Bluecore5-MM在车载蓝牙设备中的应用

Bluecore5-MM在车载蓝牙设备中的应用

1 引言
    蓝牙(Bluetooth)是一种短距离内语音及数据通信的无线技术。较其他无线协议，蓝牙标准更完善，定义了各种应用的实现规范．保证设备间的互操作性，其应用及开发日益广泛。这里采用Bluecore5-MM(简称BC5-MM)设计一款车载蓝牙设备。首先介绍BC5-MM的器件特性、车载蓝牙设备的蓝牙子系统硬件结构和RF部分的电路设计，然后从单芯片开发方式、通信的实现机制和UART通信等方面详细介绍BC5-MM特定软件的开发和实现。

2 蓝牙子系统结构
    车载蓝牙设备采用BC5-MM+32位外部嵌入式处理器的双处理器结构设计，实现USB音乐播放、蓝牙免提、蓝牙流媒体音乐播放、电话簿同步下载等功能，图1为蓝牙子系统的结构框图。其中BC5-MM的关键特性如下：

    (1)以单芯片形式集成蓝牙系统的射频和基带控制、RISC结构的16位MCU和性能高达64 MI／s；的Kalimba DSP。其中MCU实现蓝牙协议栈和应用软件，DSP实现音频和语音处理以及流媒体音乐文件的编解码。
    (2)独立的音频输入输出系统，内置麦克风偏置电路，并具备一定的音频输出驱动能力。
    (3)无线发射功率达+8 dBm，接收灵敏度-90 dBm，无需外部放大器，只需印刷电路板天线便可满足蓝牙射频规范Class 2要求，通讯距离达10 m。
    (4)具有USB、I2C、SPI、UART等多种接口，外接外部主控制器实现复杂应用。其中BC5-MM和主处理器通过UART进行通信，SPI接口用于BC5-MM程序调试、下载以及关键PSKEY属性设置。
    (5)内置LD0(低压差线性稳压器)可由外部3．3 V的电压生成1．8 V和1．5 V两种电压，其中，1．8 V主要为I／O口供电，1．5 V主要为内核供电，从而简化电路设计。图2为蓝牙RF子系统电路设计，由于BC5-MM内部集成蓝牙Modem，只需外接滤波器和天线便能实现RF子系统电路设计。这里，滤波器选用DBF81F104，该器件是SOSHIN专为蓝牙通信的可靠性。选用5 ppm的高性能RF晶体振荡器，并调整设置BC5-MM的关键PSKEY-Crystal Trim值，控制初始载波偏移在很小范同内，保证蓝牙手机能够搜索到设备并将其配对连接。

3 单芯片开发方式
    BC5-MM有两种开发方式：一种是将BC5-MM作为蓝牙基带传输器件，协议栈及应用软件全部由外部主处理器实现；另一种是将BC5-MM作为蓝牙单芯片，实现协议栈及部分应用软件，通过与外部主处理器的通信来综合完成相关应用。本设计选用后一种开发方式，BC5-MM的软件开发在CSR公司提供的Roadtunes-SDK上进行，该Roadtunes-SDK提供完成的协议栈和剖面库，车载应用的软件解决方案，以及虚拟机VM，用于单芯片方式的嵌入式开发。在该解决方案的基础上开发软件，其应用包括免提通话、信号强度、电池电量及短信提示、流媒体音乐播放及远程控制、读取蓝牙播放器音乐的TAGID3、来电铃声提示、下载蓝牙手机内的电话簿、自动连接等。下面从通信的实现机制和UART通信方面论述相关机制原理和开发。

4 通信的实现机制
    BC5-MM的蓝牙通信和本地通信都是基于Stream机制，它把数据传输路径视为一个管道，管道的人口为Source，表示数据来源，出口为Sink，表示数据从这里发出。屏蔽底层具体实现，以简单方式实现数据传输。其主要特性是串行和FIFO(先人先出)机制，对其开发时，首先保证有足够空间分配给收发数据，保证当前指针正确。以免提通道数据发送为例，首先通过SinkClaim(HfpSink，DataLength)函数为免提通道的发送端口HfpSink分配DataLength长度的内存，然后判断是否分配成功，若分配成功，则将该内存赋值，再通过SinkFlush(HfpSink，DataLength)将数据发送出去。注意一旦通过SinkClaim分配DataLength长度的内存，必须通过Sink-Flush将其长度的数据发送出去，这样才能将HfpSink的发送指针转移到正确位置，否则下次通过SinkClaim为HfpSink分配内存，通过SinkFlush发送时，将会出现免提通道上的发送数据使用上次分配的内存数据，从而造成后面一连串发送错误。因此必须深入理解BC5-MM的通信实现机制以完成正确的数据传输。

5 UART通信
    由于BC5-MM处理器资源有限，可实现简单应用，但复杂应用则须借助外部处理器。这里选用BC5-MM+外部主处理器。这种架构采用UART通信实现处理器之间的交互，综合完成相关应用。
    UART通信协议包括底层传输和应用两部分协议。其中传输协议定义了帧格式并选择合适的校验机制和错误处理机制，帧格式为：帧头(0x55+0Xaa)+id(标示该帧的含义)+dlc(数据场长度)+data(数据场)+checksum(16位算术校验和)。按照帧格式，UART驱动程序组合帧发送和解析接收数据帧，组合帧较简单，解析帧按照帧结构定义相应状态以状态机的概念解析ID和数据。
    UART作为一种串行通信，其采样时刻的干扰会造成通信错误，为了保证数据通信的可靠性，需要对数据加校验判断通信是否正确，有CRC循环冗余校验及算术和校验两种常用方式，CRC运算速度最快的为查表法，但需消耗相当大的内存空间。对于CRC16而言，该表为256字即512字节，而BC5-MM应用软件的全局变量不能超过256字，显然无法满足查表法CRC16运算要求，消耗内存最少的是按位运算法，其消耗内存小，但运算速度慢。而采用算术累加和的校验方式，不仅节省校验和计算时间，提高实时性，而且还满足数据校验需要。
    应用协议首先按照具体应用定义相应信号，然后将各个信号在帧内组合封装，状态量和控制量是以位信号形式定义，来控制帧长度。应用协议的制定与特定应用密切相关，需要针对特定应用定义相应的交互方式。

6 电话簿下载应用中的UART通信
    电话簿下载是个大批量的数据传输，其解析和存储都需消耗相当大的内存，BC5-MM通过蓝牙从手机下载电话簿数据并通过UART传输到主CPU，主CPU解析电话簿并存储。该应用要求是解析正确完全和快速完成。主处理器端采用多任务处理机制，UART接收任务接收BC5-MM传输的电话簿数据，电话簿解析任务和数据并存储。
    这种方式如果接收快而解析慢，便会数据覆盖，造成解析不完全。为了保证解析的正确完全，定义交互方式：BC5-MM从手机下载数据，通过UART帧VCARD传给主处理器，主处理器解析完成后，通过UART帧NEXT_VCARD_REQ通知BC5-MM继续下载，然后再传输到主处理器。
    这种方式保证传输和解析的完整，但速度太慢。对蓝牙车载设备的用户而言，电话簿传输速度是一个关键指标，因此需改进交互方式以提高电话簿下载速度。通过分析发现，在BC5-MM和主CPU间的交互占用大量时间，减少交互次数便可加快速度，这需要重新定义UART帧VCARD并对UART通信做相应修改，采取BC5-MM从手机接连下载多包电话簿数据，定义第1包、中间包、唯一包和最后一包的标识，在主处理器端组合后解析，解析完成后主处理器通知BC5-MM继续下载，事实证明，这种方式可大大减少交互次数，从而提高下载速度。

7 结束语
    笔者结合已开发的车载蓝牙设备的经验，介绍蓝牙子系统结构设计及BC5-MM器件特性。从单芯片开发方式、通信的实现机制和UART通信方面阐述BC5-MM软件设计特性及实现方法，从而为那些采用BC5-MM开发的工程师提供设计参考和借鉴。