Bluecore5-MM在車(chē)載藍(lán)牙設(shè)備中的應(yīng)用

1 引言
    藍(lán)牙(Bluetooth)是一種短距離內(nèi)語(yǔ)音及數(shù)據(jù)通信的無(wú)線技術(shù)。較其他無(wú)線協(xié)議，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)更完善，定義了各種應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)規(guī)范．保證設(shè)備間的互操作性，其應(yīng)用及開(kāi)發(fā)日益廣泛。這里采用Bluecore5-MM(簡(jiǎn)稱(chēng)BC5-MM)設(shè)計(jì)一款車(chē)載藍(lán)牙設(shè)備。首先介紹BC5-MM的器件特性、車(chē)載藍(lán)牙設(shè)備的藍(lán)牙子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和RF部分的電路設(shè)計(jì)，然后從單芯片開(kāi)發(fā)方式、通信的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和UART通信等方面詳細(xì)介紹BC5-MM特定軟件的開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)。

2 藍(lán)牙子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    車(chē)載藍(lán)牙設(shè)備采用BC5-MM+32位外部嵌入式處理器的雙處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)USB音樂(lè)播放、藍(lán)牙免提、藍(lán)牙流媒體音樂(lè)播放、電話簿同步下載等功能，圖1為藍(lán)牙子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。其中BC5-MM的關(guān)鍵特性如下：

    (1)以單芯片形式集成藍(lán)牙系統(tǒng)的射頻和基帶控制、RISC結(jié)構(gòu)的16位MCU和性能高達(dá)64 MI／s；的Kalimba DSP。其中MCU實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙協(xié)議棧和應(yīng)用軟件，DSP實(shí)現(xiàn)音頻和語(yǔ)音處理以及流媒體音樂(lè)文件的編解碼。
    (2)獨(dú)立的音頻輸入輸出系統(tǒng)，內(nèi)置麥克風(fēng)偏置電路，并具備一定的音頻輸出驅(qū)動(dòng)能力。
    (3)無(wú)線發(fā)射功率達(dá)+8 dBm，接收靈敏度-90 dBm，無(wú)需外部放大器，只需印刷電路板天線便可滿足藍(lán)牙射頻規(guī)范Class 2要求，通訊距離達(dá)10 m。
    (4)具有USB、I2C、SPI、UART等多種接口，外接外部主控制器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用。其中BC5-MM和主處理器通過(guò)UART進(jìn)行通信，SPI接口用于BC5-MM程序調(diào)試、下載以及關(guān)鍵PSKEY屬性設(shè)置。
    (5)內(nèi)置LD0(低壓差線性穩(wěn)壓器)可由外部3．3 V的電壓生成1．8 V和1．5 V兩種電壓，其中，1．8 V主要為I／O口供電，1．5 V主要為內(nèi)核供電，從而簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。圖2為藍(lán)牙RF子系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，由于BC5-MM內(nèi)部集成藍(lán)牙Modem，只需外接濾波器和天線便能實(shí)現(xiàn)RF子系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。這里，濾波器選用DBF81F104，該器件是SOSHIN專(zhuān)為藍(lán)牙通信的可靠性。選用5 ppm的高性能RF晶體振蕩器，并調(diào)整設(shè)置BC5-MM的關(guān)鍵PSKEY-Crystal Trim值，控制初始載波偏移在很小范同內(nèi)，保證藍(lán)牙手機(jī)能夠搜索到設(shè)備并將其配對(duì)連接。

3 單芯片開(kāi)發(fā)方式
    BC5-MM有兩種開(kāi)發(fā)方式：一種是將BC5-MM作為藍(lán)牙基帶傳輸器件，協(xié)議棧及應(yīng)用軟件全部由外部主處理器實(shí)現(xiàn)；另一種是將BC5-MM作為藍(lán)牙單芯片，實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧及部分應(yīng)用軟件，通過(guò)與外部主處理器的通信來(lái)綜合完成相關(guān)應(yīng)用。本設(shè)計(jì)選用后一種開(kāi)發(fā)方式，BC5-MM的軟件開(kāi)發(fā)在CSR公司提供的Roadtunes-SDK上進(jìn)行，該Roadtunes-SDK提供完成的協(xié)議棧和剖面庫(kù)，車(chē)載應(yīng)用的軟件解決方案，以及虛擬機(jī)VM，用于單芯片方式的嵌入式開(kāi)發(fā)。在該解決方案的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)軟件，其應(yīng)用包括免提通話、信號(hào)強(qiáng)度、電池電量及短信提示、流媒體音樂(lè)播放及遠(yuǎn)程控制、讀取藍(lán)牙播放器音樂(lè)的TAGID3、來(lái)電鈴聲提示、下載藍(lán)牙手機(jī)內(nèi)的電話簿、自動(dòng)連接等。下面從通信的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和UART通信方面論述相關(guān)機(jī)制原理和開(kāi)發(fā)。

4 通信的實(shí)現(xiàn)機(jī)制
    BC5-MM的藍(lán)牙通信和本地通信都是基于Stream機(jī)制，它把數(shù)據(jù)傳輸路徑視為一個(gè)管道，管道的人口為Source，表示數(shù)據(jù)來(lái)源，出口為Sink，表示數(shù)據(jù)從這里發(fā)出。屏蔽底層具體實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)單方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其主要特性是串行和FIFO(先人先出)機(jī)制，對(duì)其開(kāi)發(fā)時(shí)，首先保證有足夠空間分配給收發(fā)數(shù)據(jù)，保證當(dāng)前指針正確。以免提通道數(shù)據(jù)發(fā)送為例，首先通過(guò)SinkClaim(HfpSink，DataLength)函數(shù)為免提通道的發(fā)送端口HfpSink分配DataLength長(zhǎng)度的內(nèi)存，然后判斷是否分配成功，若分配成功，則將該內(nèi)存賦值，再通過(guò)SinkFlush(HfpSink，DataLength)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。注意一旦通過(guò)SinkClaim分配DataLength長(zhǎng)度的內(nèi)存，必須通過(guò)Sink-Flush將其長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，這樣才能將HfpSink的發(fā)送指針轉(zhuǎn)移到正確位置，否則下次通過(guò)SinkClaim為HfpSink分配內(nèi)存，通過(guò)SinkFlush發(fā)送時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)免提通道上的發(fā)送數(shù)據(jù)使用上次分配的內(nèi)存數(shù)據(jù)，從而造成后面一連串發(fā)送錯(cuò)誤。因此必須深入理解BC5-MM的通信實(shí)現(xiàn)機(jī)制以完成正確的數(shù)據(jù)傳輸。

5 UART通信
    由于BC5-MM處理器資源有限，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單應(yīng)用，但復(fù)雜應(yīng)用則須借助外部處理器。這里選用BC5-MM+外部主處理器。這種架構(gòu)采用UART通信實(shí)現(xiàn)處理器之間的交互，綜合完成相關(guān)應(yīng)用。
    UART通信協(xié)議包括底層傳輸和應(yīng)用兩部分協(xié)議。其中傳輸協(xié)議定義了幀格式并選擇合適的校驗(yàn)機(jī)制和錯(cuò)誤處理機(jī)制，幀格式為：幀頭(0x55+0Xaa)+id(標(biāo)示該幀的含義)+dlc(數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度)+data(數(shù)據(jù)場(chǎng))+checksum(16位算術(shù)校驗(yàn)和)。按照幀格式，UART驅(qū)動(dòng)程序組合幀發(fā)送和解析接收數(shù)據(jù)幀，組合幀較簡(jiǎn)單，解析幀按照幀結(jié)構(gòu)定義相應(yīng)狀態(tài)以狀態(tài)機(jī)的概念解析ID和數(shù)據(jù)。
    UART作為一種串行通信，其采樣時(shí)刻的干擾會(huì)造成通信錯(cuò)誤，為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，需要對(duì)數(shù)據(jù)加校驗(yàn)判斷通信是否正確，有CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)及算術(shù)和校驗(yàn)兩種常用方式，CRC運(yùn)算速度最快的為查表法，但需消耗相當(dāng)大的內(nèi)存空間。對(duì)于CRC16而言，該表為256字即512字節(jié)，而B(niǎo)C5-MM應(yīng)用軟件的全局變量不能超過(guò)256字，顯然無(wú)法滿足查表法CRC16運(yùn)算要求，消耗內(nèi)存最少的是按位運(yùn)算法，其消耗內(nèi)存小，但運(yùn)算速度慢。而采用算術(shù)累加和的校驗(yàn)方式，不僅節(jié)省校驗(yàn)和計(jì)算時(shí)間，提高實(shí)時(shí)性，而且還滿足數(shù)據(jù)校驗(yàn)需要。
    應(yīng)用協(xié)議首先按照具體應(yīng)用定義相應(yīng)信號(hào)，然后將各個(gè)信號(hào)在幀內(nèi)組合封裝，狀態(tài)量和控制量是以位信號(hào)形式定義，來(lái)控制幀長(zhǎng)度。應(yīng)用協(xié)議的制定與特定應(yīng)用密切相關(guān)，需要針對(duì)特定應(yīng)用定義相應(yīng)的交互方式。

6 電話簿下載應(yīng)用中的UART通信
    電話簿下載是個(gè)大批量的數(shù)據(jù)傳輸，其解析和存儲(chǔ)都需消耗相當(dāng)大的內(nèi)存，BC5-MM通過(guò)藍(lán)牙從手機(jī)下載電話簿數(shù)據(jù)并通過(guò)UART傳輸?shù)街鰿PU，主CPU解析電話簿并存儲(chǔ)。該應(yīng)用要求是解析正確完全和快速完成。主處理器端采用多任務(wù)處理機(jī)制，UART接收任務(wù)接收BC5-MM傳輸?shù)碾娫挷緮?shù)據(jù)，電話簿解析任務(wù)和數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。
    這種方式如果接收快而解析慢，便會(huì)數(shù)據(jù)覆蓋，造成解析不完全。為了保證解析的正確完全，定義交互方式：BC5-MM從手機(jī)下載數(shù)據(jù)，通過(guò)UART幀VCARD傳給主處理器，主處理器解析完成后，通過(guò)UART幀NEXT_VCARD_REQ通知BC5-MM繼續(xù)下載，然后再傳輸?shù)街魈幚砥鳌?br />    這種方式保證傳輸和解析的完整，但速度太慢。對(duì)藍(lán)牙車(chē)載設(shè)備的用戶(hù)而言，電話簿傳輸速度是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，因此需改進(jìn)交互方式以提高電話簿下載速度。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在BC5-MM和主CPU間的交互占用大量時(shí)間，減少交互次數(shù)便可加快速度，這需要重新定義UART幀VCARD并對(duì)UART通信做相應(yīng)修改，采取BC5-MM從手機(jī)接連下載多包電話簿數(shù)據(jù)，定義第1包、中間包、唯一包和最后一包的標(biāo)識(shí)，在主處理器端組合后解析，解析完成后主處理器通知BC5-MM繼續(xù)下載，事實(shí)證明，這種方式可大大減少交互次數(shù)，從而提高下載速度。

7 結(jié)束語(yǔ)
    筆者結(jié)合已開(kāi)發(fā)的車(chē)載藍(lán)牙設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，介紹藍(lán)牙子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及BC5-MM器件特性。從單芯片開(kāi)發(fā)方式、通信的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和UART通信方面闡述BC5-MM軟件設(shè)計(jì)特性及實(shí)現(xiàn)方法，從而為那些采用BC5-MM開(kāi)發(fā)的工程師提供設(shè)計(jì)參考和借鑒。