藍(lán)牙耳機(jī)是一種無線語音傳輸技術(shù),，是基于耳機(jī)在無線技術(shù)方面的延伸,。它是相配于藍(lán)牙技術(shù)而進(jìn)入多媒體個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的。隨著藍(lán)牙技術(shù)的日趨完善和藍(lán)牙產(chǎn)品市場占有率逐漸提升,，藍(lán)牙耳機(jī)在技術(shù)上也將不斷得到改進(jìn),，使之成為個人多媒體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的主要配套產(chǎn)品。藍(lán)牙耳機(jī)的應(yīng)用范圍除了手機(jī)以外,，PDA,、無繩電話應(yīng)用、汽車免提工具,、電話終端等,，也是藍(lán)牙耳機(jī)發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域。本文設(shè)計的藍(lán)牙耳機(jī)支持藍(lán)牙規(guī)范1．2版本，傳輸距離達(dá)10 m,，傳輸速率達(dá)723．2 kb／s,，并且具有低功耗和(幾乎)無輻射等技術(shù)優(yōu)點和優(yōu)勢。
1 藍(lán)牙技術(shù)
藍(lán)牙作為一種低成本,、短距離的無線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),，是由Ericsson、IBM,、Intel,、Nokia和Toshiba五家公司共同倡導(dǎo)的一種全球無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范,。它以低成本的短距離無線連接為基礎(chǔ),，為固定設(shè)備與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接。其實質(zhì)是建立通用的無線空中接口及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn),，實現(xiàn)設(shè)備問的電纜替代,。
藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范包括協(xié)議和應(yīng)用規(guī)范兩個部分。協(xié)議定義了各功能元素各自的工作方式,，整個藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)分為4層,，即核心協(xié)議層、線纜替代協(xié)議層,、電話控制協(xié)議層和采納的其他協(xié)議層,；應(yīng)用規(guī)范則闡述了為了實現(xiàn)一個特定的應(yīng)用模型，各層協(xié)議間的運(yùn)轉(zhuǎn)協(xié)同機(jī)制,。較典型的應(yīng)用規(guī)范有撥號網(wǎng)絡(luò),、耳機(jī)(headset)、局域網(wǎng)訪問和文件傳輸?shù)?。藍(lán)牙耳機(jī)的協(xié)議棧原理如圖1所示,。
2 硬件設(shè)計
硬件電路信號處理與控制部分采用Zeevo公司的基于ARM7的音頻處理器ZV4301。ZV4301處理器是在一個單芯片收發(fā)器上加入一個集成RF,、數(shù)字信號處理,、通信處理和運(yùn)算及控制處理功能的48 MHz APM7微處理器，片外擴(kuò)展閃存,，以實現(xiàn)需要技術(shù)和高度最佳化的音頻處理,。
編解碼芯片采用飛利浦公司的UDAl380音頻芯片。UDAl380是一顆專為便攜式產(chǎn)品所設(shè)計的單芯片立體聲音頻編解碼器,，可以提供立即可用的先進(jìn)音頻功能,。這顆音頻編解碼器具有24位數(shù)據(jù)路徑、多重時鐘支持,、DC偏移消除,、支持多重數(shù)據(jù)格式以及數(shù)字靜音檢測等集成功能,。本設(shè)計中，UDAl380利用與微控器接口作音控處理．并利用L3接口來控制音量,。
3 I2S總線
本設(shè)計在硬件電路上使用基于I2S總線的音頻系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。I2S(Inter-IC Sound bus)是飛利浦公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議,。
I2S總線只處理聲音數(shù)據(jù),，其他信號(如控制信號)必須單獨傳輸。為了使芯片的引腳盡可能少,，I2S只使用了三根串行總線,。這三根線分別是：提供分時復(fù)用功能的數(shù)據(jù)線(SD)、字段選擇線(聲道選擇WS),、時鐘信號線(SCK),。
此設(shè)計中采用電源統(tǒng)一供電，ZV4301作為主設(shè)備,，UDAl380作為從設(shè)備,。ZV4301使用3個通用I／O口來模擬I2S總線。其讀寫I2S總線的數(shù)據(jù)主要包括以下幾個函數(shù),；
word_selection(),； ／／字選擇函數(shù)
serial_clock()； ／／時鐘信號函數(shù)
serial_data(),； ／／ 串行數(shù)據(jù)函數(shù)
shift_register(),； ／／寄存器移位函數(shù)
4 軟件設(shè)計
VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)。良好的持續(xù)發(fā)展能力,、支持多種硬件環(huán)境,、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，使之成為所有獨立于處理器實時系統(tǒng)中最具特色的操作系統(tǒng),。
在該設(shè)計中,，軟件協(xié)議全部下載到藍(lán)牙設(shè)備內(nèi)核處理器的外置閃存中，操作通過人機(jī)接口控制,?；赩xWorks的軟件編寫工作主要包括：BSP包的改動、程序的編寫和操作系統(tǒng)的裁減,。由于VxWorks的高度靈活性,，可以很容易地對這一操作系統(tǒng)進(jìn)行定制或作適當(dāng)開發(fā)，來滿足系統(tǒng)的實際應(yīng)用需要,。BSP包的改動指根據(jù)目標(biāo)硬件實際配置修改系統(tǒng)的配置參數(shù)宏(MAC-RO),，主要修改config．h、makefile．h,、bspname．h文件,。
程序編寫函數(shù)主要包括以下7個,。
(1)系統(tǒng)引導(dǎo)函數(shù)
VxWorks操作系統(tǒng)在一些板級系統(tǒng)初始化后自動執(zhí)行tUsrRoot()函數(shù)，以完成初始化,。
tUsrRoot()
…… ／／必要初始化程序
vInitializeLmp(),； ／／LMP初始化完成
vInitializeL2cap()； ／／L2CAP初始化完成
vInitializeSdp(),； ／／SDP初始化完成
vInitializeRf(),； ／／RFCOMM初始化完成
vInitializeHA()； ／／HeadsetApplication初始化完成
exit(),； ／／退出
(2)系統(tǒng)初始化函數(shù)(以L2CAP為例)
typedet
{MSG_IDSdpToL2cap,；
MSG_ID L2capToSdp；
MSG_ID RfToL2cap,；
MSG_ID L2capToRf,；
MSG_lD HAToSdp；
MSG_ID SdpToHA,；
MSG_ID HAToRf,；
MSG_ID RfToHA；
}MSG_QUEUE_ID／／定義消息隊列1D結(jié)構(gòu)體類型
MSG_QUEUE_ID MsgQueueld,； ／／定義全局消息隊列ID結(jié)構(gòu)體,，用于存放每個消息隊列的ID
vInitlalizeL2caD()；／／L2CAP初始化,，包括初始化全局變量,、創(chuàng)建定時器、創(chuàng)建消息
／／隊列,、創(chuàng)建并啟動任務(wù)
(3)LMP軟件設(shè)計
基帶程序運(yùn)行在藍(lán)牙芯片的信號處理單元中,，而LMP程序運(yùn)行在藍(lán)牙芯片的微處理器中，它們通過郵箱來交換信息,。只要任何一方向郵箱發(fā)送了信息,，郵箱就會產(chǎn)生中斷信號，另外一方可以在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行信息讀取和處理,。其處理函數(shù)為,；
vLmpDealFromBB()
／／處理來自BaseBand層的消息以建立連接，對來自BaseBand層
／／的操作碼
決定接受與否,，并進(jìn)行鑒權(quán),、加密、處理或斷開等操作
(4)L2CAP軟件的設(shè)計
tL2capDealMsgFromSdp()
／／處理來自SDP層的消息SdpToL2eap,，生成L2CAP數(shù)據(jù)包,，把數(shù)據(jù)傳BaseBand層
tL2capDealMsgFromRf()
／／處理來自RFCOMM層的消息RfToL2cap，生成L2CAP數(shù)據(jù)包,，把數(shù)據(jù)傳BaseBand層
vL2capDealMsgFromBB()
／／處理來自BaseBand層的消息,，在處理器郵箱中斷程序被調(diào)用
(5)SDP軟件的設(shè)計
tSdpDealMsgFromL2cap()
／／處理來自L2CAP的消息L2capToSdp,，并上報搜索到的服務(wù)的屬性
tSdpDealMsgFromHA()
／／處理來自HeadsetApplieation的消息HAToSdp，對上報信息進(jìn)行應(yīng)答
(6)RFOOMM軟件的設(shè)計
tRfDealMsgFromHA()
／／處理來自HeadsetApplication的消息HAToRf,，生成RFCOMM數(shù)據(jù)包,，傳送給L2CAP
tRfDealMsgFromL2cap()
／／處理來自L2CAP的消息L2capToRf，對不同的幀進(jìn)行處理
(7)HeadsetApplication軟件的設(shè)計
tHADealMsgFronaSdp()
／／處理來自SDP的消息SdpToHA,，判斷是否正常并處理
tHADeaIMsgFromRf()
／／處理來自RFCMM的消息RfToHA,，對AT命令及其應(yīng)答作出處理
5 語音傳輸建立過程
藍(lán)牙耳機(jī)系統(tǒng)工作時總是藍(lán)牙語音網(wǎng)關(guān)(AG)和藍(lán)牙耳機(jī)(HS)成對出現(xiàn)的。其通信所用到的協(xié)議棧及實體如圖4所示,。
藍(lán)牙設(shè)備連結(jié)的建立遵循底層到高層的原則，即搜索藍(lán)牙設(shè)備,、建立鏈路,、服務(wù)搜索、建立信道,、建立連接和數(shù)據(jù)傳輸,。
以下是音頻連接建立的全過程。(以AG主動發(fā)起連接請求為例,。)
?、貯G首先發(fā)起查詢，通過查詢AG獲得HS的藍(lán)牙地址,。
?、贏G在應(yīng)用層的驅(qū)動下向查詢到的HS發(fā)起一個page進(jìn)程。當(dāng)接收到HS返回的應(yīng)答信號時,，AG與HS之間的ACL鏈接已經(jīng)成功建立,。
③一旦ACL鏈接建立,，即可以被用來傳送振鈴信號,。振鈴信號的發(fā)送是通過AT命令RING來完成的。
?、蹵CL鏈接好后,，接著建立L2CAP鏈路。AG首先在信令信道上發(fā)送一個鏈接請求信令L2CAP_req,，要求建立信道標(biāo)號為0x0040的L2CAP,。當(dāng)HS返回鏈接響應(yīng)信號時，表明0x0040信道已經(jīng)建立好,。然后對此信道進(jìn)行配置,，配置完信道后，就可以利用此CID(信道標(biāo)識符)為0x0040的L2CAP信道進(jìn)行SDP查詢,。
?、軦G在L2CAP信道上發(fā)送一個SDP查詢包,。SDP查詢包將查詢SDP服務(wù)器端HS是否具有所需要的服務(wù)。若查詢成功,，在ACL鏈路上,，AG再建立一條標(biāo)號為0x0041的l.2CAP鏈路，用來傳輸RFCOMM數(shù)據(jù),；同時,，斷開用作SDP查詢的標(biāo)號為0x0040的L2CAP鏈路。 ?、蕻?dāng)CID為0x004l的L2CAP信道建立好之后,，首先建立控制信道DICIO，AG在信道上發(fā)送一個SABM幀,，即要求建立RFCOMM層上的Channel O,。如果響應(yīng)方HS希望建立鏈接，返回一個VA幀,，表明已經(jīng)建立好了Channel 0這條RFCOMM信道,。此信道為控制信道,用來傳送攜帶控制信息和命令的UIM幀。如果響應(yīng)方HS不希望建立鏈接,，返回一個DM幀,。其次建立數(shù)據(jù)信道，先是對數(shù)據(jù)傳送信道的參數(shù)進(jìn)行協(xié)商,，協(xié)商命令PN參數(shù)包括對將要建立的信道Channel 1的優(yōu)先級,，最大幀長等，當(dāng)雙方協(xié)商好后建立傳輸數(shù)據(jù)的信道Channell,。
?、咄ㄟ^RFooMM信道傳輸HS控制層的AT命令，即在RFCOMM數(shù)據(jù)傳送信道Channe1上利用UIH幀傳送AT+CKPD命令,。當(dāng)接收到對方的響應(yīng)后,，就可以開始建立SCO鏈接。
?、郒CI(主機(jī)控制接口)發(fā)一個WRITE_VOICE_SETTING命令,，對音頻狀態(tài)進(jìn)行一些設(shè)置。當(dāng)接收到AG的建立SC0鏈接的請求時,，若HS允許,，發(fā)送一個接收的HCI命令，在命令完成之后,，傳輸音頻信號的SC0鏈路就建立好了,，此時就可以進(jìn)行語音通信。
結(jié)語
本文給出了藍(lán)牙及藍(lán)牙耳機(jī)系統(tǒng)的基本概念及其在軟硬件方面的具體實現(xiàn),。藍(lán)牙耳機(jī)使用戶擺脫線纜的束縛,，能夠在較大的自由空間內(nèi)通話,。由于采用專用的聲音編解碼芯片和標(biāo)準(zhǔn)音頻取樣率44．1 kHz，并經(jīng)過先進(jìn)的信號處理技術(shù),，能夠使聲音效果接近CD音質(zhì),，這樣也使藍(lán)牙耳機(jī)真正取代有線耳機(jī)成為可能。