Bluecore5-MM在車載藍牙設備中的應用

1 引言
??? 藍牙(Bluetooth)是一種短距離內語音及數據通信的無線技術。較其他無線協議，藍牙標準更完善，定義了各種應用的實現規范．保證設備間的互操作性，其應用及開發日益廣泛。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硬件結構和RF部分的電路設計，然后從單芯片開發方式、通信的實現機制和UART通信等方面詳細介紹BC5-MM特定軟件的開發和實現。

2 藍牙子系統結構
??? 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構設計，實現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為藍牙子系統的結構框圖。其中BC5-MM的關鍵特性如下：

??? (1)以單芯片形式集成藍牙系統的射頻和基帶控制、RISC結構的16位MCU和性能高達64 MI／s；的Kalimba DSP。其中MCU實現藍牙協議棧和應用軟件，DSP實現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，內置麥克風偏置電路，并具備一定的音頻輸出驅動能力。
??? (3)無線發射功率達+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程序調試、下載以及關鍵PSKEY屬性設置。
??? (5)內置LD0(低壓差線性穩壓器)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主要為內核供電，從而簡化電路設計。圖2為藍牙RF子系統電路設計，由于BC5-MM內部集成藍牙Modem，只需外接濾波器和天線便能實現RF子系統電路設計。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，保證藍牙手機能夠搜索到設備并將其配對連接。

3 單芯片開發方式
??? BC5-MM有兩種開發方式：一種是將BC5-MM作為藍牙基帶傳輸器件，協議棧及應用軟件全部由外部主處理器實現；另一種是將BC5-MM作為藍牙單芯片，實現協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方式，BC5-MM的軟件開發在CSR公司提供的Roadtunes-SDK上進行，該Roadtunes-SDK提供完成的協議棧和剖面庫，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。在該解決方案的基礎上開發軟件，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、下載藍牙手機內的電話簿、自動連接等。下面從通信的實現機制和UART通信方面論述相關機制原理和開發。

4 通信的實現機制
??? BC5-MM的藍牙通信和本地通信都是基于Stream機制，它把數據傳輸路徑視為一個管道，管道的人口為Source，表示數據來源，出口為Sink，表示數據從這里發出。屏蔽底層具體實現，以簡單方式實現數據傳輸。其主要特性是串行和FIFO(先人先出)機制，對其開發時，首先保證有足夠空間分配給收發數據，保證當前指針正確。以免提通道數據發送為例，首先通過SinkClaim(HfpSink，DataLength)函數為免提通道的發送端口HfpSink分配DataLength長度的內存，然后判斷是否分配成功，若分配成功，則將該內存賦值，再通過SinkFlush(HfpSink，DataLength)將數據發送出去。注意一旦通過SinkClaim分配DataLength長度的內存，必須通過Sink-Flush將其長度的數據發送出去，這樣才能將HfpSink的發送指針轉移到正確位置，否則下次通過SinkClaim為HfpSink分配內存，通過SinkFlush發送時，將會出現免提通道上的發送數據使用上次分配的內存數據，從而造成后面一連串發送錯誤。因此必須深入理解BC5-MM的通信實現機制以完成正確的數據傳輸。

5 UART通信
??? 由于BC5-MM處理器資源有限，可實現簡單應用，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。這種架構采用UART通信實現處理器之間的交互，綜合完成相關應用。
??? UART通信協議包括底層傳輸和應用兩部分協議。其中傳輸協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(數據場長度)+data(數據場)+checksum(16位算術校驗和)。按照幀格式，UART驅動程序組合幀發送和解析接收數據幀，組合幀較簡單，解析幀按照幀結構定義相應狀態以狀態機的概念解析ID和數據。
??? UART作為一種串行通信，其采樣時刻的干擾會造成通信錯誤，為了保證數據通信的可靠性，需要對數據加校驗判斷通信是否正確，有CRC循環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存空間。對于CRC16而言，該表為256字即512字節，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，消耗內存最少的是按位運算法，其消耗內存小，但運算速度慢。而采用算術累加和的校驗方式，不僅節省校驗和計算時間，提高實時性，而且還滿足數據校驗需要。
??? 應用協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組合封裝，狀態量和控制量是以位信號形式定義，來控制幀長度。應用協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據傳輸，其解析和存儲都需消耗相當大的內存，BC5-MM通過藍牙從手機下載電話簿數據并通過UART傳輸到主CPU，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傳輸的電話簿數據，電話簿解析任務和數據并存儲。
??? 這種方式如果接收快而解析慢，便會數據覆蓋，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從手機下載數據，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繼續下載，然后再傳輸到主處理器。
??? 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。通過分析發現，在BC5-MM和主CPU間的交互占用大量時間，減少交互次數便可加快速度，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據，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繼續下載，事實證明，這種方式可大大減少交互次數，從而提高下載速度。

7 結束語
??? 筆者結合已開發的車載藍牙設備的經驗，介紹藍牙子系統結構設計及BC5-MM器件特性。從單芯片開發方式、通信的實現機制和UART通信方面闡述BC5-MM軟件設計特性及實現方法，從而為那些采用BC5-MM開發的工程師提供設計參考和借鑒。