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藍牙單芯片領頭芯片廠商CSR的Bluecore是目前普遍應用的藍牙單芯片系列，在藍牙耳機、藍牙手機和免提裝置等設備中應用廣泛，也是很多藍牙工程師的首選。筆者采用Bluecore5-MM（以下簡稱BC5）和Freescale的Coldfire架構的32位處理器MCF5251，開發了一款整合USB音樂播放、iPOD控制、藍牙免提和流媒體音樂播放等功能的車載信息娛樂設備。下面，首先簡要介紹設備硬件結構，然后從設備軟件結構、BC5 軟件開發方式、內存和DSP的開發上詳細講一下開發中遇到的問題及解決方法。 硬件結構 圖1為車載娛樂設備的硬件結構圖，包括電源管理、音頻輸入輸出及音源管理、處理器及其外圍電路、USB接口及其供電保護、 CAN接口等幾個部分。 
圖1 車載娛樂設備硬件結構圖 如圖1所示，系統采用BC5-MM+32位外部嵌入式處理器的雙處理器結構設計，藍牙部分用BC5-MM實現。下面，首先介紹該芯片的關鍵特性，然后介紹其RF子系統的電路設計。其芯片特性如下： (1)以單芯片的形式集成了藍牙系統的射頻和基帶控制、RISC結構的16位MCU和性能高達64MIPS的Kalimba DSP。其中，MCU部分實現藍牙協議棧和應用軟件，DSP用于實現音頻和語音處理以及流媒體音樂文件的編解碼。 (2)具有獨立的音頻輸入輸出系統。 (3)無線發射功率達+8dBm，接受靈敏度-90dBm，無須外部放大器，只需印刷電路板天線便可滿足藍牙射頻規范Class 2的要求，通信距離可達10m。 (4)具有USB、I2C、SPI、UART等多種接口，可以外接外部主控制器以實現復雜應用。其中，BC5-MM和主處理器通過UART 進行通信，SPI接口用于BC5-MM程序的調試、下載以及關鍵PSKEY屬性的設置。 藍牙RF子系統設計如圖2所示。由于BC5-MM內部集成了藍牙射頻和基帶控制，所以只需外接濾波器和PCB天線便能實現RF子系統設計。濾波器選用插入損耗低、衰減特性高的藍牙平衡濾波器DBF81F04，保證了藍牙通信的可靠性；PCB天線采取F型天線，反饋點位置需要根據藍牙 2.4GHz的頻率中心點確定。另外，在音頻輸入輸出系統設計中需要注意的是音頻輸入有最大電壓的要求，所以在外圍麥克風輸入電路設計時要注意選擇電路放大參數以控制輸入電壓。
圖2 RF子系統電路圖 軟件開發 圖3所示為雙處理器結構的車載信息娛樂設備的軟件結構圖。MCF5251端的軟件設計不再贅述，BC5軟件包括固件、操作系統、剖面和應用程序四個部分。固件的功能是和硬件連接，提供底層驅動的實現，包括藍牙底層協議棧及片上各種外設，如IO、UART、Timer、ADC等的接口；操作系統Virtual Machine（VM）完成內存管理、任務調度和消息處理功能；剖面的功能是定義某類型設備應該包含的功能及其標準實現方式，保證設備間的互操作性。應用程序是在剖面和VM提供的一系列API上進行開發的，定義了任務和相應的消息，在VM的控制下采用消息隊列機制異步發送消息進行通信，軟件開發環境為 Roadtunes-SDK。該SDK提供了完整的藍牙協議棧和各種剖面的源代碼，并提供了車載應用的軟件解決方案。下面講述下連接管理及內存問題和 DSP開發中的關鍵技術。
圖3 車載設備軟件結構圖 連接管理 筆者設計的車載信息娛樂設備需要實現免提通話、電話簿下載、流媒體音樂播放和音樂遠程控制應用，每一種應用都是在相應的連接的基礎上以相應剖面約定的方式進行的。其中，免提對應HFP剖面，電話簿下載對應PBAP，流媒體音樂播放對應A2DP，音樂遠程控制對應AVRCP，合理管理這些連接至關重要。首先，對連接進行分類，HFP和A2DP為主要連接，PBAP是HFP的附屬連接，AVRCP是A2DP的附屬連接。當手機和設備建立了免提連接后，設備主動與手機建立PBAP連接，下載電話簿并通過UART送到主處理器去解析，當手機和設備建立了流媒體連接后，設備主動與手機建立 AVRCP連接以實現流媒體音樂的遠程控制。 系統在邏輯上是完全合理的，但發現此時死機的可能性很大。經分析，每一種連接建立后設備雙方需要交互鏈路監控超時時間、低功耗設置、LMP 版本信息、支持特性等其他信息，短時間內需要消耗相當大的內存，而PBAP電話簿下載和UART的傳輸也消耗相當大的內存，這樣便造成BC5無法為相應的藍牙消息分配內存。因為藍牙設備的各種行為都有相應的消息序列和次序，一旦將中間某個環節丟掉，那么后續的行為也是不可控的，繼續運行會造成程序的紊亂，這時復位是必需的選擇。 BC5的MCU內存為48KB，被當前各個為其語音或數據分配的環形緩沖區和協議棧特定操作、剖面和應用程序所共享。因此，需要在軟件開發上精心設計，并犧牲一定的速度性能才能保證程序不會因為內存不夠而運行失敗。 設計合理的連接管理方案如下：在A2DP連接完成5s后發起建立AVRCP連接，在HFP連接完成10s后發起建立PBAP連接，并保證不存在兩個正在進行中的連接，即如果AVRCP連接還沒有建立完成，當PBAP的建立時間到達時再推遲10s發起PBAP的連接，而且在剛建立PBAP連接時不馬上進行電話簿下載這樣需要大量內存的操作，這樣便解決了該問題。 DSP的開發 BC5內置性能高達64MIPS的DSP，可以軟件的方式完成兩大功能即回聲消除和流媒體音樂文件的解碼。CSR為BC5的 DSP提供了用于回聲消除和噪聲抑制的CVC，并提供了SBC和MP3的編解碼實現，這些都為車載信息娛樂設備免提通話和流媒體音樂播放功能的實現提供了極大的便利。同時，筆者所設計的車載信息娛樂設備需要有對音頻系統的自診斷功能，要求產生標準1kHz聲音信號并對麥克風進行檢測，這部分功能在BC5的 DSP上實現。下面首先簡要介紹DSP的特點及開發方式，然后介紹自診斷功能中麥克風檢測的實現。 CSR為其DSP定義了Kalimba的類匯編開發語言，并提供了很多有用的算子，可以被開發者直接調用編程以實現自定義功能。DSP跟外設的接口只有PIO，它無法直接和UART、USB、CODEC或藍牙數據鏈路接口，需要跟MCU一起完成具體應用。MCU和DSP之間基于中斷以消息的方式進行交互，消息數據采用DSP和MCU的共享內存收發，MCU和DSP都有發送接收消息的相應機制。 麥克風檢測需要對所產生的聲音信號采樣并運算處理。首先，MCU設置好麥克風ADC的采樣率和增益，同時設置好ADC數據流與DSP輸入端口的連接，DSP對輸入的ADC數據進行FFT運算，然后將運算結果以long message的方式發送給MCU，在MCU中做后續處理。MCU的設置代碼如下所示： /*VM_PCM_INTERNAL_A means left adc and left dac*/ PcmRateAndRoute(0,PCM_NO_SYNC,8000,8000,VM_PCM_INTERNAL_A); /* Set the gains on the codec */ CodecSetInputGainA(13); /* plug Left ADC into port 0 */ StreamConnect(StreamPcmSource(0),StreamKalimbaSink(0)); StreamKalimbaSink(0) 即為DSP的輸入端口，它是一個先進先出的環形緩沖區，Kaimba提供了對它進行操作的算子，包括讀數據、寫數據、查詢剩余空間和當前有效數據空間。對它進行操作前需要查詢剩余空間和查詢當前有效數據空間，這樣才能保證所取的輸入數據在時域上的連續性，操作后要更新讀寫指針，這樣才能保證其后續操作的正確性。 FFT運算的輸入實部即為麥克風采樣數據，虛部為零，是占位運算，即運算結果的輸出占用的是輸入數據的地址空間。根據FFT原理，輸入順序時，輸出逆序，輸入逆序時輸出順序，這個逆序算法取決于FFT運算的點數，在這里選擇128點運算。根據傅里葉變換原理，頻率分辨率取決于運算點數和 ADC的采樣速率，計算公式如下： Δf=fs/N=8000/128=62.5Hz 其逆序序列為0 64 32 96 16 80 48 112 8 72 40 104 24 88 56 120 4... 為了保證運算正確，需要進行多次運算，首先設置一定時器實時刷新FFT輸入的實部數據，其次在每次FFT運算之前將虛部全部清零，將沒有得到賦值的實部數據全部清零。定時器周期根據ADC的采樣速率和運算點數決定，由于對FFT輸入數據的補零操作不會影響運算結果和頻率分辨率，所以在這里設定定時器周期為 14ms，這樣輸入數據不會溢出。 運算完成后需要對實部和虛部進行求模運算，按照以上的逆序輸出，判斷峰值是不是出現在1kHz處即第56個點，是則麥克風工作正常，否則工作不正常。 結語 筆者采用BC5和MCF5251設計實現了車載信息娛樂設備，該設備運行穩定可靠，具有很高的實用價值。本文論述了BC5的應用開發經驗和關鍵技術，有助于采用BC5進行開發的藍牙工程師同仁加深對其設計開發的理解。 作者：山東省汽車電子重點實驗室 馬建輝 南京工業大學土木工程學院 呂夢興 哈爾濱威克科技 馬共立 |
