藍(lán)牙無(wú)線耳機(jī)設(shè)計(jì)及VxWorks移植方法

摘要 藍(lán)牙技術(shù)廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語(yǔ)音設(shè)備的無(wú)線傳輸。根據(jù)藍(lán)牙耳機(jī)的協(xié)議棧原理描述藍(lán)牙無(wú)線耳機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程；詳細(xì)說(shuō)明其系統(tǒng)內(nèi)部傳輸音頻數(shù)據(jù)的I2S總線的接口原理、讀寫時(shí)序和控制函數(shù)；按照藍(lán)牙耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范中各層數(shù)據(jù)處理要求，給出嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks在藍(lán)牙芯片ZV4301上的部分程序移植，最后通過(guò)協(xié)議模型講述語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)與藍(lán)牙耳機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音傳輸?shù)木唧w過(guò)程。
關(guān)鍵詞 藍(lán)牙 耳機(jī) I2S總線 VxWorks

    藍(lán)牙耳機(jī)是一種無(wú)線語(yǔ)音傳輸技術(shù)，是基于耳機(jī)在無(wú)線技術(shù)方面的延伸。它是相配于藍(lán)牙技術(shù)而進(jìn)入多媒體個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的。隨著藍(lán)牙技術(shù)的日趨完善和藍(lán)牙產(chǎn)品市場(chǎng)占有率逐漸提升，藍(lán)牙耳機(jī)在技術(shù)上也將不斷得到改進(jìn)，使之成為個(gè)人多媒體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的主要配套產(chǎn)品。藍(lán)牙耳機(jī)的應(yīng)用范圍除了手機(jī)以外，PDA、無(wú)繩電話應(yīng)用、汽車免提工具、電話終端等，也是藍(lán)牙耳機(jī)發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙耳機(jī)支持藍(lán)牙規(guī)范1．2版本，傳輸距離達(dá)10 m，傳輸速率達(dá)723．2 kb／s，并且具有低功耗和(幾乎)無(wú)輻射等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

1 藍(lán)牙技術(shù)
    藍(lán)牙作為一種低成本、短距離的無(wú)線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是由Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba五家公司共同倡導(dǎo)的一種全球無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一種無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開放性全球規(guī)范。它以低成本的短距離無(wú)線連接為基礎(chǔ)，為固定設(shè)備與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。其實(shí)質(zhì)是建立通用的無(wú)線空中接口及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備問的電纜替代。

    藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范包括協(xié)議和應(yīng)用規(guī)范兩個(gè)部分。協(xié)議定義了各功能元素各自的工作方式，整個(gè)藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)分為4層，即核心協(xié)議層、線纜替代協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和采納的其他協(xié)議層；應(yīng)用規(guī)范則闡述了為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的應(yīng)用模型，各層協(xié)議間的運(yùn)轉(zhuǎn)協(xié)同機(jī)制。較典型的應(yīng)用規(guī)范有撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)、耳機(jī)(headset)、局域網(wǎng)訪問和文件傳輸?shù)取Ｋ{(lán)牙耳機(jī)的協(xié)議棧原理如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
    硬件電路信號(hào)處理與控制部分采用Zeevo公司的基于ARM7的音頻處理器ZV4301。ZV4301處理器是在一個(gè)單芯片收發(fā)器上加入一個(gè)集成RF、數(shù)字信號(hào)處理、通信處理和運(yùn)算及控制處理功能的48 MHz APM7微處理器，片外擴(kuò)展閃存，以實(shí)現(xiàn)需要技術(shù)和高度最佳化的音頻處理。

    編解碼芯片采用飛利浦公司的UDAl380音頻芯片。UDAl380是一顆專為便攜式產(chǎn)品所設(shè)計(jì)的單芯片立體聲音頻編解碼器，可以提供立即可用的先進(jìn)音頻功能。這顆音頻編解碼器具有24位數(shù)據(jù)路徑、多重時(shí)鐘支持、DC偏移消除、支持多重?cái)?shù)據(jù)格式以及數(shù)字靜音檢測(cè)等集成功能。本設(shè)計(jì)中，UDAl380利用與微控器接口作音控處理．并利用L3接口來(lái)控制音量。

3 I2S總線
    本設(shè)計(jì)在硬件電路上使用基于I2S總線的音頻系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。I2S(Inter-IC Sound bus)是飛利浦公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議。

    I2S總線只處理聲音數(shù)據(jù)，其他信號(hào)(如控制信號(hào))必須單獨(dú)傳輸。為了使芯片的引腳盡可能少，I2S只使用了三根串行總線。這三根線分別是：提供分時(shí)復(fù)用功能的數(shù)據(jù)線(SD)、字段選擇線(聲道選擇WS)、時(shí)鐘信號(hào)線(SCK)。

    此設(shè)計(jì)中采用電源統(tǒng)一供電，ZV4301作為主設(shè)備，UDAl380作為從設(shè)備。ZV4301使用3個(gè)通用I／O口來(lái)模擬I2S總線。其讀寫I2S總線的數(shù)據(jù)主要包括以下幾個(gè)函數(shù)；
    word_selection()；   ／／字選擇函數(shù)
    serial_clock()；     ／／時(shí)鐘信號(hào)函數(shù)
    serial_data()；     ／／ 串行數(shù)據(jù)函數(shù)
    shift_register()；   ／／寄存器移位函數(shù)

4 軟件設(shè)計(jì)
    VxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。良好的持續(xù)發(fā)展能力、支持多種硬件環(huán)境、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，使之成為所有獨(dú)立于處理器實(shí)時(shí)系統(tǒng)中最具特色的操作系統(tǒng)。

    在該設(shè)計(jì)中，軟件協(xié)議全部下載到藍(lán)牙設(shè)備內(nèi)核處理器的外置閃存中，操作通過(guò)人機(jī)接口控制?；赩xWorks的軟件編寫工作主要包括：BSP包的改動(dòng)、程序的編寫和操作系統(tǒng)的裁減。由于VxWorks的高度靈活性，可以很容易地對(duì)這一操作系統(tǒng)進(jìn)行定制或作適當(dāng)開發(fā)，來(lái)滿足系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需要。BSP包的改動(dòng)指根據(jù)目標(biāo)硬件實(shí)際配置修改系統(tǒng)的配置參數(shù)宏(MAC-RO)，主要修改config．h、makefile．h、bspname．h文件。

    程序編寫函數(shù)主要包括以下7個(gè)。
(1)系統(tǒng)引導(dǎo)函數(shù)
    VxWorks操作系統(tǒng)在一些板級(jí)系統(tǒng)初始化后自動(dòng)執(zhí)行tUsrRoot()函數(shù)，以完成初始化。
tUsrRoot()
……                      ／／必要初始化程序
    vInitializeLmp()；    ／／LMP初始化完成
    vInitializeL2cap()；  ／／L2CAP初始化完成
    vInitializeSdp()；    ／／SDP初始化完成
    vInitializeRf()；     ／／RFCOMM初始化完成
    vInitializeHA()；     ／／HeadsetApplication初始化完成
    exit()；              ／／退出

(2)系統(tǒng)初始化函數(shù)(以L2CAP為例)
    typedet
    {MSG_IDSdpToL2cap；
    MSG_ID L2capToSdp；
    MSG_ID RfToL2cap；
    MSG_ID L2capToRf；
    MSG_lD HAToSdp；
    MSG_ID SdpToHA；
    MSG_ID HAToRf；
    MSG_ID RfToHA；
    }MSG_QUEUE_ID／／定義消息隊(duì)列1D結(jié)構(gòu)體類型
    MSG_QUEUE_ID MsgQueueld；    ／／定義全局消息隊(duì)列ID結(jié)構(gòu)體，用于存放每個(gè)消息隊(duì)列的ID
    vInitlalizeL2caD()；／／L2CAP初始化，包括初始化全局變量、創(chuàng)建定時(shí)器、創(chuàng)建消息
                        ／／隊(duì)列、創(chuàng)建并啟動(dòng)任務(wù)

(3)LMP軟件設(shè)計(jì)
    基帶程序運(yùn)行在藍(lán)牙芯片的信號(hào)處理單元中，而LMP程序運(yùn)行在藍(lán)牙芯片的微處理器中，它們通過(guò)郵箱來(lái)交換信息。只要任何一方向郵箱發(fā)送了信息，郵箱就會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，另外一方可以在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行信息讀取和處理。其處理函數(shù)為；
    vLmpDealFromBB()
    ／／處理來(lái)自BaseBand層的消息以建立連接，對(duì)來(lái)自BaseBand層
    ／／的操作碼決定接受與否，并進(jìn)行鑒權(quán)、加密、處理或斷開等操作

(4)L2CAP軟件的設(shè)計(jì)
    tL2capDealMsgFromSdp()
    ／／處理來(lái)自SDP層的消息SdpToL2eap，生成L2CAP數(shù)據(jù)包，把數(shù)據(jù)傳BaseBand層
    tL2capDealMsgFromRf()
    ／／處理來(lái)自RFCOMM層的消息RfToL2cap，生成L2CAP數(shù)據(jù)包，把數(shù)據(jù)傳BaseBand層
    vL2capDealMsgFromBB()
    ／／處理來(lái)自BaseBand層的消息，在處理器郵箱中斷程序被調(diào)用

(5)SDP軟件的設(shè)計(jì)
    tSdpDealMsgFromL2cap()
    ／／處理來(lái)自L2CAP的消息L2capToSdp，并上報(bào)搜索到的服務(wù)的屬性
    tSdpDealMsgFromHA()
    ／／處理來(lái)自HeadsetApplieation的消息HAToSdp，對(duì)上報(bào)信息進(jìn)行應(yīng)答
 
(6)RFOOMM軟件的設(shè)計(jì)
    tRfDealMsgFromHA()
    ／／處理來(lái)自HeadsetApplication的消息HAToRf，生成RFCOMM數(shù)據(jù)包，傳送給L2CAP
    tRfDealMsgFromL2cap()
    ／／處理來(lái)自L2CAP的消息L2capToRf，對(duì)不同的幀進(jìn)行處理

(7)HeadsetApplication軟件的設(shè)計(jì)
    tHADealMsgFronaSdp()
    ／／處理來(lái)自SDP的消息SdpToHA，判斷是否正常并處理
    tHADeaIMsgFromRf()
    ／／處理來(lái)自RFCMM的消息RfToHA，對(duì)AT命令及其應(yīng)答作出處理

5 語(yǔ)音傳輸建立過(guò)程
    藍(lán)牙耳機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)總是藍(lán)牙語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)(AG)和藍(lán)牙耳機(jī)(HS)成對(duì)出現(xiàn)的。其通信所用到的協(xié)議棧及實(shí)體如圖4所示。

    藍(lán)牙設(shè)備連結(jié)的建立遵循底層到高層的原則，即搜索藍(lán)牙設(shè)備、建立鏈路、服務(wù)搜索、建立信道、建立連接和數(shù)據(jù)傳輸。

    以下是音頻連接建立的全過(guò)程。(以AG主動(dòng)發(fā)起連接請(qǐng)求為例。)
    ①AG首先發(fā)起查詢，通過(guò)查詢AG獲得HS的藍(lán)牙地址。
    ②AG在應(yīng)用層的驅(qū)動(dòng)下向查詢到的HS發(fā)起一個(gè)page進(jìn)程。當(dāng)接收到HS返回的應(yīng)答信號(hào)時(shí)，AG與HS之間的ACL鏈接已經(jīng)成功建立。
    ③一旦ACL鏈接建立，即可以被用來(lái)傳送振鈴信號(hào)。振鈴信號(hào)的發(fā)送是通過(guò)AT命令RING來(lái)完成的。
    ④ACL鏈接好后，接著建立L2CAP鏈路。AG首先在信令信道上發(fā)送一個(gè)鏈接請(qǐng)求信令L2CAP_req，要求建立信道標(biāo)號(hào)為0x0040的L2CAP。當(dāng)HS返回鏈接響應(yīng)信號(hào)時(shí)，表明0x0040信道已經(jīng)建立好。然后對(duì)此信道進(jìn)行配置，配置完信道后，就可以利用此CID(信道標(biāo)識(shí)符)為0x0040的L2CAP信道進(jìn)行SDP查詢。
    ⑤AG在L2CAP信道上發(fā)送一個(gè)SDP查詢包。SDP查詢包將查詢SDP服務(wù)器端HS是否具有所需要的服務(wù)。若查詢成功，在ACL鏈路上，AG再建立一條標(biāo)號(hào)為0x0041的l.2CAP鏈路，用來(lái)傳輸RFCOMM數(shù)據(jù)；同時(shí)，斷開用作SDP查詢的標(biāo)號(hào)為0x0040的L2CAP鏈路。
    ⑥當(dāng)CID為0x004l的L2CAP信道建立好之后，首先建立控制信道DICIO，AG在信道上發(fā)送一個(gè)SABM幀，即要求建立RFCOMM層上的Channel O。如果響應(yīng)方HS希望建立鏈接，返回一個(gè)VA幀，表明已經(jīng)建立好了Channel 0這條RFCOMM信道。此信道為控制信道,用來(lái)傳送攜帶控制信息和命令的UIM幀。如果響應(yīng)方HS不希望建立鏈接，返回一個(gè)DM幀。其次建立數(shù)據(jù)信道，先是對(duì)數(shù)據(jù)傳送信道的參數(shù)進(jìn)行協(xié)商，協(xié)商命令PN參數(shù)包括對(duì)將要建立的信道Channel 1的優(yōu)先級(jí)，最大幀長(zhǎng)等，當(dāng)雙方協(xié)商好后建立傳輸數(shù)據(jù)的信道Channell。
    ⑦通過(guò)RFooMM信道傳輸HS控制層的AT命令，即在RFCOMM數(shù)據(jù)傳送信道Channe1上利用UIH幀傳送AT+CKPD命令。當(dāng)接收到對(duì)方的響應(yīng)后，就可以開始建立SCO鏈接。 
    ⑧HCI(主機(jī)控制接口)發(fā)一個(gè)WRITE_VOICE_SETTING命令，對(duì)音頻狀態(tài)進(jìn)行一些設(shè)置。當(dāng)接收到AG的建立SC0鏈接的請(qǐng)求時(shí)，若HS允許，發(fā)送一個(gè)接收的HCI命令，在命令完成之后，傳輸音頻信號(hào)的SC0鏈路就建立好了，此時(shí)就可以進(jìn)行語(yǔ)音通信。

結(jié)語(yǔ)
    本文給出了藍(lán)牙及藍(lán)牙耳機(jī)系統(tǒng)的基本概念及其在軟硬件方面的具體實(shí)現(xiàn)。藍(lán)牙耳機(jī)使用戶擺脫線纜的束縛，能夠在較大的自由空間內(nèi)通話。由于采用專用的聲音編解碼芯片和標(biāo)準(zhǔn)音頻取樣率44．1 kHz，并經(jīng)過(guò)先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，能夠使聲音效果接近CD音質(zhì)，這樣也使藍(lán)牙耳機(jī)真正取代有線耳機(jī)成為可能。