們就可以不必深究底層協(xié)議，而在CSR提供的協(xié)議棧和剖面庫的基礎(chǔ)上專注于應(yīng)用軟件開發(fā)，軟件結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

圖3： 軟件結(jié)構(gòu)圖

我們選擇的開發(fā)環(huán)境為RoadTunesSdk，基于其提供的操作系統(tǒng)VM實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的開發(fā)?；谄銱FP剖面，可以實(shí)現(xiàn)免提通話應(yīng)用，并可以傳遞信號強(qiáng)度、電池電量、充電狀態(tài)、漫游狀態(tài)等信號量，在液晶屏上顯示；基于其A2DP和AVRCP剖面，可以實(shí)現(xiàn)流媒體音樂播放和遠(yuǎn)程控制，這些部分CSR提供了完整的例程，比較容易實(shí)現(xiàn)。以下我們從UART通訊、自動連接、電話簿同步等幾個方面闡述下軟件開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 UART通訊

BC5和主CPU之間的數(shù)據(jù)交換采用通訊幀的方式，采用幀頭（0x55+0xaa）+ID（標(biāo)示該幀的含義）+DLC（數(shù)據(jù)場長度）+DATA（數(shù)據(jù)）+CRC16（16位CRC校驗(yàn)）的格式進(jìn)行傳輸，并且采用緩沖區(qū)的方式保證數(shù)據(jù)在未處理之前可以存儲。

主CPU到BC5主要是人機(jī)接口命令，比如接聽電話、掛斷、呼叫保持、激活保密模式等，這個數(shù)據(jù)量小而且?guī)g間隔比較長，所以數(shù)據(jù)可以得到有效的存儲和處理。而從BC5到主CPU的數(shù)據(jù)傳輸便比較復(fù)雜，因?yàn)樯婕暗剿{(lán)牙手機(jī)、BC5 和主CPU之間的三方通信，藍(lán)牙手機(jī)到BC5可能在短時間內(nèi)有大量的數(shù)據(jù)傳輸，這樣在BC5到主CPU短時間內(nèi)便會有多幀傳輸，為了保證數(shù)據(jù)存儲和次序處理的正確性，采用開辟多個獨(dú)立緩沖區(qū)的方式便有些不可取，我們采用了在主CPU端開辟一個大的FIFO（先入先出）緩沖區(qū)的方式，保證了數(shù)據(jù)得到正確緩存和次序處理。該緩沖區(qū)空間比較大，數(shù)據(jù)便可以得到有效緩存，而且由于其先入先出的特性，所以數(shù)據(jù)的次序處理又可以得到保證。

串行通信的錯誤來自于其采樣時刻的干擾，當(dāng)DLC不產(chǎn)生錯誤時，CRC校驗(yàn)可以保證數(shù)據(jù)的正確性。但是當(dāng)DLC由于干擾產(chǎn)生錯誤時，便會引起幀的解析狀態(tài)機(jī)的混亂，將下一幀的數(shù)據(jù)誤判斷為該幀數(shù)據(jù)，便會產(chǎn)生漏幀的現(xiàn)象，并進(jìn)而引起FIFO緩沖區(qū)的混亂。為了有效解決該問題，必須保證填充到FIFO緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)都是嚴(yán)格按照之前定義的幀格式進(jìn)行順序排列的。我們采用了幀延時和定時器監(jiān)測的方式來剔除錯誤幀，首先在幀發(fā)送時會有個10ms的延時，相鄰兩條幀的時間間隔則大于10ms，在主CPU端接收幀時開啟一個7ms的超時定時器，每接收到一個數(shù)據(jù)便重啟該定時器，如果定時器超時，則可以判斷出DLC出錯，從而將這一幀判斷為不完整，將該幀不完整的數(shù)據(jù)丟掉，然后退出幀尾等待，等待下一個幀頭的到來。不完整幀不填充到FIFO緩沖區(qū)中，這樣便解決了因?yàn)镈LC錯誤引起整個FIFO緩沖區(qū)混亂的問題。

2.2 自動連接

為了增強(qiáng)使用的便利性和對用戶的友好性，我們實(shí)現(xiàn)了自動連接功能。我們定義了自動連接的三個觸發(fā)條件：

1． 系統(tǒng)上電

2． 由于連接設(shè)備離開有效范圍引起當(dāng)前連接斷開

3． 一個已配對設(shè)備進(jìn)入藍(lán)牙有效范圍

為了實(shí)現(xiàn)這三個條件下的自動連接，我們實(shí)現(xiàn)了配對列表管理和周期搜索功能。配對設(shè)備的管理包括添加配對設(shè)備、從液晶屏上刪除配對設(shè)備、存儲、提取、優(yōu)先級管理、查找最后一次連接的免提設(shè)備和音頻設(shè)備、查找進(jìn)入藍(lán)牙環(huán)境的最高優(yōu)先級的設(shè)備等功能。優(yōu)先級設(shè)計為：優(yōu)先級最高的為上次連接的設(shè)備，然后按照配對列表的次序依次遞減。

為了確定是否有一個已配對設(shè)備進(jìn)入藍(lán)牙有效范圍，采用周期“搜索”的方式進(jìn)行判斷。當(dāng)配對列表不為空而且當(dāng)前沒有連接的前提下發(fā)起周期搜索，如果上次沒有搜索到某個配對設(shè)備而這次搜索搜索到了，便發(fā)起與該設(shè)備的自動連接。由于搜索是個對藍(lán)牙基帶帶寬要求比較高的操作，所以為了保證不因?yàn)樽詣铀阉饔绊懲獠堪l(fā)起的搜索配對、手動連接、從液晶屏發(fā)起的連接，在配對和手動連接進(jìn)行中停止自動搜索并重啟搜索定時，使得自動搜索盡量不影響這些操作。

2.3 電話簿同步

電話簿條目在下載傳輸時采用VCARD格式，符合vCard2.1和vCard3.0規(guī)范，格式如下所示：

BEGIN：VCARD

VERSION:2.1

N;CHARSET=UTF-8:jianhui

TEL;CELL:13475909642

。 . 。 . 。

END:VCARD

可以采用以下幾種方式下載： AT命令、OPP、PBAP、syncML，筆者實(shí)現(xiàn)了后三種方式。OPP即用戶在手機(jī)上選擇一條或幾條電話號碼PUSH到車載免提裝置上，PBAP是藍(lán)牙SIG為了規(guī)范電話簿的自動下載而定義的一個應(yīng)用剖面，定義了兩種功能：下載和瀏覽。下載是把整個電話本作為一個文件進(jìn)行下載，瀏覽是以單條VCARD為單位的下載。按照PBAP的定義，所有的手機(jī)都應(yīng)支持下載和瀏覽功能，由于手機(jī)兼容性問題，我們測試的結(jié)果為所有手機(jī)都能支持下載功能，部分手機(jī)支持瀏覽功能，而且有的手機(jī)采用下載功能下載時下載不全，這是由手機(jī)本身的缺陷造成的，為了解決該問題，我們首先獲得電話號碼總條目數(shù)，當(dāng)采用下載方式下載完并將VCARD解析完成后，我們判斷條目數(shù)是否相等，如果不相等，我們再采用瀏覽方式去下載。

syncML是移動設(shè)備間數(shù)據(jù)同步的一種通用協(xié)議，與藍(lán)牙OBEX協(xié)議綁定便可以實(shí)現(xiàn)syncML在藍(lán)牙技術(shù)上的應(yīng)用。syncML不僅可以下載電話簿，還可以完成電話簿的更新，當(dāng)?shù)谝淮瓮胶?，第二次同步時便將產(chǎn)生變化的部分以syncML文檔的格式傳過來，解析該syncML文檔便可以實(shí)現(xiàn)電話簿條目的增加（ADD）、刪除（DELETE）和修改（REPLACE）操作。

結(jié)語

藍(lán)牙技術(shù)的車載應(yīng)用開發(fā)研究越來越廣泛，筆者融合了藍(lán)牙技術(shù)和汽車電子技術(shù)，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一款車載信息娛樂設(shè)備，介紹了其藍(lán)牙子系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件開發(fā)的若干關(guān)鍵技術(shù)，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的用戶體驗(yàn)和使用價值。