基于CSR BC 5-MME嵌入式蓝牙耳机设计与实现

中心议题
    * 提出了基于CSR BC 5-MME嵌入式蓝牙耳机
    * 给出了设计与实现
解决方案
    * 采用CSR公司的BlueCore 5 Multimedia的芯片
    * 使用CSR BlueLab耳机软件开发系统


0　引言

蓝牙耳机提供了一个安全及无绳的途径来发送和接收呼叫并进行语音传输。尤其当用户不方便手持手机时,这种方式显得尤为方便。蓝牙耳机的使用者可以在能保持连接的范围内自由移动,并可与多种设备进行通信,得到广泛应用。

本文在CSR BlueCore 5 Multi-Media External(CSR BC 5-MME)嵌入式系统基础上,进行蓝牙耳机的设计研究与实现。CSR公司是全球领先的蓝牙技术供应商,其BlueCore 5嵌入式平台拥有高性能的片上DSP,是惟一能够支持第三方音频增强软件的蓝牙平台,可提供卓越的声音质量,以及同类最佳的信噪比,达到-90 dB,且其在功耗及无线电设计方面居行业领先地位,是目前耳机产品的首选开发平台。通过ISM频段的2.4 GHz短距离射频无线通信技术,利用短距离、低成本的无线连接替代电缆连接,蓝牙技术为现存的数据网络和小型的外围设备接口提供了统一的连接。蓝牙耳机遵循了蓝牙SIG组织定义的蓝牙耳机规范和免提规范,实现了耳机与音频网关之间的无线通信。

1　硬件平台简介

该系统设计是单声道双麦克风降噪处理的中高端蓝牙耳机产品,具有单独的电源开关,1个多功能按键及1个3色LED灯,采用CSR公司具有外接FLASH存储器的BlueCore 5 Multimedia的芯片,使用CSR BlueLab耳机软件开发系统,支持集成式语音合成,即文语转换(TTS)功能,以及语音识别功能,在功能上具有高度可定制性和灵活性,可有不同的封装方式供选择,有专用DSP音频消噪处理器及丰富的外设接口如I2C,USB,UART,PCM/I2S/SPDIF等接口,蓝牙耳机硬件模块框图如图1所示。该BC 5-MME平台的主要特点:

(1) 16 b的MCU具有100 MHz速度,可最大支持32 Mb外部FLASH,48 kB内部RAM。

(2)超低功耗Kalimba DSP协处理器,64 MIPS,可集成第三方软件,提供消噪等高质量的音频处理。

(3)双通道的16 b ADC及DAC处理,支持双MIC和双SPK,可实现立体声音频。

(4)具有丰富接口如UART,USB,SPI,PCM,I2S/SPDIF,可实现与外部设备连接通信。

(5)有2个专用的LED接口,可实现淡入淡出的闪烁效果。

2　软件平台

蓝牙耳机软件是以CSR提供的BlueCore嵌入式开发环境BlueLab软件平台为基础进行设计和自主开发。BlueLab软件平台是CSR公司为其高端芯片配合开发的软件开发工具,内容包括该平台的相关开发工具和蓝牙协议库及部分源码。该设计利用CSR提供的软件平台进行定制开发蓝牙耳机产品。蓝牙耳机软件可分为蓝牙协议体系部分和蓝牙耳机规范应用两部分。

2.1　蓝牙耳机协议栈

如图2所示蓝牙协议体系可以分为4层,包括核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和选用协议层,每一层还有一些具体的协议:

(1)核心协议:基带、链路管理协议(LMP)、逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)、服务发现协议(SDP);

(2)替代电缆协议:串行电路仿真协议(RFCOMM);

(3)电话控制协议:二元电话控制规范(TCS Binary)与AT-命令(AT-Command);

(4)选用协议:点到点协议(PPP)、目标交换协议(OBEX)等。

主机控制器接口(HCI)提供了访问基带控制器、链路控制器以及硬件状态和控制寄存器等的命令接口。

在图2中,HCI层位于L2CAP之下。

2.2　蓝牙耳机规范

蓝牙耳机软件中的应用规范有耳机剖面协议(HSP)、免提剖面协议(HFP)、高级音频剖面协议

(A2DP)、音视频远端控制剖面协议(AVRCP)等。目前,耳机剖面协议和免提剖面协议是蓝牙耳机中必须支持的内容;而高端立体声蓝牙耳机会增加支持音频剖面协议和音视频远端控制剖面协议等。

3　蓝牙耳机软件设计与实现

3.1　BlueCore任务架构及消息流程

在BlueCore嵌入式开发环境下,一方面可配置相应的项目编译及开发环境,方便软件调试;另一方面可利用蓝牙协议库及部分源码,即BlueCore的Firmware固件和部分蓝牙协议文件,如图3所示。基于嵌入式的软件分层结构,只需专注于应用剖面的开发与实现。

在图3中:

(1) Task:每个Task对应1个任务,其相应于1个基本块,多个块组成1个应用,每个任务都完成了应用和BlueCore firmware的接口连接,负责相应的功能。每个任务都有1个消息处理函数和相应的任务状态结构。所有的任务都是在单个进程中运行,不允许多个任务并行处理。

(2) Message消息:消息是完成任务间的信息传递,其参数形式及含义如:

Task t:识别消息的目的地址,也就是接收任务的指针;

MessageId id:消息的标签,任务接收消息时用于识别并调用相应的功能函数;

Message payload:消息的载荷应该包括要求的状态数据,这样处理函数能够正确处理。在消息送达后载荷的内存要释放。载荷内容是可选,可以置Null。

在消息发送后,所有的消息都要进入消息FIFO队列进行排队转发处理。MessageLoop函数控制了主调度循环并处理派发任务消息;每次调度都检查队列中的第一个消息并派发到相应的任务,其调用位置在第3.3节中伪代码部分所示。

3.2　MMI设计与任务设计

蓝牙耳机软件是基于BlueCore嵌入式软件层次架构和消息机制,根据人机接口(man machine interface,MMI)的要求进行软件应用设计与实现。蓝牙耳机的人机接口MMI设计与其产品的定位和产品的复杂程度有关。本文所设计的蓝牙耳机支持耳机剖面协议,免提剖面协议,实现语音通话的功能,并完成产品的兼容性测试。MMI的设计主要包括:按键功能、LED指示、声音提示及蓝牙状态操作流程4部分。根据MMI的设计要求,分为: I/O输入管理任务(ioinTask)、I/O输出管理任务(iooutTask)、蓝牙剖面管理任务(profTask)、耳机剖面管理任务(hshfTask)、音频驱动管理任务(audioTask)及电池电量管理任务(battTask)6个应用任务。

(1) I/O输入管理任务

①初始化任务,申请该任务内存并初始化变量及该任务的消息处理函数;

②初始化配置输入I/O口,根据I/O输入口属性的表格初始化;

③初始化I/O输入事件,根据事件列表初始化;

④管理并发送对应的触发事件到各个不同的任务。

(2) I/O输出管理任务

①初始化任务,申请该任务内存并初始化变量及该任务的消息处理函数;

②初始化配置输出I/O口,根据I/O输出属性的表格初始化;

③I/O输出管理,包括PIO和专用LED口,根据LED的闪烁方式和时序要求,在任务处理函数处理。

(3)蓝牙剖面管理任务

①初始化任务,申请该任务内存并初始化变量及该任务的消息处理函数;

②初始化并管理耳机的运行模式,初始化蓝牙协议栈Connection Task;

③管理蓝牙状态,注册、查询配对、鉴权、重连等蓝牙连接设备过程的蓝牙状态转移管理;根据蓝牙状态进行相应的MMI显示。

(4)耳机剖面管理任务

①初始化任务,申请该任务内存并初始化变量及该任务的消息处理函数;

②初始化蓝牙剖面协议HSP和HFP;

③管理蓝牙耳机通话处理,是蓝牙耳机重要任务之一。

(5)音频驱动管理任务

①初始化任务,申请该任务内存并初始化变量及该任务的消息处理函数;

②调整Speaker和Mic的增益;

③配置平台的SCO音频通路。

(6)电池电量管理任务

①初始化任务,申请该任务内存并初始化变量及该任务的消息处理函数;

②充电电量显示及算法;

③放电电量显示及算法。

按任务来区分各个不同功能,易于理解且具有灵活性、扩展性。可按任务模块添加或者屏蔽任务模块。各任务间可通过BlueCore的FIFO消息机制实现各个任务间的通信,从而实现蓝牙耳机功能,如图4所示。

3.3　蓝牙耳机初始化及工作过程

在BC 5-MM Ext芯片上VREGENABLE H pin能兼容最高4.9 V电压。当该pin上拉2 s高电平脉冲后,Firmware运行并内部锁定上拉,此后该pin可作为输入pin来使用。Firmware启动完成后接着运行VM虚拟机,这样便为Application Task提供了运行环境。

在Application Task中开始初始化,其伪代码如下:

初始化完成耳机后,耳机首先进入配对模式(pairing mode or inquiry scan mode),AG(audio gateway)查询(inquiry mode)当前可配对设备,找到耳机设备后可进行密码鉴权校验,鉴权通过后,耳机和AG可进行服务连接(SLC establishment)。此后,蓝牙耳机进入正常待机模式,可进行来电、拨号等符合HSP/HFP剖面规范的相关操作。该耳机能通过PTS(frontline test system)功能测试,符合蓝牙耳机HSP和HFP剖面协议通信流程。

4　结语

基于CSR蓝牙嵌入式平台设计实现了蓝牙耳机通话功能。通过在BlueCore 5 Multimedia嵌入式系统平台上的深入研究,该平台具有高性能、高灵活性、可定制性等特点,适合发展高端耳机产品。在该平台上的蓝牙耳机产品必将赢得高端客户市场,具有重要应用意义。