藍牙車載系統(tǒng)的組成結構和應用規(guī)范分析

通過具有藍牙功能的手機，藍牙車載系統(tǒng)可以實現(xiàn)汽車自動故障診斷、電子導航等多種富有創(chuàng)意的應用。本文介紹了這些應用設計思路，并詳細分析了藍牙車載系統(tǒng)的組成結構和藍牙免提應用規(guī)范。

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

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

汽車遙控。用戶可以在10米范圍內用手機控制車門和車中的各類開關。

音樂下載。用戶可以通過手機下載音樂到汽車音響中播放。

電子導航。用戶可以通過手機下載電子地圖等數(shù)據(jù)到車載GPS導航系統(tǒng)中，導航系統(tǒng)得到當前坐標參數(shù)再通過手機短信傳回導航中心。

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備好相應的配件和修理工具。

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

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。基帶芯片包含跳頻、信道加密解密、鑒權、SCO語音編解碼等硬件，以及鏈路管理、HCI接口等固件。處理器運行藍牙上層協(xié)議棧、應用規(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牙子系統(tǒng)。汽車音響通過車內麥克風和揚聲器為藍牙子系統(tǒng)提供聲音的輸入輸出。主控制器運行人機接口(MMI)等軟件，對藍牙子系統(tǒng)、汽車音響和其它車載電子設備進行集中控制管理，并將有關信息顯示在圖形用戶界面(GUI)上。

藍牙子系統(tǒng)結構分析

藍牙子系統(tǒng)包含實現(xiàn)藍牙車載應用規(guī)范有關的軟硬件。基帶芯片通過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，處理器運行藍牙上層協(xié)議棧、應用規(guī)范和語音算法等核心軟件。圖2給出了藍牙子系統(tǒng)中處理器上運行的軟件結構。

圖2

圖2中的電路支持包(BSP)包含所有與硬件有關的代碼，可以保證上層軟件良好的硬件無關性。RTOS為軟件提供良好的結構和實時性能。設計時應充分考慮RTOS的RAM、ROM占用大小、中斷響應和任務切換時間，以及調度算法是否滿足語音算法等部分對實時性的要求。藍牙協(xié)議棧包括HCI HOST、L2CAP、SDP和RFCOMM等上層協(xié)議。在協(xié)議棧之上，按不同的應用要求放置有若干應用規(guī)范，如免提應用規(guī)范和耳機應用規(guī)范。由于新的應用規(guī)范不斷出現(xiàn)，軟件結構應便于加入新的應用規(guī)范以備將來擴充應用范圍。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端藍牙設備的數(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)有本地設備的藍牙地址、設備名稱、配對密碼和SDP記錄，以及遠端設備的藍牙地址、設備名稱、SDP記錄、鏈路密鑰、鑒權和授權方案。由于系統(tǒng)需要和多個遠端設備配對，數(shù)據(jù)庫應有足夠的容量來存放多個遠端設備的數(shù)據(jù)。

藍牙管理層(Bluetooth ME)對協(xié)議棧和數(shù)據(jù)庫調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)技術來消除。行車過程中進行免提通話時，發(fā)動機噪聲、路面噪聲、風聲會進入車內麥克風，影響通話質量。采用噪音抑制(NS)技術可以抑制車內噪聲以提高通話清晰度。

為了增加行車安全，語音識別(VR)技術可以讓駕駛員無需手動操作電子設備，通過預先錄入的聲音指令，駕駛員可以撥打電話，接聽電話等；語音合成(VS)技術用語音信號提醒駕駛員需要進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；人機接口層(MMI Interface)是外部與藍牙子系統(tǒng)進行通信的接口，這種通信使用專門的協(xié)議，外部MMI主機通過該協(xié)議發(fā)送命令到人機接口層，人機接口層解釋收到的命令，繼而控制應用層進行相應的動作，同時應用層也會將藍牙子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和事件送往人機接口層，人機接口層通過該協(xié)議發(fā)送命令到外部MMI主機。應用層接受所有來自人機接口層和藍牙管理層的事件，在一定的應用條件約束下對接收到的事件進行處理，并執(zhí)行相應的動作以控制人機接口層、藍牙管理層和語音管理層進行有序工作。應用層還負責對異常情況進行處理，比如人機接口層收到錯誤指令、藍牙鏈路的異常斷開、鑒權失敗等，通過適當?shù)腻e誤處理機制來提高系統(tǒng)的可靠性。

藍牙應用規(guī)范規(guī)定了為實現(xiàn)某種應用，雙方藍牙設備應滿足的一些技術標準。包括應用特性的規(guī)定、應用模型的定義、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)定分為強制性支持、有條件支持和可選支持。由以上結構可以看出，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用規(guī)范。
藍牙免提應用規(guī)范

藍牙免提應用規(guī)范規(guī)定了在語音網關和免提設備之間建立藍牙數(shù)據(jù)和語音連接的過程，以及免提設備如何基于該連接對手機進行遠程控制，并訪問外部網絡以實現(xiàn)電話功能。

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

圖3

藍牙免提應用規(guī)范的典型應用如圖3所示。此時藍牙車載系統(tǒng)是免提設備，手機充當語音網關。圖中的手機具有藍牙功能，第一次使用前需要和藍牙車載系統(tǒng)進行綁定，用戶輸入正確的密碼后，綁定即告成功。此后，經過綁定的藍牙手機靠近藍牙車載系統(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)定語音網關和免提設備之間進行綁定時，語音網關應該是發(fā)起者。語音網關發(fā)起設備查詢，免提設備進行查詢掃描，通過設備查詢語音網關就可以找到有效范圍內的免提設備。然后語音網關通過呼叫(Page)與免提設備建立連接，發(fā)起綁定流程。在該情況下，語音網關只能作為主設備, 免提設備為從設備。綁定完成后，可以由免提設備或者語音網關任何一方發(fā)起連接請求，沒有固定的主從設備之分。

免提規(guī)范本身不對藍牙鏈路的安全性提出強制性要求。就免提應用而言，為了保證通話內容的安全性，應進行鑒權和加密。鑒權是設備一方通過檢查鏈路密鑰來驗證對方設備的合法性，鑒權可以雙向進行；加密是對兩個設備間ACL數(shù)據(jù)按一定算法進行處理，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)安全性的關鍵。在藍牙免提應用中，鏈路密鑰由語音網關和免提設備通過配對(pairing)過程產生。在這個過程中，用戶需要在語音網關一方輸入正確的PIN碼來創(chuàng)建鏈路密鑰。

另外，藍牙車載系統(tǒng)可以提供多個不同應用服務。其它藍牙設備在訪問這些服務時，藍牙車載系統(tǒng)還需要控制對其不同服務的訪問權限，這種控制由授權過程實現(xiàn)。對于語音網關，一般應授予其訪問藍牙車載系統(tǒng)中免提應用的權力。

藍牙耳機應用規(guī)范

在藍牙車載系統(tǒng)中藍牙耳機主要也是用作免提，可以認為藍牙耳機應用規(guī)范是免提應用規(guī)范的簡化版本，只能完成有限的功能。由于耳機的用戶接口很簡單，一般為少量按鍵和LED顯示，因此耳機應用協(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，可選對語音網關和車載系統(tǒng)之間的音量同步控制支持等。通過耳機應用規(guī)范，可以進行接聽電話、掛斷電話、聲控撥號等基本的免提通話操作。

藍牙耳機應用規(guī)范也是通過在核心協(xié)議上添加耳機控制實體和應用層來實現(xiàn)。

本文小結

在藍牙車載系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)過程中，需要采用合理的硬件設計方案來滿足汽車應用在溫度范圍、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格的藍牙互操作性要求、良好的功能擴展能力以及良好的實時性和高可靠性。藍牙車載系統(tǒng)要大規(guī)模應用，在技術方面還需要解決應用規(guī)范的標準化問題，并且需要有完備的測試手段來保證不同廠商之間的設備有良好的互操作性。目前，免提應用規(guī)范和耳機應用規(guī)范在藍牙車載系統(tǒng)和藍牙手機上已經有廣泛的支持。