藍牙無線耳機設(shè)計及VxWorks移植方法
關(guān)鍵詞 藍牙 耳機 I2S總線 VxWorks
藍牙耳機是一種無線語音傳輸技術(shù)，是基于耳機在無線技術(shù)方面的延伸。它是相配于藍牙技術(shù)而進入多媒體個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的。隨著藍牙技術(shù)的日趨完善和藍牙產(chǎn)品市場占有率逐漸提升，藍牙耳機在技術(shù)上也將不斷得到改進，使之成為個人多媒體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的主要配套產(chǎn)品。藍牙耳機的應(yīng)用范圍除了手機以外，PDA、無繩電話應(yīng)用、汽車免提工具、電話終端等，也是藍牙耳機發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域。本文設(shè)計的藍牙耳機支持藍牙規(guī)范1．2版本，傳輸距離達10 m，傳輸速率達723．2 kb／s，并且具有低功耗和(幾乎)無輻射等技術(shù)優(yōu)點和優(yōu)勢。
1 藍牙技術(shù)
藍牙作為一種低成本、短距離的無線連接技術(shù)標準，是由Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba五家公司共同倡導(dǎo)的一種全球無線技術(shù)標準，是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范。它以低成本的短距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定設(shè)備與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接。其實質(zhì)是建立通用的無線空中接口及其控制軟件的公開標準，實現(xiàn)設(shè)備問的電纜替代。
藍牙技術(shù)規(guī)范包括協(xié)議和應(yīng)用規(guī)范兩個部分。協(xié)議定義了各功能元素各自的工作方式，整個藍牙協(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)范則闡述了為了實現(xiàn)一個特定的應(yīng)用模型，各層協(xié)議間的運轉(zhuǎn)協(xié)同機制。較典型的應(yīng)用規(guī)范有撥號網(wǎng)絡(luò)、耳機(headset)、局域網(wǎng)訪問和文件傳輸?shù)?。藍牙耳機的協(xié)議棧原理如圖1所示。
2 硬件設(shè)計
硬件電路信號處理與控制部分采用Zeevo公司的基于ARM7的音頻處理器ZV4301。ZV4301處理器是在一個單芯片收發(fā)器上加入一個集成RF、數(shù)字信號處理、通信處理和運算及控制處理功能的48 MHz APM7微處理器，片外擴展閃存，以實現(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)計的單芯片立體聲音頻編解碼器，可以提供立即可用的先進音頻功能。這顆音頻編解碼器具有24位數(shù)據(jù)路徑、多重時鐘支持、DC偏移消除、支持多重數(shù)據(jù)格式以及數(shù)字靜音檢測等集成功能。本設(shè)計中，UDAl380利用與微控器接口作音控處理．并利用L3接口來控制音量。
3 I2S總線
本設(shè)計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(如控制信號)必須單獨傳輸。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：提供分時復(fù)用功能的數(shù)據(jù)線(SD)、字段選擇線(聲道選擇WS)、時鐘信號線(SCK)。
此設(shè)計中采用電源統(tǒng)一供電，ZV4301作為主設(shè)備，UDAl380作為從設(shè)備。ZV4301使用3個通用I／O口來模擬I2S總線。其讀寫I2S總線的數(shù)據(jù)主要包括以下幾個函數(shù)；
word_selection()； ／／字選擇函數(shù)
serial_clock()； ／／時鐘信號函數(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
VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(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，使之成為所有獨立于處理器實時系統(tǒng)中最具特色的操作系統(tǒng)。
在該設(shè)計中，軟件協(xié)議全部下載到藍牙設(shè)備內(nèi)核處理器的外置閃存中，操作通過人機接口控制?；赩xWorks的軟件編寫工作主要包括：BSP包的改動、程序的編寫和操作系統(tǒng)的裁減。由于VxWorks的高度靈活性，可以很容易地對這一操作系統(tǒng)進行定制或作適當(dāng)開發(fā)，來滿足系統(tǒng)的實際應(yīng)用需要。BSP包的改動指根據(jù)目標硬件實際配置修改系統(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。
(1)系統(tǒng)引導(dǎo)函數(shù)
VxWorks操作系統(tǒng)在一些板級系統(tǒng)初始化后自動執(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／／定義消息隊列1D結(jié)構(gòu)體類型
MSG_QUEUE_ID MsgQueueld； ／／定義全局消息隊列ID結(jié)構(gòu)體，用于存放每個消息隊列的ID
vInitlalizeL2caD()；／／L2CAP初始化，包括初始化全局變量、創(chuàng)建定時器、創(chuàng)建消息
／／隊列、創(chuàng)建并啟動任務(wù)
(3)LMP軟件設(shè)計
基帶程序運行在藍牙芯片的信號處理單元中，而LMP程序運行在藍牙芯片的微處理器中，它們通過郵箱來交換信息。只要任何一方向郵箱發(fā)送了信息，郵箱就會產(chǎn)生中斷信號，另外一方可以在中斷服務(wù)程序中進行信息讀取和處理。其處理函數(shù)為；
vLmpDealFromBB()
／／處理來自BaseBand層的消息以建立連接，對來自BaseBand層
／／的操作碼決定接受與否，并進行鑒權(quán)、加密、處理或斷開等操作
(4)L2CAP軟件的設(shè)計
tL2capDealMsgFromSdp()
／／處理來自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
tSdpDealMsgFromL2cap()
／／處理來自L2CAP的消息L2capToSdp，并上報搜索到的服務(wù)的屬性
tSdpDealMsgFromHA()
／／處理來自HeadsetApplieation的消息HAToSdp，對上報信息進行應(yīng)答
(6)RFOOMM軟件的設(shè)計
tRfDealMsgFromHA()
／／處理來自HeadsetApplication的消息HAToRf，生成RFCOMM數(shù)據(jù)包，傳送給L2CAP
tRfDealMsgFromL2cap()
／／處理來自L2CAP的消息L2capToRf，對不同的幀進行處理
(7)HeadsetApplication軟件的設(shè)計
tHADealMsgFronaSdp()
／／處理來自SDP的消息SdpToHA，判斷是否正常并處理
tHADeaIMsgFromRf()
／／處理來自RFCMM的消息RfToHA，對AT命令及其應(yīng)答作出處理
5 語音傳輸建立過程
藍牙耳機系統(tǒng)工作時總是藍牙語音網(wǎng)關(guān)(AG)和藍牙耳機(HS)成對出現(xiàn)的。其通信所用到的協(xié)議棧及實體如圖4所示。
藍牙設(shè)備連結(jié)的建立遵循底層到高層的原則，即搜索藍牙設(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程。(以AG主動發(fā)起連接請求為例。)
①AG首先發(fā)起查詢，通過查詢AG獲得HS的藍牙地址。
②AG在應(yīng)用層的驅(qū)動下向查詢到的HS發(fā)起一個page進程。當(dāng)接收到HS返回的應(yīng)答信號時，AG與HS之間的ACL鏈接已經(jīng)成功建立。
③一旦ACL鏈接建立，即可以被用來傳送振鈴信號。振鈴信號的發(fā)送是通過AT命令RING來完成的。
④ACL鏈接好后，接著建立L2CAP鏈路。AG首先在信令信道上發(fā)送一個鏈接請求信令L2CAP_req，要求建立信道標號為0x0040的L2CAP。當(dāng)HS返回鏈接響應(yīng)信號時，表明0x0040信道已經(jīng)建立好。然后對此信道進行配置，配置完信道后，就可以利用此CID(信道標識符)為0x0040的L2CAP信道進行SDP查詢。
⑤AG在L2CAP信道上發(fā)送一個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再建立一條標號為0x0041的l.2CAP鏈路，用來傳輸RFCOMM數(shù)據(jù)；同時，斷開用作SDP查詢的標號為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DM幀。其次建立數(shù)據(jù)信道，先是對數(shù)據(jù)傳送信道的參數(shù)進行協(xié)商，協(xié)商命令PN參數(shù)包括對將要建立的信道Channel 1的優(yōu)先級，最大幀長等，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)接收到對方的響應(yīng)后，就可以開始建立SCO鏈接。
⑧HCI(主機控制接口)發(fā)一個WRITE_VOICE_SETTING命令，對音頻狀態(tài)進行一些設(shè)置。當(dāng)接收到AG的建立SC0鏈接的請求時，若HS允許，發(fā)送一個接收的HCI命令，在命令完成之后，傳輸音頻信號的SC0鏈路就建立好了，此時就可以進行語音通信。
結(jié)語
本文給出了藍牙及藍牙耳機系統(tǒng)的基本概念及其在軟硬件方面的具體實現(xiàn)。藍牙耳機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準音頻取樣率44．1 kHz，并經(jīng)過先進的信號處理技術(shù)，能夠使聲音效果接近CD音質(zhì)，這樣也使藍牙耳機真正取代有線耳機成為可能。
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