WRAP THOR 2022―1在藍牙車載電話中的應用

引 言
藍牙技術是一項新興的技術，其主要目的是在全世界建立一個短距離的無線通信標準。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，先進的無線技術來代替電纜。藍牙技術提供了低成本、低功耗的無線接口，使所有固定和移動設備通過微微網PAN(Personal Area Network)連接起來。

本文介紹的藍牙模塊是由芬蘭Bluegiga公司推出的藍牙芯片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，完全兼容藍牙協(xié)議Verslonl.1，可嵌人任何需要藍牙功能的設備中。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；并且支持藍牙語音和數(shù)據(jù)傳輸,輸出功率滿足藍牙一級操作的要求(最遠可達到100m)。

1 藍牙模塊內部結構及功能塊介紹
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)要求設置藍牙射頻發(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。藍牙射頻補充控制單元將由天線收到的2.4 GHz高頻信號經帶通濾波器，低噪放大送入BlueCore02的射頻單元，同時將由BlueCore2射頻單元產生的2.4 GHz高頻信號送入功放，經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，本方案采用內建隱藏方式的倒F型天線(利用PCB板材進行天線設計)。本藍牙模塊的RF引腳外接匹配阻抗為50Ω的天線。

1．2藍牙核心芯片組
藍牙核心芯片組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)，其內部結構框圖如圖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，能滿足藍牙一級操作，最大輸出功率是17 dbm，能進行可編程功率控制。安裝天線之后，傳輸距離可達100m，符合ISM頻段的FCC和ETSI標準。該收發(fā)器以Radio ASIC為基礎，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)(保持藍牙語音與數(shù)據(jù)的緩沖存儲)。外部存儲器驅動部分用于與外部Flash或ROM的連接與驅動。接口電路向外圍設備及藍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數(shù)字設備進行通信或作為外部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
閃存以二進制代碼的格式存放藍牙固件，可與基帶控制器交換數(shù)據(jù)地址和控制信號。藍牙固件包括射頻和基帶各層協(xié)議及接口應用程序。本藍牙模塊默認的軟件協(xié)議棧為RFCOMM Stack，其協(xié)議?？驁D如圖3所示。

其中，藍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)議轉換，將來自高層協(xié)議的數(shù)據(jù)進行信道編碼，向下傳給射頻進行發(fā)送；接收數(shù)據(jù)時，射頻將經過解調恢復空中數(shù)據(jù)并上傳給基帶，基帶再對數(shù)據(jù)進行信道解碼，向高層傳輸。

鏈路管理器實現(xiàn)了鏈路管理協(xié)議(LMP)，負責處理底層鏈路控制。每個藍牙設備都可以通過LMP與另一
個藍牙設備的鏈路管理器進行點對點的通信。

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，該方式給藍牙應用開發(fā)工程師帶來了極大的便利條件。

微處理器和固件一起構成了整個藍牙芯片的核心，稱為藍牙引擎。

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
該模塊內置16 MHz的時鐘。時鐘由一個晶體振蕩器產生，保證定時精度在2010-6之內。

2 芯片接口和主要引腳介紹
BLUEGIGA2022-1與主機或其他設備互聯(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12 Mbps。當使用USB接口與主機通信時，BLUEGIGA2022-l是一個USB從設備。與該接口有關的引腳有：
◆USB_D+(BI) USB_D-(B2)用于數(shù)據(jù)傳輸；
◆USB_ONGND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)，當主機處于掉電模式時，如果藍牙設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)標準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
標準的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)可變斜率增量調制)、μ律(8位)或A律(8位)?？紤]到編碼的健壯性，應優(yōu)先選擇CVSD。

與PCM語音接口有關的引腳信號有：
◆PCM_SYNC設置PCM數(shù)據(jù)的采樣速率；
◆PCM_CLK設置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，藍牙模塊產生128 kHz、256 kHz和512 kHz三種時鐘信號，可由PSTO01。進行設置；
◆PCM_0UTPCM_IN接收或發(fā)送語音編碼信號。

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

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

免提應用框架定義了車載免提設備的實現(xiàn)要求，該設備可以和藍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用框架的藍牙語音系統(tǒng)。

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

3.1免提應用框架
正在駕駛汽車時手機響r，此時又不能騰出手接電話，藍牙免提應用框架(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的藍牙免提設備來完成和藍牙手機的通信。

免提應用框架(HFP)與電話控制二進制(TCS-Bi-nary)協(xié)議無關，只要通過在藍牙串口仿真協(xié)議(RF-cOMM)層傳輸AT電話控制指令，就能夠實現(xiàn)藍牙免提設備的全部功能。

該系統(tǒng)由藍牙適配器和藍牙免提耳麥兩部分構成。若用戶的手機不具備藍牙功能，則可將藍牙適配器與現(xiàn)有的通信設備(手機)相連，實現(xiàn)藍牙與手機之間的信號轉換。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指令接口與藍牙模塊進行通信。藍牙免提上有PTT按鈕，用于接聽和掛斷來電。藍牙適配器(或用戶自帶支持免提功能的藍牙手機)和藍牙免提彼此之間可建立藍牙無線鏈路，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，指的是由蜂窩網發(fā)起的到音頻網關的呼叫連接；呼出(Outgoing Call)即上行鏈路，指的是由音頻網關發(fā)起的到蜂窩網的呼叫連接。

藍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，搜索周圍的藍牙設備。如果周圍存在藍牙設備，則主方會發(fā)起連接請求，與之建立藍牙數(shù)據(jù)連接，當有來電或有電話撥出時，若從方決定接通通話，則由主方建立與從方之間的語音鏈路(SCO鏈路)，并進入通話狀態(tài)。

對于支持免提功能的藍牙手機而言，其自身應具有錄音存儲功能(內置語音識別芯片)。使用該功能時，存儲一段錄音與一個號碼相對應，在免提端進行VOlCE DAIL-UP時,只是傳輸一段語音，音頻網關一端的語音識別芯片去匹配這段錄音，經過學習和識別后找到對應預先設置的號碼，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)用語音控制車內的藍牙免提設備來完成和藍牙手機的通信過程。

3.2硬件電路
藍牙免提的硬件結構電路框圖如圖4所示，其主要分為以下幾個部分。
①藍牙模塊。包括BLUEGIGA點對多點藍牙芯片和倒F天線。芯片實現(xiàn)藍牙通信的核心功能。
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。采用繼電器進行硬件切換，由BlueCore2-External進行軟件切換信號控制。

當用戶的手機或固定電話不支持藍牙功能時，提供了藍牙適配器解決方案(即語音網關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為藍牙語音網關的系統(tǒng)結構框圖。

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

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

本套藍牙語音系統(tǒng)采用語音識別技術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牙技術，故無需任何連線，即使您的手機在包里或車內任何角落，只要按下免提器的接聽鈕，即可接聽電話。經汽車公司裝車試用后，該免提裝置聲音宏亮，與手持接聽設備效果一致，受到廣大消費者的一致好評。