藍牙單芯片在車載信息娛樂設備中的設計應用

本文首先簡要介紹設備硬件結構，然后從設備軟件結構、BC5軟件開發(fā)方式、內(nèi)存和DSP的開發(fā)上詳細講一下開發(fā)中遇到的問題及解決方法。

藍牙單芯片領頭芯片廠商CSR的Bluecore是目前普遍應用的藍牙單芯片系列，在藍牙耳機、藍牙手機和免提裝置等設備中應用廣泛，也是很多藍牙工程師的首選。筆者采用Bluecore5-MM（以下簡稱BC5）和Freescale的Coldfire架構的32位處理器MCF5251，開發(fā)了一款整合USB音樂播放、iPOD控制、藍牙免提和流媒體音樂播放等功能的車載信息娛樂設備。

硬件結構
圖1為車載娛樂設備的硬件結構圖，包括電源管理、音頻輸入輸出及音源管理、處理器及其外圍電路、USB接口及其供電保護、CAN接口等幾個部分。

圖1? 車載娛樂設備硬件結構圖

如圖1所示，系統(tǒng)采用BC5-MM+32位外部嵌入式處理器的雙處理器結構設計，藍牙部分用BC5-MM實現(xiàn)。下面，首先介紹該芯片的關鍵特性，然后介紹其RF子系統(tǒng)的電路設計。其芯片特性如下：
(1)以單芯片的形式集成了藍牙系統(tǒng)的射頻和基帶控制、RISC結構的16位MCU和性能高達64MIPS的Kalimba DSP。其中，MCU部分實現(xiàn)藍牙協(xié)議棧和應用軟件，DSP用于實現(xiàn)音頻和語音處理以及流媒體音樂文件的編解碼。

(2)具有獨立的音頻輸入輸出系統(tǒng)。

(3)無線發(fā)射功率達+8dBm，接受靈敏度-90dBm，無須外部放大器，只需印刷電路板天線便可滿足藍牙射頻規(guī)范Class 2的要求，通信距離可達10m。

(4)具有USB、I2C、SPI、UART等多種接口，可以外接外部主控制器以實現(xiàn)復雜應用。其中，BC5-MM和主處理器通過UART進行通信，SPI接口用于BC5-MM程序的調試、下載以及關鍵PSKEY屬性的設置。

藍牙RF子系統(tǒng)設計如圖2所示。由于BC5-MM內(nèi)部集成了藍牙射頻和基帶控制，所以只需外接濾波器和PCB天線便能實現(xiàn)RF子系統(tǒng)設計。濾波器選用插入損耗低、衰減特性高的藍牙平衡濾波器DBF81F04，保證了藍牙通信的可靠性；PCB天線采取F型天線，反饋點位置需要根據(jù)藍牙2.4GHz的頻率中心點確定。另外，在音頻輸入輸出系統(tǒng)設計中需要注意的是音頻輸入有最大電壓的要求，所以在外圍麥克風輸入電路設計時要注意選擇電路放大參數(shù)以控制輸入電壓。

圖2? RF子系統(tǒng)電路圖

軟件開發(fā)
圖3所示為雙處理器結構的車載信息娛樂設備的軟件結構圖。MCF5251端的軟件設計不再贅述，BC5軟件包括固件、操作系統(tǒng)、剖面和應用程序四個部分。固件的功能是和硬件連接，提供底層驅動的實現(xiàn)，包括藍牙底層協(xié)議棧及片上各種外設，如IO、UART、Timer、ADC等的接口；操作系統(tǒng)Virtual Machine（VM）完成內(nèi)存管理、任務調度和消息處理功能；剖面的功能是定義某類型設備應該包含的功能及其標準實現(xiàn)方式，保證設備間的互操作性。應用程序是在剖面和VM提供的一系列API上進行開發(fā)的，定義了任務和相應的消息，在VM的控制下采用消息隊列機制異步發(fā)送消息進行通信，軟件開發(fā)環(huán)境為Roadtunes-SDK。該SDK提供了完整的藍牙協(xié)議棧和各種剖面的源代碼，并提供了車載應用的軟件解決方案。下面講述下連接管理及內(nèi)存問題和DSP開發(fā)中的關鍵技術。

圖3 車載設備軟件結構圖

連接管理
筆者設計的車載信息娛樂設備需要實現(xiàn)免提通話、電話簿下載、流媒體音樂播放和音樂遠程控制應用，每一種應用都是在相應的連接的基礎上以相應剖面約定的方式進行的。其中，免提對應HFP剖面，電話簿下載對應PBAP，流媒體音樂播放對應A2DP，音樂遠程控制對應AVRCP，合理管理這些連接至關重要。首先，對連接進行分類，HFP和A2DP為主要連接，PBAP是HFP的附屬連接，AVRCP是A2DP的附屬連接。當手機和設備建立了免提連接后，設備主動與手機建立PBAP連接，下載電話簿并通過UART送到主處理器去解析，當手機和設備建立了流媒體連接后，設備主動與手機建立AVRCP連接以實現(xiàn)流媒體音樂的遠程控制。

系統(tǒng)在邏輯上是完全合理的，但發(fā)現(xiàn)此時死機的可能性很大。經(jīng)分析，每一種連接建立后設備雙方需要交互鏈路監(jiān)控超時時間、低功耗設置、LMP版本信息、支持特性等其他信息，短時間內(nèi)需要消耗相當大的內(nèi)存，而PBAP電話簿下載和UART的傳輸也消耗相當大的內(nèi)存，這樣便造成BC5無法為相應的藍牙消息分配內(nèi)存。因為藍牙設備的各種行為都有相應的消息序列和次序，一旦將中間某個環(huán)節(jié)丟掉，那么后續(xù)的行為也是不可控的，繼續(xù)運行會造成程序的紊亂，這時復位是必需的選擇。

BC5的MCU內(nèi)存為48KB，被當前各個為其語音或數(shù)據(jù)分配的環(huán)形緩沖區(qū)和協(xié)議棧特定操作、剖面和應用程序所共享。因此，需要在軟件開發(fā)上精心設計，并犧牲一定的速度性能才能保證程序不會因為內(nèi)存不夠而運行失敗。

設計合理的連接管理方案如下：在A2DP連接完成5s后發(fā)起建立AVRCP連接，在HFP連接完成10s后發(fā)起建立PBAP連接，并保證不存在兩個正在進行中的連接，即如果AVRCP連接還沒有建立完成，當PBAP的建立時間到達時再推遲10s發(fā)起PBAP的連接，而且在剛建立PBAP連接時不馬上進行電話簿下載這樣需要大量內(nèi)存的操作，這樣便解決了該問題。

DSP的開發(fā)
BC5內(nèi)置性能高達64MIPS的DSP，可以軟件的方式完成兩大功能即回聲消除和流媒體音樂文件的解碼。CSR為BC5的DSP提供了用于回聲消除和噪聲抑制的CVC，并提供了SBC和MP3的編解碼實現(xiàn)，這些都為車載信息娛樂設備免提通話和流媒體音樂播放功能的實現(xiàn)提供了極大的便利。同時，筆者所設計的車載信息娛樂設備需要有對音頻系統(tǒng)的自診斷功能，要求產(chǎn)生標準1kHz聲音信號并對麥克風進行檢測，這部分功能在BC5的DSP上實現(xiàn)。下面首先簡要介紹DSP的特點及開發(fā)方式，然后介紹自診斷功能中麥克風檢測的實現(xiàn)。

CSR為其DSP定義了Kalimba的類匯編開發(fā)語言，并提供了很多有用的算子，可以被開發(fā)者直接調用編程以實現(xiàn)自定義功能。DSP跟外設的接口只有PIO，它無法直接和UART、USB、CODEC或藍牙數(shù)據(jù)鏈路接口，需要跟MCU一起完成具體應用。MCU和DSP之間基于中斷以消息的方式進行交互，消息數(shù)據(jù)采用DSP和MCU的共享內(nèi)存收發(fā)，MCU和DSP都有發(fā)送接收消息的相應機制。

麥克風檢測需要對所產(chǎn)生的聲音信號采樣并運算處理。首先，MCU設置好麥克風ADC的采樣率和增益，同時設置好ADC數(shù)據(jù)流與DSP輸入端口的連接，DSP對輸入的ADC數(shù)據(jù)進行FFT運算，然后將運算結果以long message的方式發(fā)送給MCU，在MCU中做后續(xù)處理。MCU的設置代碼如下所示：
/*VM_PCM_INTERNAL_A means left adc and left dac*/
PcmRateAndRoute(0,PCM_NO_SYNC,8000,8000,VM_PCM_INTERNAL_A);
/* Set the gains on the codec */
CodecSetInputGainA(13);?
/* plug Left ADC into port 0 */
StreamConnect(StreamPcmSource(0),StreamKalimbaSink(0));
StreamKalimbaSink(0)即為DSP的輸入端口，它是一個先進先出的環(huán)形緩沖區(qū)，Kaimba提供了對它進行操作的算子，包括讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、查詢剩余空間和當前有效數(shù)據(jù)空間。對它進行操作前需要查詢剩余空間和查詢當前有效數(shù)據(jù)空間，這樣才能保證所取的輸入數(shù)據(jù)在時域上的連續(xù)性，操作后要更新讀寫指針，這樣才能保證其后續(xù)操作的正確性。

FFT運算的輸入實部即為麥克風采樣數(shù)據(jù)，虛部為零，是占位運算，即運算結果的輸出占用的是輸入數(shù)據(jù)的地址空間。根據(jù)FFT原理，輸入順序時，輸出逆序，輸入逆序時輸出順序，這個逆序算法取決于FFT運算的點數(shù)，在這里選擇128點運算。根據(jù)傅里葉變換原理，頻率分辨率取決于運算點數(shù)和ADC的采樣速率，計算公式如下：
Δf=fs/N=8000/128=62.5Hz

其逆序序列為0 64 32 96 16 80 48 112 8 72 40 104 24 88 56 120 4...
為了保證運算正確，需要進行多次運算，首先設置一定時器實時刷新FFT輸入的實部數(shù)據(jù)，其次在每次FFT運算之前將虛部全部清零，將沒有得到賦值的實部數(shù)據(jù)全部清零。定時器周期根據(jù)ADC的采樣速率和運算點數(shù)決定，由于對FFT輸入數(shù)據(jù)的補零操作不會影響運算結果和頻率分辨率，所以在這里設定定時器周期為14ms，這樣輸入數(shù)據(jù)不會溢出。

運算完成后需要對實部和虛部進行求模運算，按照以上的逆序輸出，判斷峰值是不是出現(xiàn)在1kHz處即第56個點，是則麥克風工作正常，否則工作不正常。

結語
筆者采用BC5和MCF5251設計實現(xiàn)了車載信息娛樂設備，該設備運行穩(wěn)定可靠，具有很高的實用價值。本文論述了BC5的應用開發(fā)經(jīng)驗和關鍵技術，有助于采用BC5進行開發(fā)的藍牙工程師同仁加深對其設計開發(fā)的理解。