藍牙無(wú)線(xiàn)耳機設計及VxWorks移植方法

　　1 藍牙技術(shù)

　　藍牙作為一種低成本、短距離的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)標準，是由Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba五家公司共同倡導的一種全球無(wú)線(xiàn)技術(shù)標準，是一種無(wú)線(xiàn)數據與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規范。它以低成本的短距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎，為固定設備與移動(dòng)設備通信環(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(xiàn)空中接口及其控制軟件的公開(kāi)標準，實(shí)現設備問(wèn)的電纜替代。

　　藍牙技術(shù)規范包括協(xié)議和應用規范兩個(gè)部分。協(xié)議定義了各功能元素各自的工作方式，整個(gè)藍牙協(xié)議體系結構分為4層，即核心協(xié)議層、線(xiàn)纜替代協(xié)議層、電話(huà)控制協(xié)議層和采納的其他協(xié)議層；應用規范則闡述了為了實(shí)現一個(gè)特定的應用模型，各層協(xié)議間的運轉協(xié)同機制。較典型的應用規范有撥號網(wǎng)絡(luò )、耳機(headset)、局域網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)和文件傳輸等。藍牙耳機的協(xié)議棧原理如圖1所示。

　　2 硬件設計

　　硬件電路信號處理與控制部分采用Zeevo公司的基于A(yíng)RM7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(shí)現需要技術(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(zhuān)為便攜式產(chǎn)品所設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(jìn)音頻功能。這顆音頻編解碼器具有24位數據路徑、多重時(shí)鐘支持、DC偏移消除、支持多重數據格式以及數字靜音檢測等集成功能。本設計中，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(xiàn)

　　本設計在硬件電路上使用基于I2S總線(xiàn)的音頻系統體系結構。I₂S(Inter-IC Sound bus)是飛利浦公司提出的串行數字音頻總線(xiàn)協(xié)議。

　　I₂S總線(xiàn)只處理聲音數據，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(xiàn)。這三根線(xiàn)分別是：提供分時(shí)復用功能的數據線(xiàn)(SD)、字段選擇線(xiàn)(聲道選擇WS)、時(shí)鐘信號線(xiàn)(SCK)。

　　此設計中采用電源統一供電，ZV4301作為主設備，UDAl380作為從設備。ZV4301使用3個(gè)通用I／O口來(lái)模擬I2S總線(xiàn)。其讀寫(xiě)I₂S總線(xiàn)的數據主要包括以下幾個(gè)函數；

　　word_selection()； ／／字選擇函數
serial_clock()； ／／時(shí)鐘信號函數
serial_data()； ／／ 串行數據函數
shift_register()； ／／寄存器移位函數

　　4 軟件設計

　　VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。良好的持續發(fā)展能力、支持多種硬件環(huán)境、高性能的內核以及友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，使之成為所有獨立于處理器實(shí)時(shí)系統中最具特色的操作系統。

　　在該設計中，軟件協(xié)議全部下載到藍牙設備內核處理器的外置閃存中，操作通過(guò)人機接口控制?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/VxWorks">VxWorks的軟件編寫(xiě)工作主要包括：BSP包的改動(dòng)、程序的編寫(xiě)和操作系統的裁減。由于VxWorks的高度靈活性，可以很容易地對這一操作系統進(jìn)行定制或作適當開(kāi)發(fā)，來(lái)滿(mǎn)足系統的實(shí)際應用需要。BSP包的改動(dòng)指根據目標硬件實(shí)際配置修改系統的配置參數宏(MAC-RO)，主要修改config．h、makefile．h、bspname．h文件。

    程序編寫(xiě)函數主要包括以下7個(gè)。

　　(1)系統引導函數

　　VxWorks操作系統在一些板級系統初始化后自動(dòng)執行tUsrRoot()函數，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)系統初始化函數(以L(fǎng)2CAP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結構體類(lèi)型
MSG_QUEUE_ID MsgQueueld； ／／定義全局消息隊列ID結構體，用于存放每個(gè)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(shí)器、創(chuàng )建消息
／／隊列、創(chuàng )建并啟動(dòng)任務(wù)

　　(3)LMP軟件設計

　　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(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，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。其處理函數為；

　　vLmpDealFromBB()
／／處理來(lái)自BaseBand層的消息以建立連接，對來(lái)自BaseBand層
／／的操作碼

　　(4)L2CAP軟件的設計

　　tL2capDealMsgFromSdp()
／／處理來(lái)自SDP層的消息SdpToL2eap，生成L2CAP數據包，把數據傳BaseBand層
tL2capDealMsgFromRf()
／／處理來(lái)自RFCOMM層的消息RfToL2cap，生成L2CAP數據包，把數據傳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用

　　(5)SDP軟件的設計

　　tSdpDealMsgFromL2cap()
／／處理來(lái)自L(fǎng)2CAP的消息L2capToSdp，并上報搜索到的服務(wù)的屬性
tSdpDealMsgFromHA()
／／處理來(lái)自HeadsetApplieation的消息HAToSdp，對上報信息進(jìn)行應答

　　(6)RFOOMM軟件的設計

　　tRfDealMsgFromHA()
／／處理來(lái)自HeadsetApplication的消息HAToRf，生成RFCOMM數據包，傳送給L2CAP
tRfDealMsgFromL2cap()
／／處理來(lái)自L(fǎng)2CAP的消息L2capToRf，對不同的幀進(jìn)行處理

　　(7)HeadsetApplication軟件的設計

　　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AT命令及其應答作出處理

　　5 語(yǔ)音傳輸建立過(guò)程

　　藍牙耳機系統工作時(shí)總是藍牙語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)(AG)和藍牙耳機(HS)成對出現的。其通信所用到的協(xié)議棧及實(shí)體如圖4所示。

 　　藍牙設備連結的建立遵循底層到高層的原則，即搜索藍牙設備、建立鏈路、服務(wù)搜索、建立信道、建立連接和數據傳輸。

　　以下是音頻連接建立的全過(guò)程。(以AG主動(dòng)發(fā)起連接請求為例。)

　?、貯G首先發(fā)起查詢(xún)，通過(guò)查詢(xún)AG獲得HS的藍牙地址。

　?、贏(yíng)G在應用層的驅動(dòng)下向查詢(xún)到的HS發(fā)起一個(gè)page進(jìn)程。當接收到HS返回的應答信號時(shí)，AG與HS之間的ACL鏈接已經(jīng)成功建立。

　?、垡坏〢CL鏈接建立，即可以被用來(lái)傳送振鈴信號。振鈴信號的發(fā)送是通過(guò)AT命令RING來(lái)完成的。

　?、蹵CL鏈接好后，接著(zhù)建立L2CAP鏈路。AG首先在信令信道上發(fā)送一個(gè)鏈接請求信令L2CAP_req，要求建立信道標號為0x0040的L2CAP。當HS返回鏈接響應信號時(shí)，表明0x0040信道已經(jīng)建立好。然后對此信道進(jìn)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(jìn)行SDP查詢(xún)。

　?、軦G在L2CAP信道上發(fā)送一個(gè)SDP查詢(xún)包。SDP查詢(xún)包將查詢(xún)SDP服務(wù)器端HS是否具有所需要的服務(wù)。若查詢(xún)成功，在A(yíng)CL鏈路上，AG再建立一條標號為0x0041的l.2CAP鏈路，用來(lái)傳輸RFCOMM數據；同時(shí)，斷開(kāi)用作SDP查詢(xún)的標號為0x0040的L2CAP鏈路。

?、蕻擟ID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。如果響應方HS不希望建立鏈接，返回一個(gè)DM幀。其次建立數據信道，先是對數據傳送信道的參數進(jìn)行協(xié)商，協(xié)商命令PN參數包括對將要建立的信道Channel 1的優(yōu)先級，最大幀長(cháng)等，當雙方協(xié)商好后建立傳輸數據的信道Channell。

　?、咄ㄟ^(guò)RFooMM信道傳輸HS控制層的AT命令，即在RFCOMM數據傳送信道Channe1上利用UIH幀傳送AT+CKPD命令。當接收到對方的響應后，就可以開(kāi)始建立SCO鏈接。

　?、郒CI(主機控制接口)發(fā)一個(gè)WRITE_VOICE_SETTING命令，對音頻狀態(tài)進(jìn)行一些設置。當接收到AG的建立SC0鏈接

　　結語(yǔ)

　　本文給出了藍牙及藍牙耳機系統的基本概念及其在軟硬件方面的具體實(shí)現。藍牙耳機使用戶(hù)擺脫線(xiàn)纜的束縛，能夠在較大的自由空間內通話(huà)。由于采用專(zhuān)用的聲音編解碼芯片和標準音頻取樣率44．1 kHz，并經(jīng)過(guò)先進(jìn)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(xiàn)耳機成為可能。