藍牙耳機是一種無線語音傳輸技術，是基于耳機在無線技術方面的延伸。它是相配于藍牙技術而進入多媒體個人區(qū)域網絡的。隨著藍牙技術的日趨完善和藍牙產品市場占有率逐漸提升，藍牙耳機在技術上也將不斷得到改進，使之成為個人多媒體區(qū)域網絡的主要配套產品。藍牙耳機的應用范圍除了手機以外，PDA、無繩電話應用、汽車免提工具、電話終端等，也是藍牙耳機發(fā)揮技術優(yōu)勢的應用領域。本文設計的藍牙耳機支持藍牙規(guī)范1．2版本，傳輸距離達10 m，傳輸速率達723．2 kb／s，并且具有低功耗和(幾乎)無輻射等技術優(yōu)點和優(yōu)勢。
1 藍牙技術
藍牙作為一種低成本、短距離的無線連接技術標準，是由Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba五家公司共同倡導的一種全球無線技術標準，是一種無線數據與語音通信的開放性全球規(guī)范。它以低成本的短距離無線連接為基礎，為固定設備與移動設備通信環(huán)境建立一個特別連接。其實質是建立通用的無線空中接口及其控制軟件的公開標準，實現設備問的電纜替代。
藍牙技術規(guī)范包括協議和應用規(guī)范兩個部分。協議定義了各功能元素各自的工作方式，整個藍牙協議體系結構分為4層，即核心協議層、線纜替代協議層、電話控制協議層和采納的其他協議層；應用規(guī)范則闡述了為了實現一個特定的應用模型，各層協議間的運轉協同機制。較典型的應用規(guī)范有撥號網絡、耳機(headset)、局域網訪問和文件傳輸等。藍牙耳機的協議棧原理如圖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ARM7的音頻處理器ZV4301。ZV4301處理器是在一個單芯片收發(fā)器上加入一個集成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，以實現需要技術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是一顆專為便攜式產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音頻功能。這顆音頻編解碼器具有24位數據路徑、多重時鐘支持、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接口來控制音量。
3 I2S總線
本設計在硬件電路上使用基于I2S總線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協議。
I2S總線只處理聲音數據，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。這三根線分別是：提供分時復用功能的數據線(SD)、字段選擇線(聲道選擇WS)、時鐘信號線(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個通用I／O口來模擬I2S總線。其讀寫I2S總線的數據主要包括以下幾個函數；
word_selection()； ／／字選擇函數
serial_clock()； ／／時鐘信號函數
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年設計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統。良好的持續(xù)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開發(fā)環(huán)境，使之成為所有獨立于處理器實時系統中最具特色的操作系統。
在該設計中，軟件協議全部下載到藍牙設備內核處理器的外置閃存中，操作通過人機接口控制?；赩xWorks的軟件編寫工作主要包括：BSP包的改動、程序的編寫和操作系統的裁減。由于VxWorks的高度靈活性，可以很容易地對這一操作系統進行定制或作適當開發(fā)，來滿足系統的實際應用需要。BSP包的改動指根據目標硬件實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。
程序編寫函數主要包括以下7個。
(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執(zhí)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L2CAP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結構體類型
MSG_QUEUE_ID MsgQueueld； ／／定義全局消息隊列ID結構體，用于存放每個消息隊列的ID
vInitlalizeL2caD()；／／L2CAP初始化，包括初始化全局變量、創(chuàng)建定時器、創(chuàng)建消息
／／隊列、創(chuàng)建并啟動任務
(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，它們通過郵箱來交換信息。只要任何一方向郵箱發(fā)送了信息，郵箱就會產生中斷信號，另外一方可以在中斷服務程序中進行信息讀取和處理。其處理函數為；
vLmpDealFromBB()
／／處理來自BaseBand層的消息以建立連接，對來自BaseBand層
／／的操作碼
決定接受與否，并進行鑒權、加密、處理或斷開等操作
(4)L2CAP軟件的設計
tL2capDealMsgFromSdp()
／／處理來自SDP層的消息SdpToL2eap，生成L2CAP數據包，把數據傳BaseBand層
tL2capDealMsgFromRf()
／／處理來自RFCOMM層的消息RfToL2cap，生成L2CAP數據包，把數據傳BaseBand層
vL2capDealMsgFromBB()
／／處理來自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()
／／處理來自L2CAP的消息L2capToSdp，并上報搜索到的服務的屬性
tSdpDealMsgFromHA()
／／處理來自HeadsetApplieation的消息HAToSdp，對上報信息進行應答
(6)RFOOMM軟件的設計
tRfDealMsgFromHA()
／／處理來自HeadsetApplication的消息HAToRf，生成RFCOMM數據包，傳送給L2CAP
tRfDealMsgFromL2cap()
／／處理來自L2CAP的消息L2capToRf，對不同的幀進行處理
(7)HeadsetApplication軟件的設計
tHADealMsgFronaSdp()
／／處理來自SDP的消息SdpToHA，判斷是否正常并處理
tHADeaIMsgFromRf()
／／處理來自RFCMM的消息RfToHA，對AT命令及其應答作出處理
5 語音傳輸建立過程
藍牙耳機系統工作時總是藍牙語音網關(AG)和藍牙耳機(HS)成對出現的。其通信所用到的協議棧及實體如圖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程。(以AG主動發(fā)起連接請求為例。)
①AG首先發(fā)起查詢，通過查詢AG獲得HS的藍牙地址。
?、贏G在應用層的驅動下向查詢到的HS發(fā)起一個page進程。當接收到HS返回的應答信號時，AG與HS之間的ACL鏈接已經成功建立。
?、垡坏〢CL鏈接建立，即可以被用來傳送振鈴信號。振鈴信號的發(fā)送是通過AT命令RING來完成的。
?、蹵CL鏈接好后，接著建立L2CAP鏈路。AG首先在信令信道上發(fā)送一個鏈接請求信令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，表明0x0040信道已經建立好。然后對此信道進行配置，配置完信道后，就可以利用此CID(信道標識符)為0x0040的L2CAP信道進行SDP查詢。
?、軦G在L2CAP信道上發(fā)送一個SDP查詢包。SDP查詢包將查詢SDP服務器端HS是否具有所需要的服務。若查詢成功，在ACL鏈路上，AG再建立一條標號為0x0041的l.2CAP鏈路，用來傳輸RFCOMM數據；同時，斷開用作SDP查詢的標號為0x0040的L2CAP鏈路。 ⑥當CID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VA幀，表明已經建立好了Channel 0這條RFCOMM信道。此信道為控制信道,用來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DM幀。其次建立數據信道，先是對數據傳送信道的參數進行協商，協商命令PN參數包括對將要建立的信道Channel 1的優(yōu)先級，最大幀長等，當雙方協商好后建立傳輸數據的信道Channell。
⑦通過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，就可以開始建立SCO鏈接。
?、郒CI(主機控制接口)發(fā)一個WRITE_VOICE_SETTING命令，對音頻狀態(tài)進行一些設置。當接收到AG的建立SC0鏈接的請求時，若HS允許，發(fā)送一個接收的HCI命令，在命令完成之后，傳輸音頻信號的SC0鏈路就建立好了，此時就可以進行語音通信。
結語
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現。藍牙耳機使用戶擺脫線纜的束縛，能夠在較大的自由空間內通話。由于采用專用的聲音編解碼芯片和標準音頻取樣率44．1 kHz，并經過先進的信號處理技術，能夠使聲音效果接近CD音質，這樣也使藍牙耳機真正取代有線耳機成為可能。
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