基于BC03藍(lán)牙模組的無線有源音箱設(shè)計

摘要：給出了一種采用藍(lán)牙模組的無線通信系統(tǒng)。將CSR的BC03藍(lán)牙模組與TDA2030A OCL功放置于音箱中，通過C8051F020單片機(jī)UART0完成與藍(lán)牙模組通信和控制，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙手機(jī)或者PC電腦與BC03藍(lán)牙模組的互連，完成HFP和A2DP功能，采用4×5鍵盤完成數(shù)據(jù)和音頻控制指令的輸入，并通過TS1602 LCD完成基本的數(shù)據(jù)和控制指令顯示等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)能夠成功實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙手機(jī)或者PC設(shè)備與BC03藍(lán)牙模組的互連，完成藍(lán)牙模組的HFP和A2DP功能，音頻最大輸出功率可以達(dá)到14 W(RL=4 Ω)，可以直接驅(qū)動4 Ω或者8 Ω的音箱負(fù)載。
關(guān)鍵詞：BC03藍(lán)牙模組；HFP；A2DP；音頻控制

0 引言
    藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信(一般10 m內(nèi))的無線電技術(shù)，能在包括移動電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效地簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信，使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對點(diǎn)及點(diǎn)對多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2．4 GHz ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段，采用時分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸，數(shù)據(jù)速率為1 Mb／s。藍(lán)牙技術(shù)實(shí)質(zhì)是一種短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)。
    選擇C8051F020單片機(jī)作為該無線通信系統(tǒng)的處理和控制器，BC03MM藍(lán)牙模塊作為該無線通信系統(tǒng)的收發(fā)模塊，通過串口通信使單片機(jī)和藍(lán)牙終端設(shè)備相互連接，通過編寫相關(guān)控制程序，實(shí)現(xiàn)鍵盤信號通過單片機(jī)模塊處理轉(zhuǎn)化后給藍(lán)牙模塊發(fā)送相關(guān)命令，從而控制對應(yīng)的藍(lán)牙終端(手機(jī))進(jìn)行播放音樂，撥打電話等功能。采用單片機(jī)作為藍(lán)牙模塊的命令控制和數(shù)據(jù)顯示處理和控制器，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、成本低廉、可移植性等優(yōu)點(diǎn)。

1 整體方案設(shè)計
    方案的主要任務(wù)是通過C8051F020單片機(jī)UART0完成與藍(lán)牙模組通信和控制，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙手機(jī)或者PC電腦與BC03藍(lán)牙模組的互連，完成免提(Hand Free Profile，HFP)和音樂播放(Advanced Audio Distribution Profile，A2DP)功能。該系統(tǒng)由鍵盤、單片機(jī)、LCD顯示器、固化了電纜通信協(xié)議(RFCOMM)的BC03MM藍(lán)牙模塊組成，其中鍵盤用來輸入控制信號，LCD用來顯示通信數(shù)據(jù)從而方便系統(tǒng)操作，單片機(jī)用來控制系統(tǒng)的運(yùn)作，接收鍵盤的命令信號并傳輸給藍(lán)牙模塊，BC03藍(lán)牙模塊是用來連接外部藍(lán)牙終端(手機(jī)或者PC電腦)，并通過發(fā)送命令控制其連接的終端實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

2 硬件電路設(shè)計
2．1 硬件總體設(shè)計
    整個系統(tǒng)采用一片C8051F020單片機(jī)和CSRBC03藍(lán)牙模組來完成系統(tǒng)設(shè)計。其中UART0被配置在C8051F020的P0．0(TXD)和P0．1(RXD)，通過串接1 kΩ電阻與BC03模組串口連接。由于C8051F020和BC03藍(lán)牙模組均為3．3 V系統(tǒng)，所以不需要增加額外的電平轉(zhuǎn)換串口通信電路，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。C8051F020的端口P3控制LCD1602的命令和數(shù)據(jù)顯示，端口P2完成鍵盤信息的輸入。對于BC03MM藍(lán)牙模塊部分，通過駐極體傳聲器完成語音信號的輸入，藍(lán)牙模塊的音頻信號輸出則通過TDA2030A以驅(qū)動負(fù)載。系統(tǒng)總體電路設(shè)計框圖如圖1所示。

2．2 藍(lán)牙模塊接線設(shè)計
    BC03MM藍(lán)牙模塊接線部分主要涉及到三個部分：
    (1)語音信號的輸入部分。語音信號輸入由駐極體傳聲器和濾波處理電路完成，設(shè)置為單端輸入方式。
    (2)16位立體聲音頻解碼部分的SPK立體聲輸出。對于藍(lán)牙模塊的兩路立體聲輸出，選用TI公司的立體聲音頻功率放大芯片TPA6112進(jìn)行前置放大，增益可以自行設(shè)定。
    (3)與MCU的連接。
2．3 MCU控制和通信電路
    MCU控制和通信電路包括：串行數(shù)據(jù)通信電路、控制信號輸入和通信數(shù)據(jù)顯示三個部分。
    C8051F020內(nèi)置增強(qiáng)型串口UART0和數(shù)字交叉開關(guān)，通過配置交叉開關(guān)控制寄存器XBR0和XBR2，將UART0的TXD和RXD數(shù)字信號配置在端口I／O引腳。本文中UART0被配置在C8051F020的P0．0(TXD)和P0．1(RXD)，通過串接1 kΩ電阻與BC03MM模組的UART(RX和TX)連接，完成串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
    控制信號輸入部分主要由C8051F020 I／O端口P2控制矩陣式4×5鍵盤完成。使用矩陣式鍵盤，具有占用I／O資源少，程序編制簡單等特點(diǎn)。系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)HFP和A2DP功能，按鍵功能如圖2所示。SHIFT為功能切換按鍵，在HFP和A2DP之間進(jìn)行切換。按鍵0～3為多功能按鍵，在SHIFT鍵沒有按下時，表示撥打電話的數(shù)字按鍵0～3或者接聽來電、掛斷電話、拒接來電和重新?lián)芴柟δ?；在SHIFT鍵按下時，依次表示音樂暫停／開始、連接藍(lán)牙音樂、下一曲和上一曲功能。按鍵D，E，F(xiàn)和G為系統(tǒng)預(yù)留功能擴(kuò)展按鍵，按下無作用。

    顯示部分通過C8051F020的端口P3作為與LCD1602通信的8位數(shù)據(jù)線，主要完成通信數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的顯示。
2．4 音頻放大和系統(tǒng)供電
    采用CONTEK公司的音頻功率放大器TDA2030A，構(gòu)成OCL接法，最大輸出功率可達(dá)14 W。對于藍(lán)牙模塊輸出的音頻信號SPKR+和SPKL+分別進(jìn)入兩片TDA2030A進(jìn)行功率放大以驅(qū)動RL=4 Ω的喇叭。
    系統(tǒng)正常工作需要±12 V，+5 V和+3．3 V電壓供電。本文將市電220 V／50 Hz經(jīng)過2×12 V／40 W變壓器降壓變換后，經(jīng)過電橋整流和濾波后產(chǎn)生±12 V，直接供電給TDA2030A。整流濾波后的電壓經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓芯片，輸出穩(wěn)定+5 V給LCD1602供電，將LM7805輸出電壓再經(jīng)過ASM1117-3．3V供電給單片機(jī)系統(tǒng)和藍(lán)牙模塊，完成系統(tǒng)電源供給。

3 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件主要包括三大部分：藍(lán)牙協(xié)議棧的搭建、藍(lán)牙通信軟件設(shè)計和單片機(jī)控制部分軟件設(shè)計。
    軟件設(shè)計的主要目的是提供一個高效的命令，免去不同藍(lán)牙設(shè)備間不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)和復(fù)雜的藍(lán)牙功能。該軟件接口為串行接口，串行接口用于兩個處理器之間的通信，傳輸速率為19 200 b／s，8，N，1。
    藍(lán)牙技術(shù)是一個開放性系統(tǒng)(OSI)，其主要目的就是使符合該規(guī)范的各種設(shè)備能互通，這就要求本地設(shè)備和遠(yuǎn)端設(shè)備使用相同的協(xié)議，當(dāng)然不同的應(yīng)用，其使用的協(xié)議棧也可能不同，但是他們都必須使用藍(lán)牙技術(shù)協(xié)議規(guī)范中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。完整的藍(lán)牙協(xié)議棧主要涉及基帶協(xié)議(Basebaria)、連接管理協(xié)議(Link Manager Protocol，LMP)、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(Logmal LinkControl and Adaptation Protocol，L2CAP)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(Service Discovery Protocol，SDP)、電纜替代協(xié)議(RFCOMM)、電話控制協(xié)議(Telephony Control Pro-tocols，TCS)、點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議(PPP)、對象交換協(xié)議(OBEX)、無線應(yīng)用協(xié)議(WAP)、藍(lán)牙音頻傳輸模型協(xié)議(A2DP)等協(xié)議。本文主要涉及基帶協(xié)議(Baseband)，LMP，L2CAP，SDP，RFCOMM，TCS，PPP，A2DP等協(xié)議，如圖3所示。

    由于系統(tǒng)采用固化了電纜通信協(xié)議(RFCOMM)和其他底層協(xié)議棧的CSR BC03藍(lán)牙模塊，模塊只給出與單片機(jī)通信部分的簡單接口指令。當(dāng)模組收到由C8051F020控制單元送來的狀態(tài)詢問指令(空白+?)，模組會經(jīng)由TX腳將參數(shù)字符并加結(jié)束字符“0x0D0x0A”傳送到主機(jī)，該命令當(dāng)C8051F020控制單元經(jīng)由TXD設(shè)定指令給BC03模組，模組將同時被命令去執(zhí)行相應(yīng)的動作。指令有數(shù)個字符，第一個是為“空格”(ASCII=20H)，其余則為指令字符，同時BC03模組將有一個反饋?zhàn)址?00 ms內(nèi)經(jīng)過BC03MMUART送到控制單元，表示系統(tǒng)目前的執(zhí)行情況和藍(lán)牙系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。
    C8051F020單片機(jī)控制部分軟件主要完成以下幾個功能：對BC03藍(lán)牙模組指令控制，對LCD1602系統(tǒng)狀態(tài)顯示的指令控制和按鍵輸入指令的譯碼等功能。
    基于C8051F020單片機(jī)控制BC03MM藍(lán)牙模組系統(tǒng)控制流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語
    對基于C8051F020單片機(jī)和BC03MM藍(lán)牙模組構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)牙手機(jī)或者PC設(shè)備與BC03藍(lán)牙模組的互連，完成藍(lán)牙模組的HFP和A2DP功能，音頻最大輸出功率可以達(dá)到Po=14 W(RL=4 Ω)，可以直接驅(qū)動4 Ω或者8 Ω的音箱負(fù)載，并且人機(jī)界面友好，操作簡單、價格低廉、可移植性好，方便用于商業(yè)用途。