藍(lán)牙車載系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和應(yīng)用規(guī)范分析

通過(guò)具有藍(lán)牙功能的手機(jī)，藍(lán)牙車載系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)汽車自動(dòng)故障診斷、電子導(dǎo)航等多種富有創(chuàng)意的應(yīng)用。本文介紹了這些應(yīng)用設(shè)計(jì)思路，并詳細(xì)分析了藍(lán)牙車載系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和藍(lán)牙免提應(yīng)用規(guī)范。

車載系統(tǒng)正向智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，汽車市場(chǎng)已經(jīng)成為電子工業(yè)一個(gè)重要的增長(zhǎng)點(diǎn)，無(wú)線通信技術(shù)在汽車等移動(dòng)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文介紹的汽車藍(lán)牙應(yīng)用主要以手機(jī)為無(wú)線網(wǎng)關(guān)，車載系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線鏈路和手機(jī)連接，再連入外部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。利用該方案，用戶通過(guò)一部藍(lán)牙手機(jī)就可以方便地使用以下功能：

免提電話：用戶進(jìn)入車內(nèi)，車載系統(tǒng)自動(dòng)連接上用戶手機(jī)。用戶在駕車時(shí)，無(wú)須用手操作就可以用聲控完成撥號(hào)、接聽(tīng)、掛斷和音量調(diào)節(jié)等功能，通過(guò)車內(nèi)麥克風(fēng)和音響系統(tǒng)進(jìn)全雙工免提通話。

汽車遙控：用戶可以在10米范圍內(nèi)用手機(jī)控制車門和車中的各類開(kāi)關(guān)。

音樂(lè)下載：用戶可以通過(guò)手機(jī)下載音樂(lè)到汽車音響中播放。

電子導(dǎo)航：用戶可以通過(guò)手機(jī)下載電子地圖等數(shù)據(jù)到車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中，導(dǎo)航系統(tǒng)得到當(dāng)前坐標(biāo)參數(shù)再通過(guò)手機(jī)短信傳回導(dǎo)航中心。

汽車自動(dòng)故障診斷系統(tǒng)：車載系統(tǒng)可以通過(guò)手機(jī)將故障代碼等信息發(fā)往維修中心，維修中心派人前來(lái)修理時(shí)可以按故障代碼等信息準(zhǔn)備好相應(yīng)的配件和修理工具。

藍(lán)牙在車載系統(tǒng)中的全面應(yīng)用需要解決硬件和軟件方面的問(wèn)題。硬件實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的射頻和基帶部分，工作溫度范圍、可靠性和價(jià)格是在設(shè)計(jì)硬件時(shí)應(yīng)考慮的重點(diǎn)問(wèn)題，車載系統(tǒng)的各種上層功能由軟件實(shí)現(xiàn)。免提電話作為藍(lán)牙在車載系統(tǒng)中的主要應(yīng)用，其應(yīng)用規(guī)范已經(jīng)成熟并獲得眾多手機(jī)廠商的支持。

如圖1所示，射頻芯片在2.4GHz頻段提供數(shù)據(jù)和語(yǔ)音無(wú)線雙向傳送?；鶐酒l、信道加密解密、鑒權(quán)、SCO語(yǔ)音編解碼等硬件，以及鏈路管理、HCI接口等固件。處理器運(yùn)行藍(lán)牙上層協(xié)議棧、應(yīng)用規(guī)范和語(yǔ)音算法等核心軟件。為方便描述，本文將射頻、基帶和處理器部分稱為藍(lán)牙子系統(tǒng)。汽車音響通過(guò)車內(nèi)麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器為藍(lán)牙子系統(tǒng)提供聲音的輸入輸出。主控制器運(yùn)行人機(jī)接口（MMI）等軟件，對(duì)藍(lán)牙子系統(tǒng)、汽車音響和其他車載電子設(shè)備進(jìn)行集中控制管理，并將有關(guān)信息顯示在圖形用戶界面（GUI）上。

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一、藍(lán)牙子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

藍(lán)牙子系統(tǒng)包含實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙車載應(yīng)用規(guī)范有關(guān)的軟硬件。基帶芯片通過(guò)UART和SSI接口連接處理器：HCI命令、數(shù)據(jù)和事件通過(guò)UART接口傳輸；SCO數(shù)據(jù)通過(guò)SSI接口傳輸。如前所述，處理器運(yùn)行藍(lán)牙上層協(xié)議棧、應(yīng)用規(guī)范和語(yǔ)音算法等核心軟件。圖2給出了藍(lán)牙子系統(tǒng)中處理器上運(yùn)行的軟件結(jié)構(gòu)。

圖2

圖2中的電路支持包（BSP）包含所有與硬件有關(guān)的代碼，可以保證上層軟件良好的硬件無(wú)關(guān)性。RTOS為軟件提供良好的結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)性能。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮RTOS的RAM、ROM占用大小、中斷響應(yīng)和任務(wù)切換時(shí)間，以及調(diào)度算法是否滿足語(yǔ)音算法等部分對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。藍(lán)牙協(xié)議棧包括HCI HOST、L2CAP、SDP和RFCOMM等上層協(xié)議。在協(xié)議棧之上，按不同的應(yīng)用要求放置有若干應(yīng)用規(guī)范，如免提應(yīng)用規(guī)范和耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范。由于新的應(yīng)用規(guī)范不斷出現(xiàn)，軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)便于加入新的應(yīng)用規(guī)范以備將來(lái)擴(kuò)充應(yīng)用范圍。數(shù)據(jù)庫(kù)提供記錄的添加、刪除和查找功能來(lái)管理本地和遠(yuǎn)端藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)據(jù)，通常這些數(shù)據(jù)存放在Flash存儲(chǔ)器中。存放的數(shù)據(jù)有本地設(shè)備的藍(lán)牙地址、設(shè)備名稱、配對(duì)密碼和SDP記錄，以及遠(yuǎn)端設(shè)備的藍(lán)牙地址、設(shè)備名稱、SDP記錄、鏈路密鑰、鑒權(quán)和授權(quán)方案。由于系統(tǒng)需要和多個(gè)遠(yuǎn)端設(shè)備配對(duì)，數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)有足夠的容量來(lái)存放多個(gè)遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙管理層（Bluetooth ME）對(duì)協(xié)議棧和數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用使其按一定流程工作，從而執(zhí)行訪問(wèn)控制管理、連接管理和安全管理等。在車載系統(tǒng)中還需要提供語(yǔ)音算法，因?yàn)樵诿馓嵬ㄔ挄r(shí)對(duì)方可以聽(tīng)到自己的回聲，可以采用回聲抵消（AEC）技術(shù)來(lái)消除。行車過(guò)程中進(jìn)行免提通話時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、路面噪聲、風(fēng)聲會(huì)進(jìn)入車內(nèi)麥克風(fēng)，影響通話質(zhì)量。采用噪音抑制（NS）技術(shù)可以抑制車內(nèi)噪聲以提高通話清晰度。

為了增加行車安全，語(yǔ)音識(shí)別（VR）技術(shù)可以讓駕駛員無(wú)需手動(dòng)操作電子設(shè)備，通過(guò)預(yù)先錄入的聲音指令，駕駛員可以撥打電話，接聽(tīng)電話等；語(yǔ)音合成（VS）技術(shù)用語(yǔ)音信號(hào)提醒駕駛員需要進(jìn)行的操作或一些值得注意的信息；語(yǔ)音管理層對(duì)各種語(yǔ)音算法模塊進(jìn)行管理，如配置算法參數(shù)和緩沖區(qū)數(shù)據(jù)輸入輸出等；人機(jī)接口層（MMI Interface）是外部與藍(lán)牙子系統(tǒng)進(jìn)行通信的接口，這種通信使用專門的協(xié)議，外部MMI主機(jī)通過(guò)該協(xié)議發(fā)送命令到人機(jī)接口層，人機(jī)接口層解釋收到的命令，繼而控制應(yīng)用層進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)應(yīng)用層也會(huì)將藍(lán)牙子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和事件送往人機(jī)接口層，人機(jī)接口層通過(guò)該協(xié)議發(fā)送命令到外部MMI主機(jī)。應(yīng)用層接受所有來(lái)自人機(jī)接口層和藍(lán)牙管理層的事件，在一定的應(yīng)用條件約束下對(duì)接收到的事件進(jìn)行處理，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作以控制人機(jī)接口層、藍(lán)牙管理層和語(yǔ)音管理層進(jìn)行有序工作。應(yīng)用層還負(fù)責(zé)對(duì)異常情況進(jìn)行處理，比如人機(jī)接口層收到錯(cuò)誤指令、藍(lán)牙鏈路的異常斷開(kāi)、鑒權(quán)失敗等，通過(guò)適當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤處理機(jī)制來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。

藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范規(guī)定了為實(shí)現(xiàn)某種應(yīng)用，雙方藍(lán)牙設(shè)備應(yīng)滿足的一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。包括應(yīng)用特性的規(guī)定、應(yīng)用模型的定義、核心協(xié)議棧的配置、在核心協(xié)議上為實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用而定義的協(xié)議，以及為了滿足互操作性要求的其他規(guī)定，這些規(guī)定分為強(qiáng)制性支持、有條件支持和可選支持。由以上結(jié)構(gòu)可以看出，通過(guò)合理配置各軟件功能模塊就可以在相同硬件平臺(tái)上支持多個(gè)應(yīng)用規(guī)范。

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二、藍(lán)牙免提應(yīng)用規(guī)范

藍(lán)牙免提應(yīng)用規(guī)范規(guī)定了在語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)和免提設(shè)備之間建立藍(lán)牙數(shù)據(jù)和語(yǔ)音連接的過(guò)程，以及免提設(shè)備如何基于該連接對(duì)手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并訪問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)電話功能。

該規(guī)范中的語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)是免提設(shè)備與外界進(jìn)行語(yǔ)音通信的橋梁，一般語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)是指GSM或CDMA手機(jī)。通過(guò)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)，免提設(shè)備可以使用蜂窩網(wǎng)提供的電話服務(wù)。免提設(shè)備和語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)連通后，用戶可以進(jìn)行免提通話。在這里免提設(shè)備一般指藍(lán)牙車載系統(tǒng)。該規(guī)范規(guī)定了語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)和免提設(shè)備應(yīng)支持的特性，語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)和免提設(shè)備必須支持建立服務(wù)級(jí)連接（SLC）。所有的控制信令在SLC上傳遞。

藍(lán)牙免提應(yīng)用規(guī)范的典型應(yīng)用如圖3所示。此時(shí)藍(lán)牙車載系統(tǒng)是免提設(shè)備，手機(jī)充當(dāng)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)。圖中的手機(jī)具有藍(lán)牙功能，第一次使用前需要和藍(lán)牙車載系統(tǒng)進(jìn)行綁定，用戶輸入正確的密碼后，綁定即告成功。此后，經(jīng)過(guò)綁定的藍(lán)牙手機(jī)靠近藍(lán)牙車載系統(tǒng)10米左右，兩者就能自動(dòng)建立連接。

圖4

圖4是協(xié)議棧的配置情況。免提規(guī)范是通過(guò)在RFCOMM上傳送專用控制命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些命令是通用AT指令集的一個(gè)子集，同時(shí)添加了有關(guān)的專用指令。通過(guò)這些AT指令可以完成電話狀態(tài)顯示、接聽(tīng)、拒絕、掛斷、傳輸雙音多頻碼（DTMF）、遠(yuǎn)程音量控制、控制回聲抵消、噪聲抑制和語(yǔ)音識(shí)別等功能。

另外，為了滿足互操作性要求，免提規(guī)范還就藍(lán)牙信道的連接過(guò)程、安全管理等方面做出了一些規(guī)定。免提規(guī)范規(guī)定語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)和免提設(shè)備之間進(jìn)行綁定時(shí)，語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)應(yīng)該是發(fā)起者。語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)發(fā)起設(shè)備查詢，免提設(shè)備進(jìn)行查詢掃描，通過(guò)設(shè)備查詢語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)就可以找到有效范圍內(nèi)的免提設(shè)備。然后語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)通過(guò)呼叫（Page）與免提設(shè)備建立連接，發(fā)起綁定流程。在該情況下，語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)只能作為主設(shè)備， 免提設(shè)備為從設(shè)備。綁定完成后，可以由免提設(shè)備或者語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)任何一方發(fā)起連接請(qǐng)求，沒(méi)有固定的主從設(shè)備之分。

免提規(guī)范本身不對(duì)藍(lán)牙鏈路的安全性提出強(qiáng)制性要求。就免提應(yīng)用而言，為了保證通話內(nèi)容的安全性，應(yīng)進(jìn)行鑒權(quán)和加密。鑒權(quán)是設(shè)備一方通過(guò)檢查鏈路密鑰來(lái)驗(yàn)證對(duì)方設(shè)備的合法性，鑒權(quán)可以雙向進(jìn)行；加密是對(duì)兩個(gè)設(shè)備間ACL數(shù)據(jù)按一定算法進(jìn)行處理，生成加密數(shù)據(jù)。只有知道正確的解密密鑰后，才可以由加密數(shù)據(jù)恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。加密使用的加密密鑰和解密密鑰是根據(jù)鏈路密鑰按固定的算法生成，因此鏈路密鑰是系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵。在藍(lán)牙免提應(yīng)用中，鏈路密鑰由語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)和免提設(shè)備通過(guò)配對(duì)（pairing）過(guò)程產(chǎn)生。在這個(gè)過(guò)程中，用戶需要在語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)一方輸入正確的PIN碼來(lái)創(chuàng)建鏈路密鑰。

另外，藍(lán)牙車載系統(tǒng)可以提供多個(gè)不同應(yīng)用服務(wù)。其他藍(lán)牙設(shè)備在訪問(wèn)這些服務(wù)時(shí)，藍(lán)牙車載系統(tǒng)還需要控制對(duì)其不同服務(wù)的訪問(wèn)權(quán)限，這種控制由授權(quán)過(guò)程實(shí)現(xiàn)。對(duì)于語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)，一般應(yīng)授予其訪問(wèn)藍(lán)牙車載系統(tǒng)中免提應(yīng)用的權(quán)力。

三、藍(lán)牙耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范

在藍(lán)牙車載系統(tǒng)中藍(lán)牙耳機(jī)主要也是用作免提，可以認(rèn)為藍(lán)牙耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范是免提應(yīng)用規(guī)范的簡(jiǎn)化版本，只能完成有限的功能。由于耳機(jī)的用戶接口很簡(jiǎn)單，一般為少量按鍵和LED顯示，因此耳機(jī)應(yīng)用協(xié)議只定義了簡(jiǎn)單的功能，包括數(shù)據(jù)鏈路、語(yǔ)音鏈路的建立和拆除，可選對(duì)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)和車載系統(tǒng)之間的音量同步控制支持等。通過(guò)耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范，可以進(jìn)行接聽(tīng)電話、掛斷電話、聲控?fù)芴?hào)等基本的免提通話操作。

藍(lán)牙耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范也是通過(guò)在核心協(xié)議上添加耳機(jī)控制實(shí)體和應(yīng)用層來(lái)實(shí)現(xiàn)。

四、小結(jié)

在藍(lán)牙車載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要采用合理的硬件設(shè)計(jì)方案來(lái)滿足汽車應(yīng)用在溫度范圍、可靠性和價(jià)格等方面的要求，同時(shí)還需要采用合理的軟件方案來(lái)滿足嚴(yán)格的藍(lán)牙互操作性要求、良好的功能擴(kuò)展能力以及良好的實(shí)時(shí)性和高可靠性。藍(lán)牙車載系統(tǒng)要大規(guī)模應(yīng)用，在技術(shù)方面還需要解決應(yīng)用規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，并且需要有完備的測(cè)試手段來(lái)保證不同廠商之間的設(shè)備有良好的互操作性。目前，免提應(yīng)用規(guī)范和耳機(jī)應(yīng)用規(guī)范在藍(lán)牙車載系統(tǒng)和藍(lán)牙手機(jī)上已經(jīng)有廣泛的支持。