摘要  語音通信是藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用的一個重要方面，與音頻傳輸應(yīng)用相關(guān)的應(yīng)用框架是藍(lán)牙免提應(yīng)用框架。當(dāng)用戶無法騰出手去接聽電話時，就可以利用藍(lán)牙的電話免提功能，進(jìn)行無線免提語音控制撥打與接聽電話，并遙控音量的大小。它是基于藍(lán)牙串口應(yīng)用框架的，通過串口仿真協(xié)議層來傳遞AT電話控制指令。本文首先介紹芬蘭B1uegiga公司推出的藍(lán)牙模塊WRAP THOR 2022-1的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后給出一種嵌入式藍(lán)牙車載免提電話系統(tǒng)的實現(xiàn)實例，包括系統(tǒng)硬件和協(xié)議棧軟件的實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞 藍(lán)牙模塊 WRAP THOR 2022-1 免提應(yīng)用框架 車載電話

引 言
    藍(lán)牙技術(shù)是一項新興的技術(shù)，其主要目的是在全世界建立一個短距離的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。它使用2.4 GHz的ISM(Industry Scientific Medical)頻段來傳送話音和數(shù)據(jù)，運用成熟、實用，先進(jìn)的無線技術(shù)來代替電纜。藍(lán)牙技術(shù)提供了低成本、低功耗的無線接口，使所有固定和移動設(shè)備通過微微網(wǎng)PAN(Personal Area Network)連接起來。

    本文介紹的藍(lán)牙模塊是由芬蘭Bluegiga公司推出的藍(lán)牙芯片WRAP THOR 2022-1。它是一款適合于短距離無線通信的射頻/基帶模塊，其特點是集成度高，功耗小，完全兼容藍(lán)牙協(xié)議Verslonl.1，可嵌人任何需要藍(lán)牙功能的設(shè)備中。該芯片包括基帶控制器、無線收發(fā)器、閃存等功能塊，可提供高至RFCOMM(串口仿真協(xié)議)和VM(用戶應(yīng)用層)的軟件協(xié)議。對用戶的接口可以是HCI或ASCII接口(基本AT指令集命令層接口)，應(yīng)用此控制方式，用戶可以方便地實現(xiàn)ACL與SCO鏈路的建立，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)與語音傳輸。此外，該芯片還提供USB、UART和PCM接口，用于與主機通信；并且支持藍(lán)牙語音和數(shù)據(jù)傳輸,輸出功率滿足藍(lán)牙一級操作的要求(最遠(yuǎn)可達(dá)到100m)。

1 藍(lán)牙模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能塊介紹
    WRAP THOR 2022-l包含5個功能塊：射頻補充控制單元部分、藍(lán)牙核心芯片組、閃存、電源管理模塊和時鐘，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1射頻補充控制單元
    根據(jù)用戶的開發(fā)要求設(shè)置藍(lán)牙射頻發(fā)射功率等級，分別實現(xiàn)1級功率100 mW(20dbm)，2級功率2.5 mW(4dbm)，3級功率l mW(0 dbm)的不同發(fā)射功率要求。藍(lán)牙射頻補充控制單元將由天線收到的2.4 GHz高頻信號經(jīng)帶通濾波器，低噪放大送入BlueCore02的射頻單元，同時將由BlueCore2射頻單元產(chǎn)生的2.4 GHz高頻信號送入功放，經(jīng)帶通濾波器濾波后由外接天線發(fā)射出去。射頻天線可根據(jù)用戶的需求靈活選用，本方案采用內(nèi)建隱藏方式的倒F型天線(利用PCB板材進(jìn)行天線設(shè)計)。本藍(lán)牙模塊的RF引腳外接匹配阻抗為50Ω的天線。

1．2藍(lán)牙核心芯片組
    藍(lán)牙核心芯片組Bluecore02采用的是英國CSR公司的第二代需外置固件存儲器的單芯片(BlueCore02-ex-ternal)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要包括無線收發(fā)器，基帶與邏輯鏈路控制器及對外接口電路。

    無線收發(fā)器是一個工作在2.4～2.4835 GHzISM頻段的短距離微波頻率射頻收發(fā)器，使用GFSK調(diào)制，最大的發(fā)送或接收數(shù)據(jù)傳輸率為1 Mb/s。它能在可供使用的79個信道(2400～2483.5 MHz)之間快速地跳頻(1600個信道/s)，通道帶寬是1 MHz，頻率偏差在140～175 kHz之間，能滿足藍(lán)牙一級操作，最大輸出功率是17 dbm，能進(jìn)行可編程功率控制。安裝天線之后，傳輸距離可達(dá)100m，符合ISM頻段的FCC和ETSI標(biāo)準(zhǔn)。該收發(fā)器以Radio ASIC為基礎(chǔ)，集成了環(huán)路濾波器、壓控振蕩器(VCO)、天線濾波器、收發(fā)控制器、發(fā)送器和接收器6個操作部件。

    基帶控制器包括：微處理器、存儲器、接口電路、語音處理電路、電源管理與時鐘電路等。微處理器是一個基于32位ARM的功能塊，它完成射頻信號處理，控制和協(xié)調(diào)各功能部件等功能。32 KB的片上RAM用于存儲臨時數(shù)據(jù)(保持藍(lán)牙語音與數(shù)據(jù)的緩沖存儲)。外部存儲器驅(qū)動部分用于與外部Flash或ROM的連接與驅(qū)動。接口電路向外圍設(shè)備及藍(lán)牙主機提供各種通信接口，包括USB接口、SPI接口(同步串行接口用于與其他外設(shè)數(shù)字設(shè)備進(jìn)行通信或作為外部Flash的編譯和下載接口)、UART口和PCM口(用于與外接數(shù)字音頻信號之間的匹配，可以直接接入PCM格式的音頻數(shù)字信號)。

1．3閃存
    閃存以二進(jìn)制代碼的格式存放藍(lán)牙固件，可與基帶控制器交換數(shù)據(jù)地址和控制信號。藍(lán)牙固件包括射頻和基帶各層協(xié)議及接口應(yīng)用程序。本藍(lán)牙模塊默認(rèn)的軟件協(xié)議棧為RFCOMM Stack，其協(xié)議?？驁D如圖3所示。

    其中，藍(lán)牙基帶與鏈路控制器協(xié)議(LC)處理與高層協(xié)議數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將來自高層協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，向下傳給射頻進(jìn)行發(fā)送；接收數(shù)據(jù)時，射頻將經(jīng)過解調(diào)恢復(fù)空中數(shù)據(jù)并上傳給基帶，基帶再對數(shù)據(jù)進(jìn)行信道解碼，向高層傳輸。

    鏈路管理器實現(xiàn)了鏈路管理協(xié)議(LMP)，負(fù)責(zé)處理底層鏈路控制。每個藍(lán)牙設(shè)備都可以通過LMP與另一
個藍(lán)牙設(shè)備的鏈路管理器進(jìn)行點對點的通信。

    邏輯鏈路控制與適配協(xié)議(L2CAP)為高層協(xié)議與底層協(xié)議之間不同長度PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)的傳輸建立一條橋梁，并且為較高的協(xié)議層屏蔽低層傳輸?shù)奶匦浴?BR>
    串口仿真協(xié)議(RFCOMM)為串行電纜連接方式的替代提供接口環(huán)境。

    基于這種方式的軟件協(xié)議棧，將藍(lán)牙協(xié)議棧高至RFCOMM層的軟件協(xié)議都嵌入到主機控制器，從而大大減少主機一方軟件開發(fā)的工作量。相對于傳統(tǒng)基于HCI層的軟件協(xié)議棧，該方式給藍(lán)牙應(yīng)用開發(fā)工程師帶來了極大的便利條件。

    微處理器和固件一起構(gòu)成了整個藍(lán)牙芯片的核心，稱為藍(lán)牙引擎。

1.4電源管理模塊
    該模塊提供芯片所需電源。Vcc的典型值是3.3V。

1.5時鐘
    該模塊內(nèi)置16 MHz的時鐘。時鐘由一個晶體振蕩器產(chǎn)生，保證定時精度在20×10-6之內(nèi)。

2 芯片接口和主要引腳介紹
    BLUEGIGA2022-1與主機或其他設(shè)備互聯(lián)時，有三種接口方式。

2.1 USB接口
    BLUEGIGA2022-l的USB接口符合USBl.1規(guī)范，雙向端口USB_D+&USB_D-，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)12 Mbps。當(dāng)使用USB接口與主機通信時，BLUEGIGA2022-l是一個USB從設(shè)備。與該接口有關(guān)的引腳有：
    ◆USB_D+(BI)& USB_D-(B2)用于數(shù)據(jù)傳輸；
    ◆USB_ON&GND用于與筆記本電腦互聯(lián)，可用來控制筆記本電腦的狀態(tài)，當(dāng)主機處于掉電模式時，如果藍(lán)牙設(shè)備收到建立連接的請求，USB_ON信號就會“喚醒”主機，主機可通過GND信號指示自己處于“掛起”模式。

2.2 UART接口
    BLUEGIGA2022-l的UART接口符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)16C450，支持以下波特率(單位為b/s)：1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、76800、l15200、230400、460800、921600和1382400。使用PSTOOL設(shè)置軟件(通過SPl口與PC機相連)可改變UART接口的波特率。

2.3 PCM語音口
    標(biāo)準(zhǔn)的PCM語音接口采樣速率為8 kHz。語音編碼方式可采用CVSD(連續(xù)可變斜率增量調(diào)制)、μ律(8位)或A律(8位)。考慮到編碼的健壯性，應(yīng)優(yōu)先選擇CVSD。

    與PCM語音接口有關(guān)的引腳信號有：
    ◆PCM_SYNC設(shè)置PCM數(shù)據(jù)的采樣速率；
    ◆PCM_CLK設(shè)置PCM數(shù)據(jù)的傳輸速率，該模式支持主控方式與從方式，在主方式條件下，藍(lán)牙模塊產(chǎn)生128 kHz、256 kHz和512 kHz三種時鐘信號，可由PSTO01。進(jìn)行設(shè)置；
    ◆PCM_0UT&PCM_IN接收或發(fā)送語音編碼信號。

3 藍(lán)牙車載免提系統(tǒng)簡介
    語音通信是藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用的一個重要方面。SIG為各種應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)品制定了相應(yīng)的應(yīng)用框架，其中，音頻應(yīng)用框架中的頭戴式設(shè)備框架和免提應(yīng)用框架是基于通用訪問框架(GAP)中的串口應(yīng)用框架(SPP)。

    頭戴式設(shè)備框架定義了執(zhí)行耳機功能的藍(lán)牙設(shè)備所使用的協(xié)議和過程，這類設(shè)備常見的有耳機、個人電腦和蜂窩電話。

    免提應(yīng)用框架定義了車載免提設(shè)備的實現(xiàn)要求，該設(shè)備可以和藍(lán)牙手機通過語音控制實現(xiàn)撥打和接聽電話功能。

    下面介紹基于免提應(yīng)用框架的藍(lán)牙語音系統(tǒng)。

    本套系統(tǒng)利用BLUEGIGA2022-l藍(lán)牙模塊，開發(fā)了一套藍(lán)牙車載免提系統(tǒng)，它能使現(xiàn)有的各種不具備藍(lán)牙功能的通信設(shè)備(手機或固定電話)或者支持藍(lán)牙免提功能的手機與藍(lán)牙免提耳麥之間進(jìn)行無線語音傳輸，從而實現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)向現(xiàn)有設(shè)備的后向兼容。

3.1免提應(yīng)用框架
    正在駕駛汽車時手機響r，此時又不能騰出手接電話，藍(lán)牙免提應(yīng)用框架(Hand Free Profile，HFP)提供了對這個問題的一種解決方案，您可以用語音控制車內(nèi)的藍(lán)牙免提設(shè)備來完成和藍(lán)牙手機的通信。

    免提應(yīng)用框架(HFP)與電話控制二進(jìn)制(TCS-Bi-nary)協(xié)議無關(guān)，只要通過在藍(lán)牙串口仿真協(xié)議(RF-cOMM)層傳輸AT電話控制指令，就能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)牙免提設(shè)備的全部功能。

    該系統(tǒng)由藍(lán)牙適配器和藍(lán)牙免提耳麥兩部分構(gòu)成。若用戶的手機不具備藍(lán)牙功能，則可將藍(lán)牙適配器與現(xiàn)有的通信設(shè)備(手機)相連，實現(xiàn)藍(lán)牙與手機之間的信號轉(zhuǎn)換。由手機上的音頻口將音頻信號提取出來，并利用手機中主通信模塊上的AT指令接口與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信。藍(lán)牙免提上有PTT按鈕，用于接聽和掛斷來電。藍(lán)牙適配器(或用戶自帶支持免提功能的藍(lán)牙手機)和藍(lán)牙免提彼此之間可建立藍(lán)牙無線鏈路，用于傳輸語音、數(shù)據(jù)或控制信號。

    系統(tǒng)工作流程如下：呼人(Incoming Call)即下行鏈路，指的是由蜂窩網(wǎng)發(fā)起的到音頻網(wǎng)關(guān)的呼叫連接；呼出(Outgoing Call)即上行鏈路，指的是由音頻網(wǎng)關(guān)發(fā)起的到蜂窩網(wǎng)的呼叫連接。

    藍(lán)牙適配器和免提單元既可以作為主方也可以作為從方，上電后雙方都可以自如的發(fā)起語音鏈接，搜索周圍的藍(lán)牙設(shè)備。如果周圍存在藍(lán)牙設(shè)備，則主方會發(fā)起連接請求，與之建立藍(lán)牙數(shù)據(jù)連接，當(dāng)有來電或有電話撥出時，若從方?jīng)Q定接通通話，則由主方建立與從方之間的語音鏈路(SCO鏈路)，并進(jìn)入通話狀態(tài)。

    對于支持免提功能的藍(lán)牙手機而言，其自身應(yīng)具有錄音存儲功能(內(nèi)置語音識別芯片)。使用該功能時，存儲一段錄音與一個號碼相對應(yīng)，在免提端進(jìn)行VOlCE DAIL-UP時,只是傳輸一段語音，音頻網(wǎng)關(guān)一端的語音識別芯片去匹配這段錄音，經(jīng)過學(xué)習(xí)和識別后找到對應(yīng)預(yù)先設(shè)置的號碼，再通過語音識別芯片的I／0口撥出去(與手動電話撥號類似)。從而實現(xiàn)用語音控制車內(nèi)的藍(lán)牙免提設(shè)備來完成和藍(lán)牙手機的通信過程。

3.2硬件電路
    藍(lán)牙免提的硬件結(jié)構(gòu)電路框圖如圖4所示，其主要分為以下幾個部分。
    ①藍(lán)牙模塊。包括BLUEGIGA點對多點藍(lán)牙芯片和倒F天線。芯片實現(xiàn)藍(lán)牙通信的核心功能。
    ②F1ash模塊。采用一個8 MB的閃存完成系統(tǒng)的初始化，藍(lán)牙通信鏈路的建立和監(jiān)測手機來電等功能。該模塊采用并行方式擴展型號為MBM29LV800BA-90PBT的Flash存儲器。
    ③控制按鈕與信號燈用戶接口電路?？刂瓢粹o包括掛接電話鍵，音量控制鍵等。
    ④回音與噪聲消除電路。該電路采用0KI MSM7731-2芯片，既消除了由于用戶端的麥克風(fēng)與喇叭距離過近造成的回音問題，又可以降低在汽車行駛環(huán)境下由于路況和周圍環(huán)境造成的干擾。
    ⑤音頻功率放大器。該電路采用飛利浦TPAl519C芯片，該芯片為11W雙信道B類音頻功率放大器。用以驅(qū)動一個8 Ω/2w的喇叭。
    ⑥汽車音響與免提喇叭的切換電路。采用繼電器進(jìn)行硬件切換，由BlueCore2-External進(jìn)行軟件切換信號控制。

    當(dāng)用戶的手機或固定電話不支持藍(lán)牙功能時，提供了藍(lán)牙適配器解決方案(即語音網(wǎng)關(guān)EAG)，可在手機或話機開發(fā)公司的支持下實現(xiàn)與手機或話機接口的無縫連接。圖5為藍(lán)牙語音網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

3.3 軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計采用虛擬設(shè)備(VirtuaI Machine)軟件協(xié)議棧，將高至應(yīng)用層的協(xié)議軟件全部固化進(jìn)8 MB的Flash。BlueCore2-External中的32位RISC微處理器中運行了一個虛擬設(shè)備(Virtual Machine)，它提供了應(yīng)用程序的運行空間，而不影響低層的藍(lán)牙通信協(xié)議棧。

結(jié)語
    本套藍(lán)牙語音系統(tǒng)的最大特點是實現(xiàn)了與現(xiàn)有通信設(shè)備的后向兼容。用戶無需更換現(xiàn)有的不具藍(lán)牙功能的通信設(shè)備，就可享受到無線通信帶來的便捷。

    本套藍(lán)牙語音系統(tǒng)采用語音識別技術(shù)方便駕駛時呼出電話，讓您在開車時無需手持電話，無需任何連線即可與親朋好友盡情暢談。由于是全免提通話，故能讓您解放雙手，專心駕車，既安全又不違規(guī)，同時還避免了手機的電磁輻射。由于采用了世界頂尖級的藍(lán)牙技術(shù)，故無需任何連線，即使您的手機在包里或車內(nèi)任何角落，只要按下免提器的接聽鈕，即可接聽電話。經(jīng)汽車公司裝車試用后，該免提裝置聲音宏亮，與手持接聽設(shè)備效果一致，受到廣大消費者的一致好評。