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3C數碼產品

CSR藍牙耳機方案


藍牙耳機提供了一個安全及無繩的途徑來發送和接收呼叫并進行語音傳輸。尤其當用戶不方便手持手機時,這種方式顯得尤為方便。藍牙耳機的使用者可以在能保持連接的范圍內自由移動,并可與多種設備進行通信,得到廣泛應用。

本文在CSR Blue Core5Multi2MediaExternal(CSRBC52MME)嵌入式系統基礎上,進行藍牙耳機的設計研究與實現。CSR公司是全球領先的藍牙技術供應商,其Blue Core5嵌入式平臺擁有高性能的片上DSP,是惟一能夠支持第三方音頻增強軟件的藍牙平臺,可提供卓越的聲音質量,以及同類最佳的信噪比,達到-90dB,且其在功耗及無線電設計方面居行業領先地位,是目前耳機產品的首選開發平臺。通過ISM頻段的2.4GHz短距離射頻無線通信技術,利用短距離、低成本的無線連接替代電纜連接,藍牙技術為現存的數據網絡和小型的外圍設備接口提供了統一的連接。藍牙耳機遵循了藍牙SIG組織定義的藍牙耳機規范和免提規范,實現了耳機與音頻網關之間的無線通信。

藍牙耳機研發設計

一、藍牙耳機硬件平臺簡介

該系統設計是單聲道雙麥克風降噪處理的中高端藍牙耳機產品,具有單獨的電源開關,1個多功能按鍵及1個3色LED燈,采用CSR公司具有外接FLASH存儲器的Blue Core5Multimedia的芯片,使用CSR Blue Lab耳機軟件開發系統,支持集成式語音合成,即文語轉換(TTS)功能,以及語音識別功能,在功能上具有高度可定制性和靈活性,可有不同的封裝方式供選擇,有專用DSP音頻消噪處理器及豐富的外設接口如I2C,USB,UART,PCM/I2S/SPDIF等接口,藍牙耳機硬件模塊框圖如圖1所示。該BC52MME平臺的主要特點:

圖 1 藍牙耳機硬件模塊框圖

(1)16b的MCU具有100MHz速度,可最大支持32Mb外部FLASH,48kB內部RAM。(2)超低功耗Kalimba DSP協處理器,64MIPS,可集成第三方軟件,提供消噪等高質量的音頻處理。(3)雙通道的16bADC及DAC處理,支持雙MIC和雙SPK,可實現立體聲音頻。(4)具有豐富接口如UART,USB,SPI,PCM,I2S/SPDIF,可實現與外部設備連接通信。(5)有2個專用的LED接口,可實現淡入淡出的閃爍效果。

二、藍牙耳機的軟件平臺

藍牙耳機軟件是以CSR提供的Blue Core嵌入式開發環境Blue Lab軟件平臺為基礎進行設計和自主開發。Blue Lab軟件平臺是CSR公司為其高端芯片配合開發的軟件開發工具,內容包括該平臺的相關開發工具和藍牙協議庫及部分源碼。該設計利用CSR提供的軟件平臺進行定制開發藍牙耳機產品。藍牙耳機軟件可分為藍牙協議體系部分和藍牙耳機規范應用兩部分。

2.1藍牙耳機協議棧

如圖2所示藍牙協議體系可以分為4層,包括核心協議層、替代電纜協議層、電話控制協議層和選用協議層,每一層還有一些具體的協議:

圖 2 藍牙耳機協議體系結構

(1)核心協議:基帶、鏈路管理協議(LMP)、邏輯鏈路控制和適配協議(L2CAP)、服務發現協議(SDP);(2)替代電纜協議:串行電路仿真協議(RFCOMM);(3)電話控制協議:二元電話控制規范(TCSBi2nary)與AT2命令(AT2Command);(4)選用協議:點到點協議(PPP)、目標交換協議(OBEX)等。主機控制器接口(HCI)提供了訪問基帶控制器、鏈路控制器以及硬件狀態和控制寄存器等的命令接口。在圖2中,HCI層位于L2CAP之下。

2.2藍牙耳機規范

藍牙耳機軟件中的應用規范有耳機剖面協議(HSP)、免提剖面協議(HFP)、高級音頻剖面協議(A2DP)、音視頻遠端控制剖面協議(AVRCP)等。目前,耳機剖面協議和免提剖面協議是藍牙耳機中必須支持的內容;而高端立體聲藍牙耳機會增加支持音頻剖面協議和音視頻遠端控制剖面協議等。

三、藍牙耳機軟件設計與實現

3.1Blue Core任務架構及消息流程

在Blue Core嵌入式開發環境下,一方面可配置相應的項目編譯及開發環境,方便軟件調試;另一方面可利用藍牙協議庫及部分源碼,即Blue Core的Firmware固件和部分藍牙協議文件,如圖3所示。基于嵌入式的軟件分層結構,只需專注于應用剖面的開發與實現。在圖3中:

圖 3 BlueCore 嵌入式軟件分層架構

(1) Task:每個 Task對應1個任務,其相應于1個基本塊,多個塊組成1個應用,每個任務都完成了應用和Blue Core firm ware的接口連接,負責相應的功能。每個任務都有1個消息處理函數和相應的任務狀態結構。所有的任務都是在單個進程中運行,不允許多個任務并行處理。

(2)Message消息:消息是完成任務間的信息傳遞,其參數形式及含義如: Task t:識別消息的目的地址,也就是接收任務的指針;Message Id id:消息的標簽,任務接收消息時用于識別并調用相應的功能函數;Message pay load:消息的載荷應該包括要求的狀態數據,這樣處理函數能夠正確處理。在消息送達后載荷的內存要釋放。載荷內容是可選,可以置Null。在消息發送后,所有的消息都要進入消息FIFO隊列進行排隊轉發處理。Message Loop函數控制了主調度循環并處理派發任務消息;每次調度都檢查隊列中的第一個消息并派發到相應的任務,其調用位置在第3.3節中偽代碼部分所示。

3.2MMI設計與任務設計

藍牙耳機軟件是基于Blue Core嵌入式軟件層次架構和消息機制,根據人機接口(man machine interface,MMI)的要求進行軟件應用設計與實現。藍牙耳機的人機接口MMI設計與其產品的定位和產品的復雜程度有關。本文所設計的藍牙耳機支持耳機剖面協議,免提剖面協議,實現語音通話的功能,并完成產品的兼容性測試。MMI的設計主要包括:按鍵功能、LED指示、聲音提示及藍牙狀態操作流程4部分。根據MMI的設計要求,分為:I/O輸入管理任務(io in Task)、I/O輸出管理任務(io out  Task)、藍牙剖面管理任務(prof  Task)、耳機剖面管理任務(hshf Task)、音頻驅動管理任務(audio Task)及電池電量管理任務(batt Task)6個應用任務。

(1)I/O輸入管理任務:①初始化任務,申請該任務內存并初始化變量及該任務的消息處理函數;②初始化配置輸入I/O口,根據I/O輸入口屬性的表格初始化;③初始化I/O輸入事件,根據事件列表初始化;④管理并發送對應的觸發事件到各個不同的任務。

(2)I/O輸出管理任務:①初始化任務,申請該任務內存并初始化變量及該任務的消息處理函數;②初始化配置輸出I/O口,根據I/O輸出屬性的表格初始化;③I/O輸出管理,包括PIO和專用LED口,根據LED的閃爍方式和時序要求,在任務處理函數處理。

(3)藍牙剖面管理任務:①初始化任務,申請該任務內存并初始化變量及該任務的消息處理函數;②初始化并管理耳機的運行模式,初始化藍牙協議棧Connection  Task;③管理藍牙狀態,注冊、查詢配對、鑒權、重連等藍牙連接設備過程的藍牙狀態轉移管理;根據藍牙狀態進行相應的MMI顯示。

(4)耳機剖面管理任務:①初始化任務,申請該任務內存并初始化變量及該任務的消息處理函數;②初始化藍牙剖面協議HSP和HFP;③管理藍牙耳機通話處理,是藍牙耳機重要任務之一。

(5)音頻驅動管理任務:①初始化任務,申請該任務內存并初始化變量及該任務的消息處理函數;②調整Speaker和Mic的增益;③配置平臺的SCO音頻通路。(6)電池電量管理任務①初始化任務,申請該任務內存并初始化變量及該任務的消息處理函數;②充電電量顯示及算法;③放電電量顯示及算法。

按任務來區分各個不同功能,易于理解且具有靈活性、擴展性。可按任務模塊添加或者屏蔽任務模塊。各任務間可通過Blue Core的FIFO消息機制實現各個任務間的通信,從而實現藍牙耳機功能,如圖4所示。

圖 4 藍牙耳機功能

3.3藍牙耳機初始化及工作過程

在BC52MMExt芯片上VREGENABLEH pin能兼容最高4.9V電壓。當該pin上拉2s高電平脈沖后,Firmware運行并內部鎖定上拉,此后該pin可作為輸入pin來使用。Firmware啟動完成后接著運行VM虛擬機,這樣便為Application Task提供了運行環境。

初始化完成耳機后,耳機首先進入配對模式(pai2ringmodeorinquiryscanmode),AG(audio gateway)查詢(inquiry mode)當前可配對設備,找到耳機設備后可進行密碼鑒權校驗,鑒權通過后,耳機和AG可進行服務連接(SLC establishment)。此后,藍牙耳機進入正常待機模式,可進行來電、撥號等符合HSP/HFP剖面規范的相關操作。該耳機能通過PTS(front line test system)功能測試,符合藍牙耳機HSP和HFP剖面協議通信流程。

結語

基于CSR藍牙嵌入式平臺設計實現了藍牙耳機通話功能。通過在Blue Core5Multimedia嵌入式系統平臺上的深入研究,該平臺具有高性能、高靈活性、可定制性等特點,適合發展高端耳機產品。在該平臺上的藍牙耳機產品必將贏得高端客戶市場,具有重要應用意義。

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