基于32位MCU 的低成本藍(lán)牙音頻設(shè)計(jì)

　　藍(lán)牙和音頻應(yīng)用實(shí)際上就是互為對(duì)方而生。 藍(lán)牙市場(chǎng)成功的第一個(gè)十年幾乎完全得益于在音頻耳機(jī)中的集成藍(lán)牙技術(shù)。 當(dāng)智能手機(jī)走進(jìn)人們生活時(shí)，藍(lán)牙仍是一種自然選擇，幾乎在每一個(gè)部智能手機(jī)芯片中都能找到藍(lán)牙的蹤跡。 人們喜歡用智能手機(jī)傳輸音樂(lè)。

　　隨著藍(lán)牙和智能手機(jī)的不斷發(fā)展，應(yīng)用已經(jīng)有些跟不上速度了，盡管這在某種程度上有悖正常事物發(fā)展順序。 然而，隨著只能由一個(gè)藍(lán)牙主機(jī)設(shè)備到一個(gè)藍(lán)牙從設(shè)備單向通話時(shí)代的迅速完結(jié)，上述情況也在發(fā)生變化。

　　對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，這意味著多協(xié)議、多連接、多設(shè)備，以及一個(gè)嶄新而美妙的音頻應(yīng)用世界已如黎明破曉般來(lái)臨。 智能手機(jī)用戶希望有更多選擇，而藍(lán)牙技術(shù)已為此做好了準(zhǔn)備。

　　起點(diǎn)：A2DP

　　在十多年時(shí)間里，藍(lán)牙高級(jí)音頻分發(fā)規(guī)范 （A2DP） 讓各種各樣的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了很便利的無(wú)線立體聲功能。 不過(guò)，現(xiàn)在的客戶更希望用智能手機(jī)通過(guò)異于原有設(shè)想的方式來(lái)控制音頻娛樂(lè)。

　　當(dāng)與音視頻遙控規(guī)范 （AVRCP） 等其它規(guī)范結(jié)合使用時(shí)，可把智能手機(jī)當(dāng)做無(wú)線遙控器控制家中的其它藍(lán)牙音頻設(shè)備，不過(guò)應(yīng)用可能會(huì)變得十分復(fù)雜。

　　雖然旨在讓最終用戶擁有的幾乎是無(wú)縫應(yīng)用，但這些應(yīng)用卻在軟件開(kāi)發(fā)和認(rèn)證時(shí)給設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)諸多大挑戰(zhàn)，而且在一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，在要求互操作能力的配件上實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用時(shí)情況尤為嚴(yán)重。

　　設(shè)計(jì)人員有兩種架構(gòu)選擇。 在過(guò)去十年中，主流架構(gòu)要求藍(lán)牙模塊在硬件中執(zhí)行大多數(shù)功能——配對(duì)、連接和音頻傳輸。 也就是說(shuō)，藍(lán)牙模塊是一個(gè)音頻編解碼器，通過(guò)硬線連接方式執(zhí)行這些功能。 另一種架構(gòu)選擇則是在軟件中執(zhí)行幾乎全部功能；于是，32 位 MCU 在這種架構(gòu)中登場(chǎng)了。 在軟件中實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙堆棧就是將實(shí)際音頻轉(zhuǎn)換為架構(gòu)中非常薄的一層。 這樣，設(shè)計(jì)人員便能在任何地方、任何時(shí)間訪問(wèn)大量配置的數(shù)據(jù)流。

　　對(duì)于傳統(tǒng)藍(lán)牙模塊，同時(shí)執(zhí)行藍(lán)牙串行端口規(guī)范 （SPP） 和高級(jí)音頻分發(fā)規(guī)范 （A2DP） 是不可能的。 通過(guò)讓軟件訪問(wèn)藍(lán)牙協(xié)議堆棧，設(shè)計(jì)人員能創(chuàng)建這樣的應(yīng)用，即能保持多個(gè)設(shè)備與音頻流連接，在讓用戶聽(tīng)到聲音內(nèi)容的同時(shí)也可控制該音頻流以及通常與音頻無(wú)關(guān)的其它功能。 換句話說(shuō)，音頻流和控制數(shù)據(jù)流同時(shí)工作，但不會(huì)中斷其中任何一個(gè)。

　　把音頻和數(shù)據(jù)控制組合在一起

　　一個(gè)簡(jiǎn)單易懂的例子就是將臺(tái)燈和揚(yáng)聲器系統(tǒng)組合在一起，讓用戶在欣賞音樂(lè)的同時(shí)，用智能手機(jī)控制臺(tái)燈亮度。 該應(yīng)用經(jīng)過(guò)復(fù)雜的擴(kuò)展后，便可用智能手機(jī)控制照明系統(tǒng)——色彩、強(qiáng)度、隨音樂(lè)做出的各種變化，以及控制音頻流。 在該應(yīng)用中增加“智能家庭”概念擴(kuò)大了控制范圍，可控制自動(dòng)調(diào)溫器、車庫(kù)門開(kāi)啟器，以及其它支持藍(lán)牙的家用電器，而這些家電曾支持傳統(tǒng)音頻編解碼器。

　　藍(lán)牙控制在這些應(yīng)用中具有安全優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭蓪?duì)數(shù)據(jù)流經(jīng)進(jìn)行配置，使其獨(dú)立于物聯(lián)網(wǎng) （IoT）。 幾乎沒(méi)有人愿意把自己車庫(kù)門開(kāi)啟器的簡(jiǎn)單過(guò)程暴露在云端的操作不確定中，而這種情況卻最容易發(fā)生，如采用 WI-Fi 解決方案時(shí)。

　　在已有多個(gè)規(guī)范同時(shí)工作的應(yīng)用中組合音頻和數(shù)據(jù)控制功能，會(huì)更多地?cái)U(kuò)展新應(yīng)用。 在音頻娛樂(lè)領(lǐng)域，支持軟件的概念被稱作“打斷” （break-in），它允許多個(gè)手持設(shè)備控制同一個(gè)音頻流。 在聚會(huì)時(shí)，人們可以從同一個(gè)支持藍(lán)牙的音頻內(nèi)容庫(kù)中輪流挑選自己喜歡的音樂(lè)。 啟用自動(dòng)點(diǎn)唱 （juke-box） 模式后，最終用戶可在播放列表中添加自己喜愛(ài)的樂(lè)曲。 MCU 解決方案啟用了“打斷” 模式，允許多達(dá)七部智能手機(jī)采用不同的音頻傳輸和控制方式控制同一個(gè)音頻系統(tǒng)。

　　把音頻與控制融合

　　盡管 Bluetooth SIG 已制定并批準(zhǔn)了 30 多個(gè)規(guī)范，但在藍(lán)牙“音頻 + 控制”的全新應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展初期，最重要的大概是以下四個(gè)：

　　串行端口規(guī)范 （SPP）——RS-232 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)替代方案

　　高級(jí)音頻分發(fā)規(guī)范 （A2DP）——用于多媒體音頻傳輸?shù)淖畛Ｒ?jiàn)規(guī)范。 通過(guò) SBC 傳輸音頻內(nèi)容，并支持 MPEG 和 AAC 壓縮編解碼器。

　　音視頻遙控規(guī)范 （AVRCP）——用于電視、家庭影院等的標(biāo)準(zhǔn)化遙控規(guī)范，通常與 A2DP 配合使用。 最近獲批的特性是音頻同步，例如，當(dāng)手持設(shè)備上的音量改變時(shí)，受控于該手持設(shè)備的系統(tǒng)音量也作相應(yīng)調(diào)節(jié)。

　　免提規(guī)范 （HFP） — 遠(yuǎn)程通話

　　多個(gè)規(guī)范在軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中可以同時(shí)激活，這讓設(shè)計(jì)人員在創(chuàng)建新應(yīng)用時(shí)擁有極大的靈活性。 換言之，把數(shù)據(jù)流和音頻流集成在一起將會(huì)促成更高級(jí)的系統(tǒng)。

　　在設(shè)計(jì)階段，必須提供仿真、測(cè)試和認(rèn)證（應(yīng)牢記利用藍(lán)牙）所需的一切。 因此，一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)遠(yuǎn)不止音頻部分，還會(huì)集成用于控制顯示器、按鈕、LED、智能手機(jī)和音樂(lè)的各種功能。 此外，還應(yīng)包括用于音頻處理功能的 DSP 能力。 系統(tǒng)控制——當(dāng)然不僅是音樂(lè)本身，迫使我們不得不采用 32 位 MCU。

　　圖 1 所示為基本藍(lán)牙音頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道和主要元件，我們以此為起點(diǎn)詳細(xì)介紹創(chuàng)建此類功能的基本設(shè)計(jì)點(diǎn)。

　　從全新“音頻 + 控制”應(yīng)用組合的角度看該圖，發(fā)送設(shè)備 （source） 側(cè)為手機(jī)，正在傳輸可以進(jìn)行加密的編碼數(shù)據(jù)（音頻和控制）。 數(shù)據(jù)會(huì)最終找到進(jìn)入基帶層（藍(lán)牙無(wú)線電）的途徑。 數(shù)據(jù)流執(zhí)行接收設(shè)備 （sink） 側(cè)的協(xié)議堆棧，接收側(cè)設(shè)備可以是上文提到的任何設(shè)備/智能家電。

　　軟件解決方案同時(shí)包括多協(xié)議堆棧和一個(gè)可以在源代碼中修改的應(yīng)用層。 堆棧處理規(guī)范通信，能與各種各樣附加應(yīng)用元件進(jìn)行互動(dòng)，包括音頻解碼器、數(shù)字過(guò)濾、發(fā)送側(cè)速率轉(zhuǎn)換和控制特性。 有多個(gè)解碼器可用于支持藍(lán)牙 A2DP 音頻流的音頻，包括 SBC、AAC 和 MP3。 利用這種模塊化解決方案，設(shè)備制造商可按照特性、控制和存儲(chǔ)器成本區(qū)分各種潛在的解決方案。

　　圖 1：基本藍(lán)牙通信（感謝 Microchip Technology 提供此內(nèi)容）。

　　供應(yīng)商開(kāi)發(fā)套件

　　為通信鏈路的接收 （sink） 側(cè)系統(tǒng)創(chuàng)建開(kāi)發(fā)和入門套件是一項(xiàng)重要工作。 雖然兼容性和互操作性測(cè)試能讓設(shè)計(jì)人員更輕松地開(kāi)發(fā)應(yīng)用，但對(duì)于任何 MCU 供應(yīng)商來(lái)說(shuō)則是一個(gè)極為重要的問(wèn)題。

　　目前有多種移動(dòng) OS，包括安卓 （Android）、蘋果的 IOS、微軟的嵌入式 Windows 以及黑莓 （Blackberry） 系統(tǒng)，且每個(gè)系統(tǒng)都有眾多 OS 版本。 為確保一款切實(shí)可行的最終用戶產(chǎn)品，套件供應(yīng)商必須進(jìn)行數(shù)百次兼容性和互操作測(cè)試。 根據(jù)列出的問(wèn)題清單，設(shè)計(jì)人員在選擇套件時(shí)，必須可靠地保證其設(shè)計(jì)能通過(guò)這些測(cè)試且返工量最少或無(wú)需返工。

　　Microchip Technology便是該設(shè)計(jì)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)者之一。 該公司在藍(lán)牙音頻開(kāi)發(fā)套件中采用了其PIC32MX3和PIC32MX4器件。 圖 2 所示為基本硬件配置。

　　圖 2：Microchip 套件的基本硬件配置（感謝 Microchip Technology 提供此內(nèi)容）

　　我們具體看一下該公司的DV320032藍(lán)牙音頻開(kāi)發(fā)套件。 該套件由 100 MHz 中級(jí) 32 位 PIC 器件提供動(dòng)力，具有多達(dá) 100 個(gè) I/O 和 512 KB 閃存/128K RAM。 這一基本套件集成了可支持 Cambridge Silicon Radio 的 CSR8811 收發(fā)器的藍(lán)牙 HCI 子板（也可提供低成本模塊）。 此外，還包括一個(gè) DAC 子板，板上集成了一個(gè) 24 位 192 kHz DAC 和耳機(jī)輸出、USB 主機(jī)端口和設(shè)備接口、一個(gè) 2 英寸彩色 LCD 顯示屏以及按鈕控制功能。 為使開(kāi)發(fā)工作變得更輕松，該套件可驅(qū)動(dòng)許多不同的功能，如蘋果認(rèn)證適配器 （Apple Authentication Adapter） 選項(xiàng)、一個(gè)調(diào)試接口、一個(gè) SPI 閃存。

　　MCU 頂部有一個(gè)可編程接口模塊 （PIM），可讓開(kāi)發(fā)人員可選擇改換處理器，而不必?fù)?dān)心失去寶貴的設(shè)計(jì)時(shí)間。 將來(lái)，設(shè)計(jì)人員利用該模塊還能用更低成本或更高性能的器件靈活地更換標(biāo)準(zhǔn) MCU。

　　固件的可獲取性始終是套件開(kāi)發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 Microchip 提供如圖 3 所示固件。

　　圖 3：已面市的 Microchip 開(kāi)發(fā)套件固件（感謝 Microchip Technology 提供此內(nèi)容）。

　　Microchip 還把基于其 32 位旗艦 MCU 的更高端入門套件——200 MHzPIC32MZ2048ECH144推向市場(chǎng)。

　　DM320006 PIC32MZ

　　嵌入式連接入門套件也可與另一個(gè)系統(tǒng)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能。 多媒體擴(kuò)展板 2 （DM320005-2） 包括一個(gè)無(wú)控制器圖形驅(qū)動(dòng)、4.3 英寸的 WQVGA 顯示屏、多點(diǎn)觸控投射式電容觸控 （PCAP） 按鈕控制、VGA 攝像頭、Wi-Fi、藍(lán)牙 HCI 模塊、基于 AKM Semiconductor AK4953 的 24 位立體聲音頻編解碼器、3 軸加速計(jì)和一個(gè)溫度傳感器。 一種能與 Microchip MPLAB Harmony 軟件架構(gòu)配合工作的演示功能正被集成到該套件中，以支持藍(lán)牙數(shù)據(jù)和音頻應(yīng)用。

　　哪個(gè)解決方案合適？

　　不可否認(rèn)，藍(lán)牙“音頻 + 控制”應(yīng)用的尖端性和復(fù)雜性令開(kāi)發(fā)人員在如何開(kāi)始開(kāi)發(fā)方面感到些許困惑。 當(dāng)然，關(guān)鍵器件就是 MCU 本身。 如前所述，32 位 MCU 及其 32 位指令集是同時(shí)組合音頻和控制功能的理想選擇。 在首次選擇使用哪個(gè)套件時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以參考表 1。該表介紹了一些應(yīng)用及相應(yīng)的存儲(chǔ)器和 MIPS 要求。

　　表 1：應(yīng)用資源要求示例，包括應(yīng)用、藍(lán)牙堆棧、圖形顯示元件（感謝 Microchip Technology 提供此內(nèi)容）。

　　第一欄（描述）說(shuō)明所運(yùn)行的藍(lán)牙規(guī)范和其它應(yīng)用。

　　這些示例僅作演示之用，但組合在一起則說(shuō)明一點(diǎn)，就是對(duì)于從最簡(jiǎn)單（僅藍(lán)牙數(shù)據(jù)堆棧）到最苛刻的應(yīng)用（多規(guī)范和高品質(zhì) ACC 解碼器）來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)器和峰值 MIPS 會(huì)出現(xiàn)顯著變化。

　　結(jié)論

　　一個(gè)使用語(yǔ)音進(jìn)行數(shù)據(jù)控制的藍(lán)牙開(kāi)發(fā)新時(shí)代將孕育出許多全新的應(yīng)用，讓多個(gè)藍(lán)牙規(guī)范同時(shí)激活并擁有多點(diǎn)控制、多線連接成為現(xiàn)實(shí)。 這些應(yīng)用可能開(kāi)發(fā)難度大，尤其因?yàn)樗鼈儽仨毻ㄟ^(guò)藍(lán)牙交互操作和兼容性測(cè)試。 這些應(yīng)用中的許多也將會(huì)把 32 位 MCU 作為必要器件，但這不是為了滿足數(shù)據(jù)深度之需，而是為了獲得指令集資源。

　　雖然硅器件供應(yīng)商提供的開(kāi)發(fā)套件和固件能顯著減少設(shè)計(jì)工作，但始終沒(méi)有一個(gè)萬(wàn)能解決方案出現(xiàn)。 開(kāi)發(fā)人員因此必須認(rèn)真挑選適合自己應(yīng)用的正確解決方案，同時(shí)還應(yīng)考慮固件的可獲取性和硬件的性能。