蓝牙无线耳机控制板开发

蓝牙工作在2.4GHz的免照频段，它采用跳频扩谱技术，支持语音和数据的传输，其传输距离为10～100m，是一种近距离无线通信技术规范。蓝牙规范为设备提供了同时传送数据和语音的方法，使用异步无连接(ACL)信道传送数据，而使用同步定向连接(SCO)信道传送语音，还允许多达3个双工的语音(SCO)信道同时处于活动状态。蓝牙使用电路交换技术处理语音，电路转换信道(SCO)能够有规律地提供保留带宽信道，当链路首次建立时，主设备已分配好了它们占用的固定时隙。SCO链路上使用不同的包类型(高质量语音HV1、HV2、HV3或数据语音DV)，它们占用不同大小的带宽，提供不同质量的语音。发起连接的应用程序选择一种HV包类型来配置语音链路，这种包在周期性保留的时隙中传送，提供64kbps的对称传输。不同类型的包需要保留时隙的间隔不同，但都是单时隙包，都不带CRC。蓝牙在空中接口上支持3种音频编码方案:连续可变斜率增量调制(CVSD)、使用A律的对数脉冲编码调制(A-PCM)及使用u律的对数脉冲编码调制(u-PCM)。CVSD是一种使用两级适应量化器的微分波形量化技术，而PCM使用的则是一种非均匀的量化，在有位错误存在的情况下，CVSD比PCM更可靠。但是PCM简单、廉价，并且已经应用于大量设备中。

与其它的无线通讯技术相比，蓝牙在语音传输方面性能表现突出，此外蓝牙还具有自动接入可移动网络、抗干扰性强、高性价比、体积小及低功耗等优点。综合以上因素，蓝牙技术是无线耳机的首选解决方案。目前，许多厂家推出了内置蓝牙功能的手机，蓝牙耳机也应运而生。

一、蓝牙无线耳机系统总体解决方案

(1)系统组成。蓝牙耳机系统的基本组成为语音接入设备，即语音网关(AG)和蓝牙耳机(HS)。语音网关作为语音输入输出的网关，具有代表性的语音网关设备是PC或者手机。蓝牙耳机以无线的方式延伸了语音网关的语音输入输出接口，作为语音网关远端的语音输入输出设备。

(2)通讯机制。根据实际应用需要，耳机语音拨号，需要主动发起连接，语音网关有呼叫接入时也需要主动发起连接，而且通信活动属于突发型，所以在耳机和语音网关组成的Ad2hoc网络中，没有固定的主从设备角色之分。

耳机和语音网关之间通过蓝牙的SCO链路来双向传输语音数据，并且在此方案中只支持一条SCO链路。由于耳机受到体积能耗的限制，繁琐的链路控制集中在语音网关这一端。耳机和语音网关都可以作为主设备发起ACL连接，但是建立在ACL链路之上的SCO链路都是由语音网关创建的。耳机和语音网关都可以发出指令来中止两者之间的呼叫，但是真正对SCO链路的释放是由语音网关来完成的。

列出了耳机和语音网关分别作为主动请求端的两种情况。耳机和语音网关也可交替发出请求，它们之间通过RFCOMM(射频通信)的仿真串口，以类似于Modem的机制，利用AT命令和Modem的控制信号来传输信令(例如耳机音量的控制)。语音网关创建ACL连接之后发送AT+RING信令，通知耳机生成铃音，提醒用户有来自语音网关的呼叫。用户通过RFCOMM信道向语音网关发小键盘信令AT+CKPD来接受呼叫。耳机和语音网关通过SCO链路传输同步命令，保持两端音量设置同步，从而实现远程音量控制。当不存在SCO语音连接时，音量不可改变，语音网关对上一次通话的音量设置有记忆性。

二、无线蓝牙耳机硬件设计

2.1语音网关

语音网关的硬件组成分为主机(PC或者是手机)、蓝牙模块和编ö解码(CODEC)模块。蓝牙模块由蓝牙芯片BlueCore02、闪存和天线组成。BlueCore02采用单芯片集成射频和基带控制模块的方案，不仅体积小而且性能好，所以用它作为蓝牙模块的主控芯片，并外接8Mbit的FlashRom用于存储蓝牙协议栈和语音网关应用程序。编ö解码模块采用MotorolaMC145483连接BlueCore02的PCM接口。MotorolaMC145483是一种3V低工作电压的13位线性PCM滤波编ö解码器，采用2s补偿数据格式，包含一个片上精确的参考电压，能够处理语音的数字化和重组，适合同步和异步的应用。

主机接入的语音数据(如果是数字信号则跳过编解码过程)通过音频接口送给CODEC编码成数字信号，通过PCM接口传给蓝牙模块，蓝牙模块将数字信号转换为无线信号发射出去传给耳机。按照同样的原理，蓝牙模块接收耳机传来的无线信号并将其转换成数字信号通过PCM接口传给CODEC解码成语音模拟信号(如果主机需要接收数字信号则跳过编解码过程)再传给主机。

2.2蓝牙耳机

蓝牙耳机系统的硬件由4部分组成:耳机核心控制模块、编/解码(CODEC)模块、声音输入输出模块和电源管理模块。

(1)耳机核心控制模块由蓝牙模块、按键及LED组成。蓝牙模块是由蓝牙芯片BlueCore02、闪存和天线组成，其中FlashRom用于存储蓝牙协议栈和耳机应用程序。BlueCore02有丰富的PIO口线，这些PIO口线都支持双向通讯而且芯片内部带有上拉电阻，接上按键后可以直接读出按键被按下的脉冲信号，并由此触发中断处理。耳机上设有4个按键Talk、VolumeUp、VolumeDown及On/Off。两个LED指示灯，一蓝一白分别用亮、灭及闪烁表示耳机处于的状态:Idle(空闲)、Paring(配对)、ConnectasSlave(连接后作为从设备)、ConnectasMaster(连接后作为主设备)及Connected(连接)。

(2)编/解码模块采用MotorolaMC145483连接BlueCore02的PCM接口。

(3)声音输入输出模块包括麦克风和扬声器。麦克风作为语音输入设备，把声波信号转换成模拟电信号;扬声器作为语音输出设备，把模拟电信号转换成声波信号。

(4)电源管理模块是便携式移动设备设计中最重要的部分之一。便携式移动设备有功耗低、待机时间长的要求，所以电源管理模块主要包括对编ö解码器的电源监控和蓝牙模块的低功耗模式控制这两部分。通过蓝牙模块控制编/解码器的电源，高电平接通电源，低电平切断电源。

三、蓝牙无线耳机软件设计

蓝牙协议栈和应用层协议最终都以固件形式封装在所使用的蓝牙模块中。CSR的开发包BlueLab提供了从基带到RFCOMM层以及SDP层的API，所以只需在这些协议的基础上按照用户的需求开发应用层协议。

连接控制层位于应用层和RFCOMM层之间，在高层应用和底层协议栈之间提供一个通用消息接口。

消息分为3类:与配对相关的、连接管理以及与连接相关的消息。从用户角度看，由于连接控制层的存在，屏蔽了底层复杂的指令，简化了应用层的设计。

耳机和语音网关之间通讯流程步骤为:①初始化过程完成设备当前状态的设置，连接控制器的初始化，连接控制器的服务注册等工作。②使用蓝牙设备搜索程序在附近找到合适的设备，一旦语音网关应用程序发现了耳机设备，它就需要使用SDP服务搜索协议并执行服务搜索来寻找耳机服务。③服务搜索阶段完成之后，就是配对过程。主要负责发送配对请求、PIN码的输入及链路密钥的产生。AG与HS是多对多的关系，采用配对的方式将耳机与语音网关一对一映射，同时为了安全起见，用配对来建立链路密钥。④连接到音频服务。连接过程主要是完成RFCOMM连接的初始化(包括参数商议、Modem状态命令的执行)、建立及释放，控制AG初始化、建立和释放SCO连接。

耳机的电源能量非常有限，必须使有限的电源发挥最大作用，而语音网关具有较持久的电源，所以电源管理开销放在链路的语音网关端，负责链路的电源管理，因而在语音网关端的软件部分设计了异步电源管理应用程序。该应用程序主要在3个方面考虑蓝牙的节能状况:

①配对。在配对状态下，耳机处于可发现状态，加长寻呼和查询扫描的间隔来减少无线电接收装置的耗电时间，以达到节能的目的。

②建立SCO连接。建立RFCOMM连接后，设置耳机处于可连接状态，由语音网关发起SCO连接，与配对的节能原理相同，减少耳机扫描时间。

③RFCOMM和SCO两个连接的间隙。一旦建立了RFCOMM连接，耳机进入PARK模式，直到需要建立SCO连接时退出PARK模式，耳机和语音网关都可终止PARK模式，这样每次呼叫均节省了建立RFCOMM连接的时间和能耗。一旦SCO连接中断，RFCOMM连接再次进入PARK模式。如果耳机端在SCO连接中断后要传送数据(如按钮信息)可以进入SNIFF模式，耳机可以在不退出SNIFF模式的情况下发送数据。

软件设计中考虑了耳机低功耗模式的动态设置，即对PARKöSNIFF模式的开启、关闭以及参数的动态设置，方便用户根据需求在高响应度和低功耗之间权衡，以达到最佳使用效果。

总结

本文利用CSR提供的良好性能的蓝牙模块和底层协议栈，设计实现了符合蓝牙耳机剖面的无线耳机系统，具有优良的性能。若将本方案中语音网关部分接入不具备蓝牙功能的手机的音频接口，即可方便的实现普通手机的蓝牙功能。同时本方案可进一步推广为车载免提(CarKit)等应用的参考解决方案。本方案已应用到信息家电、汽车电子等多个领域。

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