藍(lán)牙單芯片在車(chē)載信息娛樂(lè)設(shè)備中的應(yīng)用及開(kāi)發(fā)

藍(lán)牙單芯片領(lǐng)頭芯片廠商CSR的Bluecore是目前普遍應(yīng)用的藍(lán)牙單芯片系列，在藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙手機(jī)和免提裝置等設(shè)備中應(yīng)用廣泛，也是很多藍(lán)牙工程師的首選。筆者采用Bluecore5-MM（以下簡(jiǎn)稱BC5）和Freescale的Coldfire架構(gòu)的32位處理器MCF5251，開(kāi)發(fā)了一款整合USB音樂(lè)播放、iPOD控制、藍(lán)牙免提和流媒體音樂(lè)播放等功能的車(chē)載信息娛樂(lè)設(shè)備。下面，首先簡(jiǎn)要介紹設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)，然后從設(shè)備軟件結(jié)構(gòu)、BC5軟件開(kāi)發(fā)方式、內(nèi)存和DSP的開(kāi)發(fā)上詳細(xì)講一下開(kāi)發(fā)中遇到的問(wèn)題及解決方法。

硬件結(jié)構(gòu)
圖1為車(chē)載娛樂(lè)設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)圖，包括電源管理、音頻輸入輸出及音源管理、處理器及其外圍電路、USB接口及其供電保護(hù)、CAN接口等幾個(gè)部分。

圖1  車(chē)載娛樂(lè)設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，系統(tǒng)采用BC5-MM+32位外部嵌入式處理器的雙處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，藍(lán)牙部分用BC5-MM實(shí)現(xiàn)。下面，首先介紹該芯片的關(guān)鍵特性，然后介紹其RF子系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。其芯片特性如下：
(1)以單芯片的形式集成了藍(lán)牙系統(tǒng)的射頻和基帶控制、RISC結(jié)構(gòu)的16位MCU和性能高達(dá)64MIPS的Kalimba DSP。其中，MCU部分實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙協(xié)議棧和應(yīng)用軟件，DSP用于實(shí)現(xiàn)音頻和語(yǔ)音處理以及流媒體音樂(lè)文件的編解碼。

(2)具有獨(dú)立的音頻輸入輸出系統(tǒng)。

(3)無(wú)線發(fā)射功率達(dá)+8dBm，接受靈敏度-90dBm，無(wú)須外部放大器，只需印刷電路板天線便可滿足藍(lán)牙射頻規(guī)范Class 2的要求，通信距離可達(dá)10m。

(4)具有USB、I2C、SPI、UART等多種接口，可以外接外部主控制器以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用。其中，BC5-MM和主處理器通過(guò)UART進(jìn)行通信，SPI接口用于BC5-MM程序的調(diào)試、下載以及關(guān)鍵PSKEY屬性的設(shè)置。

藍(lán)牙RF子系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。由于BC5-MM內(nèi)部集成了藍(lán)牙射頻和基帶控制，所以只需外接濾波器和PCB天線便能實(shí)現(xiàn)RF子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。濾波器選用插入損耗低、衰減特性高的藍(lán)牙平衡濾波器DBF81F04，保證了藍(lán)牙通信的可靠性；PCB天線采取F型天線，反饋點(diǎn)位置需要根據(jù)藍(lán)牙2.4GHz的頻率中心點(diǎn)確定。另外，在音頻輸入輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要注意的是音頻輸入有最大電壓的要求，所以在外圍麥克風(fēng)輸入電路設(shè)計(jì)時(shí)要注意選擇電路放大參數(shù)以控制輸入電壓。

圖2  RF子系統(tǒng)電路圖

軟件開(kāi)發(fā)
圖3所示為雙處理器結(jié)構(gòu)的車(chē)載信息娛樂(lè)設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)圖。MCF5251端的軟件設(shè)計(jì)不再贅述，BC5軟件包括固件、操作系統(tǒng)、剖面和應(yīng)用程序四個(gè)部分。固件的功能是和硬件連接，提供底層驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，包括藍(lán)牙底層協(xié)議棧及片上各種外設(shè)，如IO、UART、Timer、ADC等的接口；操作系統(tǒng)Virtual Machine（VM）完成內(nèi)存管理、任務(wù)調(diào)度和消息處理功能；剖面的功能是定義某類型設(shè)備應(yīng)該包含的功能及其標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)方式，保證設(shè)備間的互操作性。應(yīng)用程序是在剖面和VM提供的一系列API上進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，定義了任務(wù)和相應(yīng)的消息，在VM的控制下采用消息隊(duì)列機(jī)制異步發(fā)送消息進(jìn)行通信，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為Roadtunes-SDK。該SDK提供了完整的藍(lán)牙協(xié)議棧和各種剖面的源代碼，并提供了車(chē)載應(yīng)用的軟件解決方案。下面講述下連接管理及內(nèi)存問(wèn)題和DSP開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)。

圖3 車(chē)載設(shè)備軟件結(jié)構(gòu)圖

連接管理
筆者設(shè)計(jì)的車(chē)載信息娛樂(lè)設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)免提通話、電話簿下載、流媒體音樂(lè)播放和音樂(lè)遠(yuǎn)程控制應(yīng)用，每一種應(yīng)用都是在相應(yīng)的連接的基礎(chǔ)上以相應(yīng)剖面約定的方式進(jìn)行的。其中，免提對(duì)應(yīng)HFP剖面，電話簿下載對(duì)應(yīng)PBAP，流媒體音樂(lè)播放對(duì)應(yīng)A2DP，音樂(lè)遠(yuǎn)程控制對(duì)應(yīng)AVRCP，合理管理這些連接至關(guān)重要。首先，對(duì)連接進(jìn)行分類，HFP和A2DP為主要連接，PBAP是HFP的附屬連接，AVRCP是A2DP的附屬連接。當(dāng)手機(jī)和設(shè)備建立了免提連接后，設(shè)備主動(dòng)與手機(jī)建立PBAP連接，下載電話簿并通過(guò)UART送到主處理器去解析，當(dāng)手機(jī)和設(shè)備建立了流媒體連接后，設(shè)備主動(dòng)與手機(jī)建立AVRCP連接以實(shí)現(xiàn)流媒體音樂(lè)的遠(yuǎn)程控制。

系統(tǒng)在邏輯上是完全合理的，但發(fā)現(xiàn)此時(shí)死機(jī)的可能性很大。經(jīng)分析，每一種連接建立后設(shè)備雙方需要交互鏈路監(jiān)控超時(shí)時(shí)間、低功耗設(shè)置、LMP版本信息、支持特性等其他信息，短時(shí)間內(nèi)需要消耗相當(dāng)大的內(nèi)存，而PBAP電話簿下載和UART的傳輸也消耗相當(dāng)大的內(nèi)存，這樣便造成BC5無(wú)法為相應(yīng)的藍(lán)牙消息分配內(nèi)存。因?yàn)樗{(lán)牙設(shè)備的各種行為都有相應(yīng)的消息序列和次序，一旦將中間某個(gè)環(huán)節(jié)丟掉，那么后續(xù)的行為也是不可控的，繼續(xù)運(yùn)行會(huì)造成程序的紊亂，這時(shí)復(fù)位是必需的選擇。

BC5的MCU內(nèi)存為48KB，被當(dāng)前各個(gè)為其語(yǔ)音或數(shù)據(jù)分配的環(huán)形緩沖區(qū)和協(xié)議棧特定操作、剖面和應(yīng)用程序所共享。因此，需要在軟件開(kāi)發(fā)上精心設(shè)計(jì)，并犧牲一定的速度性能才能保證程序不會(huì)因?yàn)閮?nèi)存不夠而運(yùn)行失敗。

設(shè)計(jì)合理的連接管理方案如下：在A2DP連接完成5s后發(fā)起建立AVRCP連接，在HFP連接完成10s后發(fā)起建立PBAP連接，并保證不存在兩個(gè)正在進(jìn)行中的連接，即如果AVRCP連接還沒(méi)有建立完成，當(dāng)PBAP的建立時(shí)間到達(dá)時(shí)再推遲10s發(fā)起PBAP的連接，而且在剛建立PBAP連接時(shí)不馬上進(jìn)行電話簿下載這樣需要大量?jī)?nèi)存的操作，這樣便解決了該問(wèn)題。

DSP的開(kāi)發(fā)
BC5內(nèi)置性能高達(dá)64MIPS的DSP，可以軟件的方式完成兩大功能即回聲消除和流媒體音樂(lè)文件的解碼。CSR為BC5的DSP提供了用于回聲消除和噪聲抑制的CVC，并提供了SBC和MP3的編解碼實(shí)現(xiàn)，這些都為車(chē)載信息娛樂(lè)設(shè)備免提通話和流媒體音樂(lè)播放功能的實(shí)現(xiàn)提供了極大的便利。同時(shí)，筆者所設(shè)計(jì)的車(chē)載信息娛樂(lè)設(shè)備需要有對(duì)音頻系統(tǒng)的自診斷功能，要求產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)1kHz聲音信號(hào)并對(duì)麥克風(fēng)進(jìn)行檢測(cè)，這部分功能在BC5的DSP上實(shí)現(xiàn)。下面首先簡(jiǎn)要介紹DSP的特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)方式，然后介紹自診斷功能中麥克風(fēng)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)。

CSR為其DSP定義了Kalimba的類匯編開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，并提供了很多有用的算子，可以被開(kāi)發(fā)者直接調(diào)用編程以實(shí)現(xiàn)自定義功能。DSP跟外設(shè)的接口只有PIO，它無(wú)法直接和UART、USB、CODEC或藍(lán)牙數(shù)據(jù)鏈路接口，需要跟MCU一起完成具體應(yīng)用。MCU和DSP之間基于中斷以消息的方式進(jìn)行交互，消息數(shù)據(jù)采用DSP和MCU的共享內(nèi)存收發(fā)，MCU和DSP都有發(fā)送接收消息的相應(yīng)機(jī)制。

麥克風(fēng)檢測(cè)需要對(duì)所產(chǎn)生的聲音信號(hào)采樣并運(yùn)算處理。首先，MCU設(shè)置好麥克風(fēng)ADC的采樣率和增益，同時(shí)設(shè)置好ADC數(shù)據(jù)流與DSP輸入端口的連接，DSP對(duì)輸入的ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果以long message的方式發(fā)送給MCU，在MCU中做后續(xù)處理。MCU的設(shè)置代碼如下所示：
/*VM_PCM_INTERNAL_A means left adc and left dac*/
PcmRateAndRoute(0,PCM_NO_SYNC,8000,8000,VM_PCM_INTERNAL_A);
/* Set the gains on the codec */
CodecSetInputGainA(13); 
/* plug Left ADC into port 0 */
StreamConnect(StreamPcmSource(0),StreamKalimbaSink(0));
StreamKalimbaSink(0)即為DSP的輸入端口，它是一個(gè)先進(jìn)先出的環(huán)形緩沖區(qū)，Kaimba提供了對(duì)它進(jìn)行操作的算子，包括讀數(shù)據(jù)、寫(xiě)數(shù)據(jù)、查詢剩余空間和當(dāng)前有效數(shù)據(jù)空間。對(duì)它進(jìn)行操作前需要查詢剩余空間和查詢當(dāng)前有效數(shù)據(jù)空間，這樣才能保證所取的輸入數(shù)據(jù)在時(shí)域上的連續(xù)性，操作后要更新讀寫(xiě)指針，這樣才能保證其后續(xù)操作的正確性。

FFT運(yùn)算的輸入實(shí)部即為麥克風(fēng)采樣數(shù)據(jù)，虛部為零，是占位運(yùn)算，即運(yùn)算結(jié)果的輸出占用的是輸入數(shù)據(jù)的地址空間。根據(jù)FFT原理，輸入順序時(shí)，輸出逆序，輸入逆序時(shí)輸出順序，這個(gè)逆序算法取決于FFT運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)，在這里選擇128點(diǎn)運(yùn)算。根據(jù)傅里葉變換原理，頻率分辨率取決于運(yùn)算點(diǎn)數(shù)和ADC的采樣速率，計(jì)算公式如下：
Δf=fs/N=8000/128=62.5Hz

其逆序序列為0 64 32 96 16 80 48 112 8 72 40 104 24 88 56 120 4...
為了保證運(yùn)算正確，需要進(jìn)行多次運(yùn)算，首先設(shè)置一定時(shí)器實(shí)時(shí)刷新FFT輸入的實(shí)部數(shù)據(jù)，其次在每次FFT運(yùn)算之前將虛部全部清零，將沒(méi)有得到賦值的實(shí)部數(shù)據(jù)全部清零。定時(shí)器周期根據(jù)ADC的采樣速率和運(yùn)算點(diǎn)數(shù)決定，由于對(duì)FFT輸入數(shù)據(jù)的補(bǔ)零操作不會(huì)影響運(yùn)算結(jié)果和頻率分辨率，所以在這里設(shè)定定時(shí)器周期為14ms，這樣輸入數(shù)據(jù)不會(huì)溢出。

運(yùn)算完成后需要對(duì)實(shí)部和虛部進(jìn)行求模運(yùn)算，按照以上的逆序輸出，判斷峰值是不是出現(xiàn)在1kHz處即第56個(gè)點(diǎn)，是則麥克風(fēng)工作正常，否則工作不正常。

結(jié)語(yǔ)
筆者采用BC5和MCF5251設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了車(chē)載信息娛樂(lè)設(shè)備，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有很高的實(shí)用價(jià)值。本文論述了BC5的應(yīng)用開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)，有助于采用BC5進(jìn)行開(kāi)發(fā)的藍(lán)牙工程師同仁加深對(duì)其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的理解。