引 言

蓝牙技术是一项新兴的技术,其主要目的是在全世界建立一个短距离的无线通信标准。它使用2.4 GHz的ISM(Industry Scientific Medical)频段来传送话音和数据,运用成熟、实用,先进的无线技术来代替电缆。蓝牙技术提供了低成本、低功耗的无线接口,使所有固定和移动设备通过微微网PAN(Personal Area Network)连接起来。

本文介绍的蓝牙模块是由芬兰Bluegiga公司推出的蓝牙芯片WRAP THOR 2022-1。它是一款适合于短距离无线通信的射频/基带模块,其特点是集成度高,功耗小,完全兼容蓝牙协议Verslonl.1,可嵌人任何需要蓝牙功能的设备中。该芯片包括基带控制器、无线收发器、闪存等功能块,可提供高至RFCOMM(串口仿真协议)和VM(用户应用层)的软件协议。对用户的接口可以是HCI或ASCII接口(基本AT指令集命令层接口),应用此控制方式,用户可以方便地实现ACL与SCO链路的建立,以实现数据与语音传输。此外,该芯片还提供USB、UART和PCM接口,用于与主机通信;并且支持蓝牙语音和数据传输,输出功率满足蓝牙一级操作的要求(最远可达到100m)。

1 蓝牙模块内部结构及功能块介绍

WRAP THOR 2022-l包含5个功能块：射频补充控制单元部分、蓝牙核心芯片组、闪存、电源管理模块和时钟,其系统框图如图1所示。

1.1射频补充控制单元

根据用户的开发要求设置蓝牙射频发射功率等级,分别实现1级功率100 mW(20dbm),2级功率2.5 mW(4dbm),3级功率l mW(0 dbm)的不同发射功率要求。蓝牙射频补充控制单元将由天线收到的2.4 GHz高频信号经带通滤波器,低噪放大送入BlueCore02的射频单元,同时将由BlueCore2射频单元产生的2.4 GHz高频信号送入功放,经带通滤波器滤波后由外接天线发射出去。射频天线可根据用户的需求灵活选用,本方案采用内建隐藏方式的倒F型天线(利用PCB板材进行天线设计)。本蓝牙模块的RF引脚外接匹配阻抗为50Ω的天线。

1．2蓝牙核心芯片组

蓝牙核心芯片组Bluecore02采用的是英国CSR公司的第二代需外置固件存储器的单芯片(BlueCore02-ex-ternal),其内部结构框图如图2所示,主要包括无线收发器,基带与逻辑链路控制器及对外接口电路。

无线收发器是一个工作在2.4～2.4835 GHzISM频段的短距离微波频率射频收发器,使用GFSK调制,最大的发送或接收数据传输率为1 Mb/s。它能在可供使用的79个信道(2400～2483.5 MHz)之间快速地跳频(1600个信道/s),通道带宽是1 MHz,频率偏差在140～175 kHz之间,能满足蓝牙一级操作,最大输出功率是17 dbm,能进行可编程功率控制。安装天线之后,传输距离可达100m,符合ISM频段的FCC和ETSI标准。该收发器以Radio ASIC为基础,集成了环路滤波器、压控振荡器(VCO)、天线滤波器、收发控制器、发送器和接收器6个操作部件。

基带控制器包括：微处理器、存储器、接口电路、语音处理电路、电源管理与时钟电路等。微处理器是一个基于32位ARM的功能块,它完成射频信号处理,控制和协调各功能部件等功能。32 KB的片上RAM用于存储临时数据(保持蓝牙语音与数据的缓冲存储)。外部存储器驱动部分用于与外部Flash或ROM的连接与驱动。接口电路向外围设备及蓝牙主机提供各种通信接口,包括USB接口、SPI接口(同步串行接口用于与其他外设数字设备进行通信或作为外部Flash的编译和下载接口)、UART口和PCM口(用于与外接数字音频信号之间的匹配,可以直接接入PCM格式的音频数字信号)。

1．3闪存

闪存以二进制代码的格式存放蓝牙固件,可与基带控制器交换数据地址和控制信号。蓝牙固件包括射频和基带各层协议及接口应用程序。本蓝牙模块默认的软件协议栈为RFCOMM Stack,其协议栈框图如图3所示。

其中,蓝牙基带与链路控制器协议(LC)处理与高层协议数据的协议转换,将来自高层协议的数据进行信道编码,向下传给射频进行发送;接收数据时,射频将经过解调恢复空中数据并上传给基带,基带再对数据进行信道解码,向高层传输。

链路管理器实现了链路管理协议(LMP),负责处理底层链路控制。每个蓝牙设备都可以通过LMP与另一

个蓝牙设备的链路管理器进行点对点的通信。

逻辑链路控制与适配协议(L2CAP)为高层协议与底层协议之间不同长度PDU(协议数据单元)的传输建立一条桥梁,并且为较高的协议层屏蔽低层传输的特性。

串口仿真协议(RFCOMM)为串行电缆连接方式的替代提供接口环境。

基于这种方式的软件协议栈,将蓝牙协议栈高至RFCOMM层的软件协议都嵌入到主机控制器,从而大大减少主机一方软件开发的工作量。相对于传统基于HCI层的软件协议栈,该方式给蓝牙应用开发工程师带来了极大的便利条件。

微处理器和固件一起构成了整个蓝牙芯片的核心,称为蓝牙引擎。

1.4电源管理模块

该模块提供芯片所需电源。Vcc的典型值是3.3V。

1.5时钟

该模块内置16 MHz的时钟。时钟由一个晶体振荡器产生,保证定时精度在20×10-6之内。

2 芯片接口和主要引脚介绍

BLUEGIGA2022-1与主机或其他设备互联时,有三种接口方式。

2.1 USB接口

BLUEGIGA2022-l的USB接口符合USBl.1规范,双向端口USB_D+&USB_D-,数据传输可达12 Mbps。当使用USB接口与主机通信时,BLUEGIGA2022-l是一个USB从设备。与该接口有关的引脚有：

◆USB_D+(BI)& USB_D-(B2)用于数据传输;

◆USB_ON&GND用于与笔记本电脑互联,可用来控制笔记本电脑的状态,当主机处于掉电模式时,如果蓝牙设备收到建立连接的请求,USB_ON信号就会“唤醒”主机,主机可通过GND信号指示自己处于“挂起”模式。

2.2 UART接口

BLUEGIGA2022-l的UART接口符合工业标准16C450,支持以下波特率(单位为b/s)：1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、76800、l15200、230400、460800、921600和1382400。使用PSTOOL设置软件(通过SPl口与PC机相连)可改变UART接口的波特率。

2.3 PCM语音口

标准的PCM语音接口采样速率为8 kHz。语音编码方式可采用CVSD(连续可变斜率增量调制)、μ律(8位)或A律(8位)。考虑到编码的健壮性,应优先选择CVSD。

与PCM语音接口有关的引脚信号有：

◆PCM_SYNC设置PCM数据的采样速率;

◆PCM_CLK设置PCM数据的传输速率,该模式支持主控方式与从方式,在主方式条件下,蓝牙模块产生128 kHz、256 kHz和512 kHz三种时钟信号,可由PSTO01。进行设置;

◆PCM_0UT&PCM_IN接收或发送语音编码信号。

3 蓝牙车载免提系统简介

语音通信是蓝牙技术应用的一个重要方面。SIG为各种应用蓝牙技术的产品制定了相应的应用框架,其中,音频应用框架中的头戴式设备框架和免提应用框架是基于通用访问框架(GAP)中的串口应用框架(SPP)。

头戴式设备框架定义了执行耳机功能的蓝牙设备所使用的协议和过程,这类设备常见的有耳机、个人电脑和蜂窝电话。

免提应用框架定义了车载免提设备的实现要求,该设备可以和蓝牙手机通过语音控制实现拨打和接听电话功能。

下面介绍基于免提应用框架的蓝牙语音系统。

本套系统利用BLUEGIGA2022-l蓝牙模块,开发了一套蓝牙车载免提系统,它能使现有的各种不具备蓝牙功能的通信设备(手机或固定电话)或者支持蓝牙免提功能的手机与蓝牙免提耳麦之间进行无线语音传输,从而实现蓝牙技术向现有设备的后向兼容。

3.1免提应用框架

正在驾驶汽车时手机响r,此时又不能腾出手接电话,蓝牙免提应用框架(Hand Free Profile,HFP)提供了对这个问题的一种解决方案,您可以用语音控制车内的蓝牙免提设备来完成和蓝牙手机的通信。

免提应用框架(HFP)与电话控制二进制(TCS-Bi-nary)协议无关,只要通过在蓝牙串口仿真协议(RF-cOMM)层传输AT电话控制指令,就能够实现蓝牙免提设备的全部功能。

该系统由蓝牙适配器和蓝牙免提耳麦两部分构成。若用户的手机不具备蓝牙功能,则可将蓝牙适配器与现有的通信设备(手机)相连,实现蓝牙与手机之间的信号转换。由手机上的音频口将音频信号提取出来,并利用手机中主通信模块上的AT指令接口与蓝牙模块进行通信。蓝牙免提上有PTT按钮,用于接听和挂断来电。蓝牙适配器(或用户自带支持免提功能的蓝牙手机)和蓝牙免提彼此之间可建立蓝牙无线链路,用于传输语音、数据或控制信号。

系统工作流程如下：呼人(Incoming Call)即下行链路,指的是由蜂窝网发起的到音频网关的呼叫连接;呼出(Outgoing Call)即上行链路,指的是由音频网关发起的到蜂窝网的呼叫连接。

蓝牙适配器和免提单元既可以作为主方也可以作为从方,上电后双方都可以自如的发起语音链接,搜索周围的蓝牙设备。如果周围存在蓝牙设备,则主方会发起连接请求,与之建立蓝牙数据连接,当有来电或有电话拨出时,若从方决定接通通话,则由主方建立与从方之间的语音链路(SCO链路),并进入通话状态。

对于支持免提功能的蓝牙手机而言,其自身应具有录音存储功能(内置语音识别芯片)。使用该功能时,存储一段录音与一个号码相对应,在免提端进行VOlCE DAIL-UP时,只是传输一段语音,音频网关一端的语音识别芯片去匹配这段录音,经过学习和识别后找到对应预先设置的号码,再通过语音识别芯片的I／0口拨出去(与手动电话拨号类似)。从而实现用语音控制车内的蓝牙免提设备来完成和蓝牙手机的通信过程。

3.2硬件电路

蓝牙免提的硬件结构电路框图如图4所示,其主要分为以下几个部分。

①蓝牙模块。包括BLUEGIGA点对多点蓝牙芯片和倒F天线。芯片实现蓝牙通信的核心功能。

②F1ash模块。采用一个8 MB的闪存完成系统的初始化,蓝牙通信链路的建立和监测手机来电等功能。该模块采用并行方式扩展型号为MBM29LV800BA-90PBT的Flash存储器。

③控制按钮与信号灯用户接口电路。控制按钮包括挂接电话键,音量控制键等。

④回音与噪声消除电路。该电路采用0KI MSM7731-2芯片,既消除了由于用户端的麦克风与喇叭距离过近造成的回音问题,又可以降低在汽车行驶环境下由于路况和周围环境造成的干扰。

⑤音频功率放大器。该电路采用飞利浦TPAl519C芯片,该芯片为11W双信道B类音频功率放大器。用以驱动一个8 Ω/2w的喇叭。

⑥汽车音响与免提喇叭的切换电路。采用继电器进行硬件切换,由BlueCore2-External进行软件切换信号控制。

当用户的手机或固定电话不支持蓝牙功能时,提供了蓝牙适配器解决方案(即语音网关EAG),可在手机或话机开发公司的支持下实现与手机或话机接口的无缝连接。图5为蓝牙语音网关的系统结构框图。

3.3 软件设计

软件设计采用虚拟设备(VirtuaI Machine)软件协议栈,将高至应用层的协议软件全部固化进8 MB的Flash。BlueCore2-External中的32位RISC微处理器中运行了一个虚拟设备(Virtual Machine),它提供了应用程序的运行空间,而不影响低层的蓝牙通信协议栈。

结语

本套蓝牙语音系统的最大特点是实现了与现有通信设备的后向兼容。用户无需更换现有的不具蓝牙功能的通信设备,就可享受到无线通信带来的便捷。

本套蓝牙语音系统采用语音识别技术方便驾驶时呼出电话,让您在开车时无需手持电话,无需任何连线即可与亲朋好友尽情畅谈。由于是全免提通话,故能让您解放双手,专心驾车,既安全又不违规,同时还避免了手机的电磁辐射。由于采用了世界顶尖级的蓝牙技术,故无需任何连线,即使您的手机在包里或车内任何角落,只要按下免提器的接听钮,即可接听电话。经汽车公司装车试用后,该免提装置声音宏亮,与手持接听设备效果一致,受到广大消费者的一致好评。