1 引言
藍牙(Bluetooth)是一種短距離內(nèi)語音及數(shù)據(jù)通信的無線技術。較其他無線協(xié)議，藍牙標準更完善，定義了各種應用的實現(xiàn)規(guī)范．保證設備間的互操作性，其應用及開發(fā)日益廣泛。這里采用Bluecore5-MM(簡稱BC5-MM)設計一款車載藍牙設備。首先介紹BC5-MM的器件特性、車載藍牙設備的藍牙子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和RF部分的電路設計，然后從單芯片開發(fā)方式、通信的實現(xiàn)機制和UART通信等方面詳細介紹BC5-MM特定軟件的開發(fā)和實現(xiàn)。
2 藍牙子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
車載藍牙設備采用BC5-MM+32位外部嵌入式處理器的雙處理器結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)USB音樂播放、藍牙免提、藍牙流媒體音樂播放、電話簿同步下載等功能，圖1為藍牙子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。其中BC5-MM的關鍵特性如下：
(1)以單芯片形式集成藍牙系統(tǒng)的射頻和基帶控制、RISC結(jié)構(gòu)的16位MCU和性能高達64 MI／s；的Kalimba DSP。其中MCU實現(xiàn)藍牙協(xié)議棧和應用軟件，DSP實現(xiàn)音頻和語音處理以及流媒體音樂文件的編解碼。
(2)獨立的音頻輸入輸出系統(tǒng)，內(nèi)置麥克風偏置電路，并具備一定的音頻輸出驅(qū)動能力。
(3)無線發(fā)射功率達+8 dBm，接收靈敏度-90 dBm，無需外部放大器，只需印刷電路板天線便可滿足藍牙射頻規(guī)范Class 2要求，通訊距離達10 m。
(4)具有USB、I2C、SPI、UART等多種接口，外接外部主控制器實現(xiàn)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程序調(diào)試、下載以及關鍵PSKEY屬性設置。
(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，從而簡化電路設計。圖2為藍牙RF子系統(tǒng)電路設計，由于BC5-MM內(nèi)部集成藍牙Modem，只需外接濾波器和天線便能實現(xiàn)RF子系統(tǒng)電路設計。這里，濾波器選用DBF81F104，該器件是SOSHIN專為藍牙通信的可靠性。選用5 ppm的高性能RF晶體振蕩器，并調(diào)整設置BC5-MM的關鍵PSKEY-Crystal Trim值，控制初始載波偏移在很小范同內(nèi)，保證藍牙手機能夠搜索到設備并將其配對連接。
3 單芯片開發(fā)方式
BC5-MM有兩種開發(fā)方式：一種是將BC5-MM作為藍牙基帶傳輸器件，協(xié)議棧及應用軟件全部由外部主處理器實現(xiàn)；另一種是將BC5-MM作為藍牙單芯片，實現(xiàn)協(xié)議棧及部分應用軟件，通過與外部主處理器的通信來綜合完成相關應用。本設計選用后一種開發(fā)方式，BC5-MM的軟件開發(fā)在CSR公司提供的Roadtunes-SDK上進行，該Roadtunes-SDK提供完成的協(xié)議棧和剖面庫，車載應用的軟件解決方案，以及虛擬機VM，用于單芯片方式的嵌入式開發(fā)。在該解決方案的基礎上開發(fā)軟件，其應用包括免提通話、信號強度、電池電量及短信提示、流媒體音樂播放及遠程控制、讀取藍牙播放器音樂的TAGID3、來電鈴聲提示、下載藍牙手機內(nèi)的電話簿、自動連接等。下面從通信的實現(xiàn)機制和UART通信方面論述相關機制原理和開發(fā)。
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4 通信的實現(xiàn)機制
BC5-MM的藍牙通信和本地通信都是基于Stream機制，它把數(shù)據(jù)傳輸路徑視為一個管道，管道的人口為Source，表示數(shù)據(jù)來源，出口為Sink，表示數(shù)據(jù)從這里發(fā)出。屏蔽底層具體實現(xiàn)，以簡單方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其主要特性是串行和FIFO(先人先出)機制，對其開發(fā)時，首先保證有足夠空間分配給收發(fā)數(shù)據(jù)，保證當前指針正確。以免提通道數(shù)據(jù)發(fā)送為例，首先通過SinkClaim(HfpSink，DataLength)函數(shù)為免提通道的發(fā)送端口HfpSink分配DataLength長度的內(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SinkFlush(HfpSink，DataLength)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。注意一旦通過SinkClaim分配DataLength長度的內(nèi)存，必須通過Sink-Flush將其長度的數(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SinkClaim為HfpSink分配內(nèi)存，通過SinkFlush發(fā)送時，將會出現(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)送錯誤。因此必須深入理解BC5-MM的通信實現(xiàn)機制以完成正確的數(shù)據(jù)傳輸。
5 UART通信
由于BC5-MM處理器資源有限，可實現(xiàn)簡單應用，但復雜應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通信實現(xiàn)處理器之間的交互，綜合完成相關應用。
UART通信協(xié)議包括底層傳輸和應用兩部分協(xié)議。其中傳輸協(xié)議定義了幀格式并選擇合適的校驗機制和錯誤處理機制，幀格式為：幀頭(0x55+0Xaa)+id(標示該幀的含義)+dlc(數(shù)據(jù)場長度)+data(數(shù)據(jù)場)+checksum(16位算術校驗和)。按照幀格式，UART驅(qū)動程序組合幀發(fā)送和解析接收數(shù)據(jù)幀，組合幀較簡單，解析幀按照幀結(jié)構(gòu)定義相應狀態(tài)以狀態(tài)機的概念解析ID和數(shù)據(jù)。
UART作為一種串行通信，其采樣時刻的干擾會造成通信錯誤，為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，需要對數(shù)據(jù)加校驗判斷通信是否正確，有CRC循環(huán)冗余校驗及算術和校驗兩種常用方式，CRC運算速度最快的為查表法，但需消耗相當大的內(nèi)存空間。對于CRC16而言，該表為256字即512字節(jié)，而BC5-MM應用軟件的全局變量不能超過256字，顯然無法滿足查表法CRC16運算要求，消耗內(nèi)存最少的是按位運算法，其消耗內(nèi)存小，但運算速度慢。而采用算術累加和的校驗方式，不僅節(jié)省校驗和計算時間，提高實時性，而且還滿足數(shù)據(jù)校驗需要。
應用協(xié)議首先按照具體應用定義相應信號，然后將各個信號在幀內(nèi)組合封裝，狀態(tài)量和控制量是以位信號形式定義，來控制幀長度。應用協(xié)議的制定與特定應用密切相關，需要針對特定應用定義相應的交互方式。
6 電話簿下載應用中的UART通信
電話簿下載是個大批量的數(shù)據(jù)傳輸，其解析和存儲都需消耗相當大的內(nèi)存，BC5-MM通過藍牙從手機下載電話簿數(shù)據(jù)并通過UART傳輸?shù)街鰿PU，主CPU解析電話簿并存儲。該應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處理機制，UART接收任務接收BC5-MM傳輸?shù)碾娫挷緮?shù)據(jù)，電話簿解析任務和數(shù)據(jù)并存儲。
這種方式如果接收快而解析慢，便會數(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從手機下載數(shù)據(jù)，通過UART幀VCARD傳給主處理器，主處理器解析完成后，通過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。對藍牙車載設備的用戶而言，電話簿傳輸速度是一個關鍵指標，因此需改進交互方式以提高電話簿下載速度。通過分析發(fā)現(xiàn)，在BC5-MM和主CPU間的交互占用大量時間，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UART通信做相應修改，采取BC5-MM從手機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識，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
筆者結(jié)合已開發(fā)的車載藍牙設備的經(jīng)驗，介紹藍牙子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計及BC5-MM器件特性。從單芯片開發(fā)方式、通信的實現(xiàn)機制和UART通信方面闡述BC5-MM軟件設計特性及實現(xiàn)方法，從而為那些采用BC5-MM開發(fā)的工程師提供設計參考和借鑒。
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