（通信与信息系统专业论文）基于车域网技术的车载无线终端的研制.pdf

摘要 本课题是江苏省高技术研究项目“移动自组织网络关键技术研究与应用 ( b g 2 0 0 3 0 0 4 ) ”和江苏省科技攻关计划项目“基于多网融合技术的接入设备及其终端 产品( b e 2 0 0 4 0 0 8 ) ”研究内容之一，主要任务是研制开发面向产业化的车载无线终端设 备。论文对车域网无线通信技术进行了研究，在对车载无线终端设计要求分析的基础 上，设计了系统的总体方案，分别研制实现了车载无线终端的软件和硬件，并对系统 的整体性能做了测试分析。 全文共分六章。第一章中介绍了课题的内容、背景以及全文的章节安排。第二章 首先分析了车域网的整体架构和技术要素，其次分别介绍了车域网内部和外部的无线 通信技术。第三章中首先分析了车载无线终端的功能定义和技术要求，然后根据要求 设计了两种系统方案，对方案的优缺点进行了综合比较，最后选定了本论文的实现方 案。第四章讨论了车载无线终端的硬件设计和实现，总结了设计中遇到的问题和解决 方法，硬件电路的设计主要包括蓝牙免提、g s m 模块、音频电路、调频耳机和电源电 路的设计等。第五章设计了车载无线终端的系统软件，分别编程实现了蓝牙嵌入式软 件以及蓝牙与g s m 接口软件，介绍了系统软件的工作流程，对软件降低蓝牙功耗的 解决方案进行了研究。第六章介绍了车载无线终端的调试和测试分析，对基本功能和 技术指标进行了测试，完成了系统整体性能的评估。 关键诃：车域网车载终端益牙g s m 网络低功耗 a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r ko f t h i st h e s i si so n eo f t h ep r o j e c t so f t h eh i 曲t e c h n o l o g yr e s e a r c h p l a na n dt e c h n o l o g yb r a i n s t o r mp l a no fj i a n g s up r o v i n c e t h e ya r en a m e dr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fm o b i l ea dh p cn e t w o r k ( b g 2 0 0 3 0 0 4 ) a n d d e v e l o p m e n to fa c c e s sa n dt e r m i n a lp r o d u c t sb a s e do nt h ea c r o s s m u l t i n e t w o r k t e c h n o l o g y ( b e 2 0 0 4 0 0 8 ) r e s p e c t i v e l y t h ep r i m a r yt a s ko ft h i st h e s i si st od e v e l o pv e h i c l e w i r e l e s st e r m i n a lw h i c hc a nb em a d ei n t o p r o d u c t i o n t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e so fv e h i c l ea r e an e t w o r ka r er e s e a r c h e di nt h et h e s i s t h es y s t e ms c h e m ei s d e s i g n e db a s e do nt h ea n a l y s i so fv e h i c l ew i r e l e s st e r m i n a lt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t s t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ev e h i c l ew i r e l e s st e r m i n a la r ee o m p l e t e da n dt h es y s t e m p e r f o r m a n c ei st e s t e d t h i st h e s i si sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r sa sf o l l o w s i nc h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n do f t h er e s e a r c ht a s ka n dt h ea r c h i t e c t u r eo f t h i st h e s i sa r e i n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，f i r s t l y , t h eo v e r a l lc o n s t r u c t i o na n dt e c h n i c a le s s e n t i a lf a c t o ro fv e h i c l e a r e an e t w o r ka r ea n a l y z e d a n ds e c o n d l y , t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e so ft h e i n t e r i o ra n de x t e r i o rv e h i c l ea r e an c t w o r ka r ei n t r o d u e e d i nc h a p t e r3 ，t h es y r s t e mf u n c t i o n sa n dd e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ev e h i c l ew i r e l e s s t e r m i n a la r ea n a l y z e d t w os y s t e md e s i g ns c h e m e sa r eg i v e n 1 1 1 ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa r ec o m p a r e d f i n a l l y , t h eb e t t e rs y s t e ms c h e m ei sc h o s e n i nc h a p t e r4 t h er e a l i z a t i o no f 山ev e h i c l ew i r e l e s st e r m i n a lh a r d w a r ei si n t r o d u c e d p r o b l e m sm e ti nt h ep r o j e c ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa r ed e s c r i b e d t h eh a r d w a r e d e s i g nm a i n l yi n c l u d e st h eb l u e t o o t hm o d u l e ，t h eg s mm o d u l e 。t h ev o i c e f r e q u e n c yc i r c u i t t h ef r e q u e n c ya d j u s t m e n te a r p h o n ea n dt h e1 9 0 w e tc i r c u i t i nc h a p t e r5 t h es y s t e ms o f t w a r ei sd e s i g n e d b l u e t o o t he m b e d d e ds o f l w a r ea n dt h e s o f t w a r eb e t w e e ng s ma n db l u e t o o t ha r er e a l i z e dr e s p e c t i v e l y t h es o f t w a r ew o r kf l o wi s p r e s e n t e d m e t h o d st or e d u c et h eb l u e t o o t hp o w e rc o n s u m p t i o na r er e s e a r c h e d i nc h a p t e r6 ，t h ev e h i c l ew i r e l e s st e r r a i n a ld e b u g g i n ga n dt e s ta r ei n t r o d u c e d t h e f u n d a m e n t a lf u n c f i o na n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sa r et e s t e d 弛e s y s t e m o v e r a l l p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni sc o m p l e t e d k 咿o r d 蚍咖c l ea r c an e 咖咄v e t l i c l e 锄i i l a l ，b l 毗i o t l l ，g s mn 咖o r k ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o n l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：燃师签名：她： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着社会快速地朝着信息时代迈进，越来越多的人和他们的车辆正依赖无线通信 技术紧密地联系在一起，这使得行车更加安全、便利和有效。汽车是一个独立的移动 空间，它是现代文明社会中与每个人关系最密切的一种交通工具，目前，世界范围内 的汽车数量已经十分庞大。以汽车为信息载体的通信产品和服务将加快无线车域网通 信技术发展的步伐。为了能把在家中或办公室里多样的通信服务延伸到车内，对车域 网技术提出了更高的要求。对于在任何时间，任何地方和任何人实现信息交流的要求 推动着车域网通信技术的不断向前发展。近年来，无线技术的高速发展与技术创新导 致了通信行业的革命性变革，也带来了一系列新的机遇与挑战。随着蓝牙、u w b 、 w l a n 、w i m a x 和3 g 等各种新的无线技术不断涌现，无线车域网( w i r e l e s sv e h i c l ea r e a n e t w o r k ，w v a n ) 的研究蓬勃发展，将会逐步满足车主用户不断增长的通信需求【”。 1 2 无线车域网发展现状 未来通信发展趋势的特点是灵活性、数字化、互联性、无处不在、整合性及私密 性，通信技术在汽车中的应用也应该符合这些发展的要求。无线车域网作为应用于汽 车通信系统的无线接入网络，其目的是实现车内信息终端的智能化互联，组建实用、 有效的信息网络。无线车域网有其不同于其他网络的要求，首先，必须能够实现信息 的无线传输，在个人信息终端多媒体化的情况下，需要信息交互具有较高的速率。另 外，在多种个人设备都处于高速移动的情况下，需要有简单灵活的组网方式。同时， 对于个人电子设备，低功耗和低辐射以减小对人体的影响等方面都是需要考虑的因素。 车域网主要包括两层的涵义：第一层是车内网络互联，车内各个设备闯构成无线 个域网。在汽车内部，智能手机、蓝牙耳机、无线传感器网络、笔记本和p d a 等能够 互相通信，传递数据信息。第二层是与车外的公众移动通信系统以及广域网、局域网 和互联网等进行数据与话音的通信，构成车外网络。通过无线车域网技术，车内的移 动终端除了可以和车内设备通过无线车域网通信以外，还可以通过接口转换与蜂窝网 的基站以及其他移动通信系统进行远距离通信。一方面人们可以实现车内网络互联， 信息的融合处理，另一方面还可以无缝地接入现有的p s t n 、蜂窝网络和外部卫星网 络等，享受远距离的通信服务。 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一个开放的、短距离无线通信技术标准，作为汽车无线通信 的一部分，它是目前实现无线车域网的主流技术之一。蓝牙技术可以用于在较小的范 围内通过无线连接的方式实现固定设备以及移动设备之间的网络互连，可以在各种数 字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。它支持点对点和点 对多点的工作方式，本身具有灵活组网的性能。采用蓝牙技术的数据传输速率大约为 1 m b p s ，可以支持多达3 个高质量的语音通道同时进行语音传输。 国际特殊兴趣小组( s p e c i a li n t e r e s t i n gg r o u p ，s i g ) 早在b l u e t o o t h1 1 标准发布 时就给出了有关b l u e t o o t h 语音应用的参考框架。它们是b l u e t o o t h 电话应用框架，包 括无绳电话应用框架( c o r d l e s st e l e p h o n ep r o f i l e ，c t p ) 、对讲机应用框架( i n t e r c o m p r o f i l e ，i n t p ) 、耳机应用框架( h e a d s e tp r o f i l e ，h s p ) 和车载免提应用框架( h a n df r e e 东南大学硕士学位论文 p r o f i l e ，h f p ) 等。 随着新技术的不断发展，无线车域网技术有着广泛的应用前景，在推动智能交通 的发展方面起着举足轻重的作用。未来的车载无线终端将会是一个集成的单一平台， 融合车内网络和车外网络通信服务的应用。我们的行车将变得更安全，更有乐趣。无 线通信技术的不断进步，势必推动无线车域网技术在汽车上的发展应用1 2 l 。 1 3 论文的主要内容以及各章节安捧 本论文主要任务是研制开发面向产业化的车载无线终端设备，把多样的通信服务 延伸到车内，使车主能够不受时问地点的限制享受便捷的通信服务。论文首先对车域 网的无线通信技术进行了研究，在对车载无线终端系设计要求分析的基础上，设计了 系统的总体方案，分别设计和实现了车载无线终端的软件和硬件，最后对系统功能迸 行了调试，对系统性能做了测试分析。 全文共分六章，各章内容安排如下： 第一章；绪论。介绍课题背景和意义以及各章节安排。 第二章：车域网技术分析。首先分析了车域网的整体架构和技术要素，其次分别 介绍了车域网内部和外部的无线通信技术。 第三章：车载无线终端总体方案。首先分析了车载无线终端的设计要求和技术要 求定义，然后根据要求设计了两种系统方案，对方案的优缺点进行了综合比较，最后 选定了系统的实现方案。 第四章：车载无线终端硬件设计和实现。设计了车载无线终端的硬件电路，总结 了设计中遇到的问题和解决方法，硬件电路的设计主要包括蓝牙免提、g s m 模块、音 频电路、调频耳机和电源电路的设计等。 第五章：车载无线终端软件设计和实现。设计了车载无线终端的系统软件，分别 编程实现了蓝牙嵌入式软件以及蓝牙与g s m 接口软件，介绍了系统软件的工作流程， 对软件降低蓝牙功耗的解决方案进行了研究。 第六章：车载无线终端调试和测试分析。介绍了车载无线终端的调试和测试分析， 对基本功能和技术指标进行了测试，完成了系统整体性能的评估。 2 第二章车域网技术分析 第二章车域网技术分析 国际汽车业的举动表明，信息服务将被列为汽车技术开发的重要指导方针。作为 现有广域网的一种补充和延伸，车域网技术的应用正不断扩展。蜂窝手机、车载免提 和车载导航仪等通信设备的出现已经极大地满足了人们通信的需要。如何把多样的通 信服务延伸到汽车内部使用，使车主能够不受时间地点限制的便捷通信一直是车内通 信应用的追求。这些需求的增长也推动了车域网技术不断向前发展。本章将首先介绍 车域网的整体架构，然后对车内网络和车外网络的通信技术做具体分析。 2 1 车域网的整体架构 车域网的整体架构主要分为车域网内部网络和车域网外部网络两部分。车域网内 部网络是指车内各个通信设备间构成无线个域网，汽车内部的智能手机、蓝牙耳机和 蓝牙笔记本等能够互联互通。车域网外部网络是车内网络在车外的延续，它和车外的 公众移动通信系统以及广域网、局域网和互联网等进行数据和话音的通信，使用户可 以在车上享受移动通信系统的各种服务。车域网的整体应用场景如图2 1 所示。 车内场景 图2 1 车域网的整体应用场景 在车域网内部网络中，车载无线终端通过无线通信技术把车内的各种电子设备连 接起来1 3 l 。这样可以使驾驶员手不离方向盘、眼不离行驶前方的情况下实现车内各种 信息的交换。在上述所示的车域网应用场景图中，通过车载无线终端，蓝牙手机、耳 机、无线传感网络的节点、蓝牙笔记本和p d a 等构成了车内的无线个域网。车主将充 分享受车内网络互联带来的安全和便利。当蓝牙手机来电时，电话自动转接到车载移 动终端上，通过车内的麦克风和音响来进行语音传输服务，这样就解放了司机的双手， 给用户带来方便的同时也降低了车辆事故发生的概率。当车内有多人在场时，车主为 了保护隐私需要进行隐秘通话。这一功能可以用调频耳机或蓝牙耳机来实现，只要把 耳机从车载无线终端上拔下，语音通话服务便自动转接到耳机中，就可以实现隐秘通 话的功能。车域网内部网络还可以融合无线传感器网络的应用。传感器网络的节点布 东南大学硕士学位论文 置在在整个车体的各个部分，通过特定的协议高效、稳定、正确的自组织起来，协同 工作，全方位的监控车内的温度、湿度、车速和空气指数等信息。车域网内部网络的 建立，车内电子设备互联和信息的整合给车内用户带来了极大的便利。 车域网外部网络实现的是远距离的通信和数据传输的服务，具体来讲就是与车外 的p s t n 网络、g s m 网络、卫星网络和互联网等进行数据和话音的通信。车载无线终 端通过配置g s m 模块来实现g s m 网络的接入功能。它可以作为车载电话独立使用， 当用户没有携带手机的时候，能够直接通过g s m 模块拨出电话。p s t n 网络的接入功 能需要与具有无线接入p s t n 网络功能的网关共同使用，当用户在停车场等p s t n 网 关的热点覆盖范围内，就可以实现无缝的切换到p s t n 网络，这样只需缴纳固定电话 费，对消费者来说既方便又节约，使得用户可以合理地支配通信开支。 2 2 车域网系统技术要素分析 汽车内部的通信环境与其它通信环境不同，不仅需要考虑汽车内部的各种干扰， 以及汽车内部复杂的接口规范等，还要考虑来自发动机和路面等噪声的影响。要在这 样苛刻的环境下提供高质量的通信和数据传输的服务，作为车域网内部的通信技术应 该具备哪些要素呢? 一般来说，应从以下几个方面考虑： 1 1 抗干扰设计 为了保证系统通信的可靠性和稳定性，车域网通信系统的设计必须能抵御汽车环 境内的严重干扰。车载环境中的干扰问题可分为两类，一类干扰来自同频工作的不同 类型的子系统，称为互干扰；另一类干扰来自附近的相同类型的其他子系统，称为自 干扰。 汽车上的负载多种多样，既有小阻抗、大电流的阻性感性负载，也有小电流、高 电压的脉冲发生装置，还有高频振荡信号源，它们不仅对外是潜在的干扰发射源，也 是对车载电子产品的干扰源。另外，由于高机动性，汽车也可能会处于各种难以想像 的从低频到高频的复杂电磁场中，车载无线终端通常由汽车电瓶供电，汽油机点火系 统高达几万伏的脉冲点火电压产生强烈的电磁辐射，这些电磁干扰耦合也会影响汽车 电子电气系统的正常运行。汽车内电磁兼容环境应是一个设备共存、互不干扰的环境。 对车载无线终端的抗干扰性能提出了很高的要求。抑制干扰源、阻断耦合以及提高敏 感设备的抗扰阈值是解决电磁兼容问题的有效措施。 另外，来自于不同的无线通信技术间的干扰也是我们设计时需要注意的地方，由 于工科医频段( i n d u s t r i a l ，s c i e n c ea n dm e d i c i n e ，i s m ) 的开放性，车内的各种无线通 信设备共同工作，因而网络间不可避免的存在干扰。为了避免干扰，各种标准在制定 之初就采用各种措施抵御干扰。其中比较有效地方法就是采用扩频技术。在扩频技术 中，又以跳频扩频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，f h s s ) 技术的效果最好。 跳频扩频技术是一种干扰对抗机制，在小区域无线多媒体通信中得到了广泛应用。 跳频技术采用正交的伪随机跳变图案以避免“碰撞”。但是在一个分散的系统中不可能 有理想正交的跳频图案，这就导致了两个或多个用户同时在同一频隙上发送信号，即 产生碰撞。碰撞的概率将随着系统中网络数量的增加丙增加，它会导致系统性能下降， 严重时使系统无法正常工作。 4 第二章车域同技术分析 规范的接口 一。 车域网系统正向智能化、信息化和网络化方向发展，在汽车内部有本来就有着复 杂的接口规范，无线通信技术在车域网系统中的广泛应用使得规范的接口成为一件必 须的事情。车域网内的无线通信系统应严格限制几何尺寸，具有规范的接口，从而可 以方便地集成现有的车载终端设备( 如车载免提、车载m p 3 等) 。车域网内的各种技 术( 如蓝牙、z i g b e e ) 本身并不构成独立的设备，它通常的使用模式是依附于现存的 各种设备，使其具有无线传输的功能。因此，对设备的要求必然是接口规范、易于开 发、体积小、便于同其它无线设备兼容等。 鳓节能管理 虽然车内有汽车电源的支持，但是有些情况下由于车主的需要，车域网内的设备 也要求具备支持移动的特性，从而方便用户的使用。为了侵车载无线终端设备达到便 携式的设计要求，必须为系统配备高性能的锂电池作为系统电源。在这种情况下，系 统的功耗特别值得我们注意。系统的功耗越低，其待机时间和通话时间就能够越长， 因此，低功耗设计也成为车域网系统设计中的一个关键因素。 在系统低功耗的设计过程中，不仅需要充分考虑系统的硬件设计，使用低功耗的 元器件，提高电源管理的性能和效率，优化系统的整体性能。软件的低功耗设计也是 是我们需要注意的地方，由于系统整体功耗的控制、外围电路模块的使用、调度和切 换等均需要通过软件来实现，所以，软件低功耗的实现也是降低整个系统功耗的至关 重要的因素。 铆音频处理技术 车域网环境中需要保证高质量的语音传输效果，来适应车内的环境，满足车主的 需求，所以音频处理技术就显得十分重要。汽车行驶过程中的噪音问题有两种：系统 内部噪声和背景噪声。在汽车高速行驶的情况下，汽车引擎，排气装置和车轮等都会 成为环境噪声的来源 4 1 。为了对抗车内复杂的工作环境，需要考虑回波抵消技术，音 频放大技术和语音编码技术等。 2 3 车域网内部的无线通信技术 蓝牙技术是一种典型的短距离无线传输技术，在无线车域网中具有广阔的应用前 景。通过蓝牙技术，我们不仅可以实现车载免提电话的功能，而且还能将带有蓝牙功 能的笔记本或p d a 连接起来组成车域网的内部网络。通过蓝牙，我们还能与附近的蓝 牙网关相连接，无缝的接入p s t n 网络，或是通监控中心进行数据传输，把车辆的行 驶信息传输到监控中心去。接下来将对蓝牙技术进行简要的介绍，并与其他短距离无 线传输技术进行比较。 2 3 1 蓝牙技术在车域网内的应用优势 作为世界上发展最快的短距离无线技术，蓝牙短距离无线传输技术在车域网内的 应用有着广泛的优势，主要归纳为以下几个方面： 采用无线传输技术，可穿透不同物质，扩展了蓝牙技术的应用范围； 采用跳频技术，能够抗信号衰落，抗干扰性强，不易窃听； 东南大学硕士学位论文 采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性； 采用前向纠错编码技术，可以减少随机噪声的干扰： 采用2 4 g h z 的i s m 频段，可以省去申请专用许可证的麻烦； 采用f m 调制方式，降低了设备的复杂性，使设备变得更为简单可靠； 支持移动组网，可以使多个运动中蓝牙设备组建网络，保持持续的网络连接； 支持语音和数据传输服务，在蓝牙手机和蓝牙笔记本等诸多无线产品中已经有了 广泛的应用； 另外，蓝牙无线产品还具有低耗电量，低成本、内置安全功能、耐用性和易用性 等优点。目前广泛应用于个人网络设备如手提电话、个人电脑、掌上电脑、耳机以及 免提系统等领域。凭借上述众多优势，蓝牙短距离无线传输技术已经成为车内无线通 信首选的关键技术，在车域网的环境中获得了广泛的应用。 蓝牙主要的技术参数如下所示： 工作频段i s m 频段，2 4 0 2 2 4 8 0 g i - i z 双工方式全双工，t d d 时分双工 业务类型支持电路交换和分组交换业务 数据速率1 m b s 非同步信道速率非对称连接7 2 1 5 7 6 k b s ，对称连接4 3 2 6 k b s 同步信道速率6 4 k b s 功率美国f c c 要求 6 0 d bs n 音频输出功率： 2 0m w r m s 通话时间：6 小时 待机时间：2 0 0 小时 通信范围：1 0 米 控制；4 个按钮用来音量的加，减、电话应答、拒接、重播静音 声音指示：通过语音报读来指示配对、接听电话和充电等状态。 电池：可充电1 2 0 0 m a 锂电池。 支持模式：h a n d s f r e e 和h e a d s e t 尺寸( 车载终端主机) ：2 0 0 + 5 0 1 2 m m 多手机配对：可达5 个手机 声音处理：回波抵消、噪声减少，高音过滤 扬声器：汽车自备 语音拨号：对于支持语音拨号的手机，可以实现无线终端的语音拨号 语音编码方式：u 律或a 律p c m ，连续可变斜率增量调制( c v s d ) 双工方式：时分双工( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 调制方式：b t = 0 5 的g f s k ，调制指数0 2 8 0 3 5 ，最小频偏不小于1 1 5 k h z 1 4 第三章车载无线终端总体设计 基带数据的时钟稳定度：优于2 0 p p m ，过零误差小于l ，8 码元宽度 允许载频漂移：2 5 k h z ( 单时隙包) 、4 0 k h z ( 三时隙包和五时隙包) 使用频段：2 4 g i - i z 载波频率：( 2 4 0 1 + 七) m h z ，七= o ，1 ，7 8 3 3 车载无线终端设计方案比较 多种无线通信技术的应用给车域网内终端的设计带来了很好的选择，为了满足车 载无线终端的功能和技术参数的要求，下面给出了两种车载无线终端的设计方案，并 对它们的优缺点进行了比较。 3 3 1 蓝牙免提接入方案 该方案中系统主要组成部分包括：蓝牙免提底座、控制面板和蓝牙耳机。普通手 机通过蓝牙适配器与蓝牙免提建立连接。蓝牙手机和普通手机均可以通过免提接听或 者拨出电话。手机、免提和耳机之间构成网络通信。系统方案的总体框图如图3 1 所 示。 蛰跫 k 图3 1 蓝牙免提接入方案系统框图 系统工作原理如下：当控制面板上的建链键按下后，系统开始建链。蓝牙免提分 别与手机及蓝牙耳机建链，其中耳机处于守候状态。免提设置为主模式，蓝牙耳机设 置为从模式。在默认情况下，手机与免提之间进行正常通信，一旦耳机从插座上拔出， 则给手机发出一个a t 指令，手机收到此信息后即与免提断链，同时与蓝牙耳机建链， 耳机与手机之间继续当前的通话。 方案特点： 1 ) 采用已有的蓝牙耳机模块进行开发，耳机开发过程较为简纠1 1 】。 2 ) 手机、终端和耳机构成通信网，网络结构较为复杂，增加了软件开发的难度。 3 ) 需要增加一个蓝牙模块作为耳机，增加了系统的成本。 ”2 融合蜂窝网络接入方案 该方案系统主要组成部分包括：蓝牙免提设备、g s m 模块、控制面板和调频耳机。 该方案与上一方案的主要区别：增加了与蓝牙免提交互的g s m 模块，用调频耳机代 替蓝牙耳机。 该方案是融合了蜂窝网络g s m 通信与蓝牙短距离语音接入的车载无线终端系统。 g s m 模块作为车载电话使用。用户可以用免提或者耳机接听手机的电话，也可以用免 提或者耳机接听车载g s m 的电话；同时用户也可以用此免提电话系统通过车载g s m 或者用户手机拨打电话。当用户手机或者车载g s m 有电话呼入时，用户均可以用此 东南丈学硕士学位论文 无线终端接听。当用户需要拨出电话时，先要通过控制面板选择用手机还是用车载 g s m 拨出电话。系统总体框图如图3 2 所示。 蓝牙手机 普通手机 麓缈 图3 2 融合蜂窝网络的接入方案系统框图 方案特点： 1 ) 融合了蜂窝网络和蓝牙语音接入的优势，车载无线终端具有独立的车载电话功 能，方便了车主的使用。 2 ) 调频耳机的设计避免了建立蓝牙网络，同时减少了一个蓝牙模块，降低了开发 成本。 3 ) g s m 模块的使用提高了系统的成本，要使g s m 模块与蓝牙模块协调工作， 会给系统软硬件开发带来较大的困难。 3 4 车载无线终端总体方案 综合考虑了两种设计方案的优缺点、系统实现的复杂度以及开发成本等多方面的 因素，我们选用了融合蜂窝网络接入的车载无线终端设计方案。该车载无线终端系统 方案能够实现蜂窝手机、车载电话和蓝牙手机的免提通话功能，以高质量的通话效果， 操作灵活方便为目标，能够很好的满足了司机的需求，解决司机通话和驾驶的矛盾， 降低行车过程中的安全隐患1 1 2 l 【1 3 】。车载无线终端系统主要分为g s m 子系统、蓝牙子 系统、耳机子系统、外围设备和电源管理单元等。车载无线终端系统的总体结构框图 如图3 3 所示。 图3 3 车载无线终端系统的总体结构框图 1 6 第三章车载无线终端总体设计 1 g s m 子系统 ， g s m 子系统用来实现车载g s m 电话的功能，当用户没有携带手机时，可以直接 从车载无线终端拨出电话。 g s m 子系统还负责实现控制管理的功能，对整个车载无线终端系统进行总体控 制，通过串口等完成对其他模块的控制操作，各种通信协议、话路切换、终端接入和 人机界面等均运行在控制模块之上。为了扩展车载电话的功能，还需要利用专门的语 音处理模块来实现语音报读和语音拨号等功能。 2 蓝牙子系统 蓝牙子系统的主要功能包括：同蓝牙手机进行配对、建立链接、接听和据接电话、 挂机、对手机进行远程控制以及通话服务的传输等。另外，蓝牙子系统还可以实现远 程音量调整、电话重拨和电话号码簿的查询等操作，通过串口向g s m 子系统传递振 铃信号和来电号码等信息。 3 耳机子系统 耳机用于实现车主的隐秘通话功能。耳机子系统分为耳机装置和座机装置两部分， 平时耳机装置插入到车载无线终端的座机中，同时可以给耳机中的电池进行充电，当 需要隐秘通话时，拔出耳机，此时切断主机的扬声器，话音通信转入到调频耳机中。 就可以实现通话服务的转接。通话完毕后，把耳机插入到座机中即可完成音频切换回 原先的状态。 3 5 车载无线终端接口定义 根据车载无线终端的总体设计方案，我们进行了终端的接口定义。车载终端的接 口主要分为四部分：主机接口、耳机托架接口、普通手机音频接口和调频耳机充电接 口。表3 1 到表3 4 中对各个接口部分做了具体描述。 表3 i 主机接口引脚定义及描述： 序号名称 i o 描述 1a u d i o - l +i 汽车音响左声道正极 2a u d i o l ，i 汽车音响左声道负极 3 s p k l + o 左扬声器正极 4s p k l o 左扬声器负极 5a u d l 0 - r +i 汽车音响右声道正极 6a u d l o r i 汽车音响右声道负极 7 s p k r +o 右扬卢器正极 8s p k r o 右扬声器负极 9a u d i o b i 斗o 汽车音响后左声道正极 1 0s p k - b l +i 汽车后左扬卢器上e 极 1 l a u d l o - b r +o 汽车音响后右声道正极 1 2s p k b r +i 汽车后右扬声器正极 1 3 + 1 2 v 免提电话供电电源 1 4g n d 电源地 1 7 东南大学硕士学位论文 表3 2 耳机托架接口引脚定义及描述 序号名称i o ( 相对于主描述 机) ll r d at x do i r d a 发送 2i r d ar x d i i r d a 接收 3mam l ci 音频插座上的m i c 信号 4mas p ko 音频插座上的s p k 信号 5mag n d 音频插座上的音频地 6mc t r lo 普通手机摘挂机控制 7h ssi 耳机状态，( 用于告诉主机，车主用免 提接听还是耳机接听) 8g n d 电源地 表3 3 普通手机音频接口 序号名称i o ( 相对于托描述 架) lmam l c i 音频插座上的m i c 信号 2mas p ko 音频插座上的s p k 信号 3mag n d 音频插库上的音频地 4mc t r lo 普通手机挂机控制 表3 4 耳机充电接口 i 序号名称i o ( 相对于托描述 架) h sv +o 充电器正极 2h sv 充电器负极 3 6 本章小结 本章首先对车载无线终端要实现的功能和设计要求进行了具体分析，然后设计了 车载无线终端的两种总体方案，并对它们的优缺点进行了比较。最后在分析比较结果 的基础上选定了车载无线终端的总体设计方案，接下来文章将分别介绍系统的软硬件 的设计和实现。 1 8 第四章车载无线终端硬件设计实现 第四章车载无线终端硬件设计和实现 根据上一章设计的总体方案，我们进行了系统的具体设计和实现。车载无线终端 的设计包含硬件系统的设计和软件系统设计两个部分，这两部分的设计是互相关联、 密不可分的，设计的过程中需要在硬件和软件之间进行权衡与折中。在这一章中将首 先介绍车载无线终端硬件电路的总体设计，然后分别对各个模块的硬件电路进行具体 设计和实现。 4 1 硬件电路总体设计 车载无线终端主机部分主要由g s m 模块、蓝牙模块回波抵消和功放模块、语音 拨号模块、音频切换开关和电源管理等模块构成。与外部的接口由蜂窝手机接口、耳 机接口、麦克接口、汽车音响扬声器接口和方向盘遥控器接口等组成。耳机模块和遥 控器模块的接收部分分开放置，耳机平时插在主机的耳机插座上充电。遥控器安装于 司机驾驶时方便操作的地方，如方向盘上。车载无线终端系统的硬件结构框图如图4 1 所示。 图4 1 车载无线终端系统的硬件结构框图 g s m 模块 g s m 模块采用熊猫电子集团的p m l 8 模块，主要为语音传输、短消息和数据业务 提供无线接口。模块拥有a r m 9 内核，集成了完整的射频电路和基带处理器，提供了 功能完备的系统接口，适合于无线产品的开发，应用范围广泛。 蓝牙模块 蓝牙模块负责实现同蓝牙手机或蓝牙网关的通信，采用c s r 公司的c s rb c 0 2 蓝 牙模块，内置h a n d s - f r e e 和h e a d s e t p r o f i l e 蓝牙协议栈，提供与蓝牙手机的空中接口， 通过无线链路传输语音和控制信息。b c 0 2 由功放、低噪放、收发切换开关和c o d e ( ? 等部分组成，集成了射频单元和基带控制器，内置微处理器单元和r a m ，通信距离可 以达到1 0 - - 1 0 0 米，能够较好的满足车载无线终端的通信要求。 1 9 东南大学硕士学位论文 音频处理模块 音频处理模块主要实现回波抵消、语音功率放大和音频切换处理等功能。 回波抵消电路用于车主在免提接听电话时，抵消由于麦克拾取的汽车扬声器的声 音而造成的回音以及无线线路产生的回声。回波抵消电路采用o k l 公司生产的 m s m 7 7 3 1 芯片。 功率放大用来对音频信号进行放大，驱动外接的扬声器，实现用户的免提通话。 功放电路采用美信公司的音频功放芯片m a x 9 7 0 4 音频切换开关有两组，一组为三选一开关，用于在蜂窝手机、车载电话和蓝牙手 机间选择一路音频信号。另一组为二选一开关，用于在汽车音响信号和免提音频信号 之间选择一路信号，送至汽车扬声器。 调频耳机 耳机装置中有调频解调电路，它对座机装置上的调频调制电路发来的音频信号进 行解调，通过微型扬声器播放出来。耳机上的接触开关用于接听方式的选择，在通话 过程中，耳机从托架取走时，接触开关通知g s m 模块关闭免提功放，音频信号直接 通过调频调制电路发射给耳机。当耳机放置在托架上时，充电器自动给耳机内的电池 充电，电池采用体积小、容量高的镍氢电池。该模块采用调频无线收发芯片k d 7 0 1 ， 芯片内部集成锁相环频率合成电路及高频振荡和静噪电路等，外围电路简单，适合车 载环境下的频率调制。 方向盘遥控器 方向盘遥控器用于向主机发送用户的摘挂机指令数据，同时主机向方向盘控制器 发送车载电话和蓝牙手机的主叫号码等信息，双方通过红外的方式实现信息的传输。 方向盘控制器由键盘、m c u 、l c d 显示器和电池等组成，通过一对p t 2 2 6 2 和p 他2 7 2 编解码芯片完成收发通信，具有很强的抗干扰性能。遥控器模块是整个系统的人机接 口，实现接听、挂机和主叫号码信息显示等功能。 外部接口 车载无线终端还有很多外部接口，主要有蜂窝手机接口、麦克风接口和汽车音响 接口等。蜂窝手机接口包含m i c 、s p k 、音频地和摘挂机控制信号，用于主机和蜂窝 手机问的音频传送和摘挂机控制。麦克接口用于拾取司机的语音信号。汽车音响接口 用于在汽车音响信号和终端音频信号的切换。 电源管理 电源的输入可以使用汽车电源，电源迸转换后给主机内各模块提供所需电压。同 时系统也自己配置了锂电池，这样无线终端不仅可以在车内使用，也可以应用在家庭 或办公室等其他地方。电源管理模块负责提供各模块所需电压。在电源模块设计时， 综合考虑平衡省电、体积和成本等多种因素，从整体上提高了电能的转化效率和使用 效率。 第四章车载无线终端硬件设计实现 4 2 蓝牙模块电路设计 4 2 1 蓝牙b c 0 2 芯片 蓝牙模块选用c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ( c s r ) 公司的b l u e c o r e 2 ( b c 0 2 ) 型芯片来 进行设计。b c 0 2 蓝牙系统共分为e x t e r n a l 、f l a s h 、r o m 和a u d i o 等4 个版本，相比 于e x t e r n a l 外加存储系统，f s s h 和r o m 版集成在芯片内部，本系统中开发使用的是 c s rb c 0 2 f l a s h 版本。 b c 0 2 f l a s h 芯片是蓝牙单片系统，该芯片集成了射频、基带以及可以运行蓝牙协 议栈和上层应用程序的处理器。芯片接口丰富，提供同步串行口、通用异步同步收发 器( u n i v e r s a l a s y n c h r o n o u s s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r s ，u a r t ) 、通用串行总线 u s b 、通用输入输出( p a r a l l e li n p u to u t p u t ，p i o ) 和p c m 接口等。芯片体积小，可通 过编程口设置模块，下载程序。片内包含有自动校准和内置的自检程序，可应用于蓝 牙手机、蓝牙耳机、个人数字助理、车载免提和蓝牙键盘等的开发。 b c 0 2 f l a s h 芯片框图如图4 2 所示。 r f i n r f o l r r 图4 2b c 0 2 - f l a s h 芯片框图 该芯片采用双电源供电。核心部件工作电压为1 7 1 9 v 。接口部件工作电压为 1 7 1 6 v ，工作温度为一4 0 一+ 1 0 5 摄氏度。芯片既能使用单端射频收发，也能使用双端 收发。提供功能强大的微波测试手段。发射功率最大为6 d b m ，使用大动态范围的快 速自动功率控制，在3 0 d b 范围内可控。接收机内部集成信道滤波器，采用高接收灵 敏度的数字解调器，信道间干扰小。实时提供接收信号强度指示( r s s i ) 。使用全集成 的压控振荡器( v c o ) ，不需要外部变容二极管和共振器。可以配合8 m h z 3 2 m h z 的晶 振工作。晶体振荡器的频率可以通过软件微调。内部集成了低功耗振荡器，专门用于 p a r k ，s n i f 和h o l d 模式。内部集成一个8 位a d c ，一个8 位d a c ，都可被编程使用。 芯片使用专用的逻辑电路进行前向纠错，包头差错控制，接入码相关运算，解调，循 环冗余检查，产生加密比特流，修整发送脉冲。 4 2 2 蓝牙模块电路设计 蓝牙模块的硬件电路设计包括蓝牙芯片、外接电源、键盘控制和天线等。b c 0 2 模块外接3 3 v 的电源和键盘控制。模块扩展了8 m b i tf l a s h 存储器，可以满足全速率 蓝牙语音和数据传输。模块分别通过p i o 口、u s b 接口、u a r t 口和p c m 接口与外 部模块进行信息的控制和