（通信与信息系统专业论文）车域网中终端设备的设计与研制.pdf

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i ：作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注 l l 致鲥的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰丐过 的研究成果，也不包含为获得东南火学域其它教育机构的学位或证f 而使片j 过的材料。与我 一同 1 ：作的同，占对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明井表示了谢意。 签名：童叠 日期：竺塑疗2 0 8 关于学位论文使用授权的说明 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，可以公御( 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。 签名：”矿导师签名：雄 2 埤；目2 0 8 东南大学硕士学位论文 摘要 在众多的短距离无线通信技术中，蓝牙技术无疑是比较突出的一个，它的发展 和无线个域网的概念相辅相成，已经成为无线个域网的一个雏形。车域范围属于一 个典型的个人空间，运用蓝牙技术连接起来的车域网是一个典型的无线个域网，这 将是蓝牙技术应用的一个热点，并将具有非常广阔的市场前景。为此，摩托罗拧苏 州技术中心于2 0 0 1 年0 9 月成立了开发汽车蓝牙套件的项目组，丰要负责开发实现 汽车上的蓝牙免提和蓝牙耳机两种应用。作为项目组成员之一，论文作者丰要负责 系统硬件平台的设计与实现、底层软件驱动程序的编写以及系统的部分测试等工 作。本论文丰要基于该项目的实践，总结本人在开发研制中所做的工作。 全文共分六章。 第一章为绪论，首先对几种颇具代表性的短距离无线通信技术进行了分析比 较，之后就本项目课题背景作了介绍，最厉给出了论文的内容结构及章节安排。 第二章对蓝牙技术作了综述性的介绍，包括蓝牙的网络拓扑结构、蓝牙协议栈 以及蓝牙的应用模型等，并对蓝牙系统的实现结构进行了分析。 第j 、四、五章是本论文的重点。其中第二章在对蓝牙h a n d s f r e e 和h e a d s e t 两种应用模型分析的基础上，给出了车载蓝牙终端设备的系统设计方案：第四章详 细讨论了系统硬件平台的各部分电路设计：第五章先给出了系统级的软件结构框 架，之后着重对几个底层硬件驱动程序的设计与实现进行了描述。 第六章对基于g c o s i i 的单d s p 处殚器的系统改进方案作了分析设计。 第1 贞 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a m o n gs e v e r a lw i r e l e s ss h o r t d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nt e c l m o l o g i e s ，u n d o u b t e d l y b l u e t o o t hi so u t s t a n d i n g ，b l u e t o o t hw a sd e v e l o p e dw i t ht h ec o n c e p t i o no fw p a n r 、j r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k la n dh a sb e c o m ear u d i m e n to fw p a n v e h i c l ea r e aj s at yp i c a lp e r s o n a la r e a ，a n dt h ev a n ( v e h i c l ea r e an e t w o r k ) c o n n e c t e dw i t hb l u e t o o t h i sat 3p i c a lw p a ni tw i l lb eah o t s p o to ft h eb l u e t o o t ha p p l i c a t i o na r e a sa n dc o n t a j na b r o a dr e a l k e tp r o s p e c t i ns e p t e m b e r2 0 0l ，m o t o r o l as u z h o ut e c h n o l o g yc e n t r e e s t a b l i s h e dap r o j e c tg r o u pt od e v e l o pb l u e t o o t hc a rk i t sf o ri m p l e m e n t i n gh a n d s f r e e a n dh e a d s e ta p p l i c a t i o n si nc a r b e i n gam e m b e ro f t h ep r o j e c tg r o u p ，i 、a sc h a r g e dw i t h h a r d a r ep l a t f o r mi m p l e m e n t s o f t w a r ed e v i c ed r i v e rd e v e l o p m e n ta n ds 、s t e mt e s tt h i s t h e s i si sa l s ow r i t t e nb a s e do i lt h ep r o j e c td e v e l o p m e n t t h i st h e s i sc o n s i s t so fs i xc h a p t e r s i n c h a p t e r1 ，w ec o m p a r e s e v e r a l t e c h n o l o g i e s o fs h o r td i s t a n c ew ir e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n di n t r o d u c e dt h ep r o j e c tb a c k g r o u n da n dt h ea r c h i t e c t u r e o f t h i 5t h e s i s i nc h a p t e r2 ，t h eb u e t o o t ht e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nb r i e f , i n c l u d i n gt h eb l u e t o o t h n e t 、o r kt o p o l o g y ，p r o t o c o ls t a c ka n da p p l i c a t i o np r o f i l e s t h ef r a m e w o r ko fb l u e t o o t h s 3s t e mi sa l s oa n a l y z e da tl a s t c h a p t e r3 4a n d5a r et h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i s j nc h a p t e r3 ，b a s e do nt h e a n a bs e so f b l u e t o o t hh a n d s f r e ep r o f i l ea n dh e a d s e tp r o f i l e w ep u tf o r w a r dt h es ) s t e m d e s i g ns c h e m eo fo u rp r o j e c t ，i nc h a p t e r4 w ed i s c u s st h ei m p l e m e n ts c h e m eo ft h e s 3s t e m h a r d w a r ep l a t f o r mi nd e t a i l s i nc h a p t e r5 w ei n t r o d u ct h es y s t e ms o f t w a l e a r c h i t e c t u r ef i r s t l y ；l a t e r ，w ep u to u re m p h a s i so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n to fs e v e r a l h a r d 、a r ed r i v e r s i nc h a p t e r6 ，t h ei m p r o v e ds y s t e md e s i g ns c h e m eb a s e do nas i n g l ed s pa n dp c o s jj i ；g i v e na n da n a l y z e d 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 随着社会经济的迅速发展，人们对随时随地能够提供信息服务的移动计算和宽 带无线通信的需求越来越迫切。无处不在的网络终端，人性化、个性化、智能化的 移动计算，以及方便快捷的无线接入、无线互联等新概念和新产品，已经逐渐融入 到人们的工作领域汞1 日常牛活中。随之而来的便携式终端以及与无线通信相关的新 技术层出不穷，而其中短距离无线通信技术的发展更是百花齐放、令人目不暇接。 短距离宽带无线通信技术的应用具有非常广阔的市场前景，它们正受到世界各国工 业界与研究机构的广泛关注。 1 2 几种典型的短距离无线通信技术 本节丰要对几种与蓝牙处于竞争或瓦补地位的短距离无线通信技术进行比较， 这些短距离无线通信技术主要集中在无线局域网和无线个域网标准。 图1 1 描述了几种短距离无线通信技术与传输距离、带宽、载频以及应用场合 分布的关系“1 。 一1 r d 仲咖】i 川m b 嘲i 8 0 2 l l a 5 g h z 5 0 m b p s l 二_ 一h i p e r la n 2 5 g i t z 5 0 m b p s 】 r 乏叶h o 叫m e 赢r f 2 。4 g h z , 2 慕，l 1 0 m b p spu d i o v i d to d a t a d e s k t 。p c n8 0 2 24 gh z ，1 i m b p s l a u t o i n o t i 、ep c ：、t：。8。0，、2：。1。1，2。：4。g。h。z，2。m。b。p。s。l】： i m b p s 1 3 gs n l a r id h o n l m p 3 1 9 1：l v e r 一 j ：j ：i e 、。a r a 。：= 。i ：i ：、叫e “。：。n t z 。g 一：，：t t n ，】 l i e a d n l l o l l e s e r i a lc o n n e c t i o n r e n l o t ec o n t r o l l c r 1 1 1o m5 0 ml o o n l 图1 1 无线应用与需求分布图 第6 贞 东南大学硕士学位论文 可以看出其中有些与蓝牙在技术利功能上部分重叠，有些与蓝牙在功能和应用 场合上互补。下面就在简要介绍这几种短距离无线通信技术特征的基础上分析各自 的优缺点。 1 2 1 i e e e 8 0 2 1 1 i e e e 设立的8 0 2 11 工作组旨在为无线局域网( w l a n ，w ir e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) 制定标准。1 9 9 7 年6 月2 6 日，i e e e s 0 2 11 标准制定完成，并于同年的 11 月2 6 日正式发布。承袭i e e e 8 0 2 系列，8 0 2 11 规范了无线局域网络的物理 ( p h y ，p h y s i c a l ) 层利媒体访问控制( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层，使得 不同商的无线产品得以互联。 在物理层，8 0 2 1 1 定义了三种不同的物理传输介质：直接序列扩频( d s s s ， d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) 、跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m ) 以及红外传输方式。为了尽量减少数据的传输碰撞利重传，防止各站点 无序地争用信道，8 0 2 1 1 在m a c 层采用了与以太网中的带有检测冲突的载波监听 多路访问( c s m a c d ，c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l i i s i o nd e t e c t i o n ) l 办议 相类似的带有避免冲突的载波监听多路访问( c s m a c a c m t i e rs e n s em u l t i p e a c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e j 协议，从而能够避免网络中冲突的发生，大幅度 地提高网络效率。 2 0 0 0 年8 月，8 0 2 11 标准得到了进一步的完善汞i 修订，并成为i e e e a n s i 和 i s o i e c 的一个联合标准。这次8 0 2 i1 标准的修订内容包括用一个基于简单网络僻 理i 办议( s n m p ，s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 的书殚信息库( m i b m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 来取代基于o s il 办议的m i b 。另外还增加了两项内 容： i e e e s 0 2 1 | a ：它扩充了标准的物删层，规定该层使用5 8 g h z 的i s m 频 段。该标准使片j 正交频分多路复用( o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x ) 调制数据，传输速率范嗣为6 5 4 m b p s 。 i e e e 8 0 2i1b ：它是i e e e 8 0 2 1 l 标准的另一个扩充，规定采用2 4 g h zi s m 频段，调制方式采用补偿码键控( c c k c o m p l e m e n t a lc o d ek e y i l l g ) 。c c k 来源 于直接序列扩频技术，多速率机制的媒体访问控制确保当工作站之间距离过长或干 扰太大、信噪比低于某个门限时，传输速罨置能够从i1 m b p s 自动降到5 5 m b p s ，或 者根据直接序列扩频技术调整到2 m b p s 和lm b p s 。i e e e 8 0 2 1i b 支持两种速率 55 m b p s 利li m b p s ，而且可以与迷牢为1 m b p s 和2 m b p s 的i e e e 8 0 2 1 d s s s 系统 交瓦操作。 第丁贞 东南大学硕士学位论文 从目前的趋势看以采用高速牢( 1 1 m b p s ) 直接序列扩频方式的i e e e 8 0 2 1i b 将在一定时期内占丰导地位。丰要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户 终端的无线接入，业务丰= 要限于数据存取。无线局域网的网络速度与以太网相当。 一个接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 最多可支持1 0 0 多个用户的接入，通过中继可以使 它的传输距离达到几十公里“。 1 2 2i r d a 红外数据通讯 为了建立一个统一的红外数据通信标准，1 9 9 3 年，由h p 、c o m p a q 、i n t e l 等二十多家公司发起成立了红外数据l 办会( i r d a ，i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 。 i r d a 制定的一系列红外数据通讯标准形成了红外数据通讯技术的基础，这些i r d a 标准丰要包括二个摹本的规范利咖议：物理层规范、连接建立协议i r l a p 利连接竹 理协议i r m a p 。在i r l a p 和i r l m p 的基础上，针对一些特定的红外通讯应用领 域，i r d a 还陆续发布了一些更高级别的红外咖议，如t i n y t p 、i r o b e x 、 i r c o m m 、i r t r a n p 等。 i r d a 作为- - t e e 短距离红外线通信技术，适合于低成本、跨平台、点剥点高述 数据连接，尤其是应用于嵌入式系统之中。由于红外线的波长较短，对障碍物的衍 射能力较差，故它只能进行短距离的点对点的直线数据传输。它的有效通讯距离约 为2 米，在数据传输迷率方面，早期的版本s i r ( s e i a ii n f r a r e d ) 支持的最高速率 为1 1 5 2 k b p s ：玑在已被广泛使用的f i r ( f a s ti n f r a r e d ) 支持4 m b p s ；而支持 1 6 m b p s 的v f i r ( v e r yf a s ti n f r a r e d ) 也已经发布。i r d a 支持话音数据流利呼叫 控制，话音数据流和呼叫控制信令都承载丁：t i n y t p 协议上：h d a 的数据通信丰婴 建立在o b e x 的基础上，立足1 二各种数据对象的高速交换与处理，提供了众多的 数据对象格式和灵活的操作方式。i r d a 也提供了虚拟串口平并口，供应用程序选 择使用。 h d a 具有这样。些优点：数据传输速率高，适合于传输容量较大的数据- 鬈：蓑嚣鬟麟。 、 瓠黄链踏的拧制千保持 【人罐的低砸叫要求的比特 产数据处州任务总有刚【1 l 】 j的敏感性 t 一 拟l u f j 图26 从实时性和资源需求角度进行分割的蓝牙防议栈 丰机| _ 力1 议层剥时问要求不是特别严格，但它可能有大量的缓存需求以应伺大量 的数据包处理任务。如此看来，丰机胁议层似乎并不适合与基带层部分共存在同一 个处理器中。 应用层包括高层的饩弹实体和用户界面，这一层是与丰机曲，议层紧密相连的。 这二部分的处殚器资源需求大致为： 基带层( l c 、l m 、h c i ) ：1 0 1 5 m ! p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e r s e c o n d ) 。 第1 9 贞 l ， 东南大学硕士学位论文 主机协议层( h c i 、l 2 c a p 、r f c o m m 、s d p ) ：1 5 m i p s 。 应用层：其需求难于定量，应该根据具体的应用模型而定，例如实现一个蓝 牙耳机应用只需要非常少的m i p s ，而实现一个局域网接入点的应用则将需 要多的多的m i p s 。 针对资源需求不同的各种应用，仂、议栈的分割方式也是不相同的。作为于机附 件的个蓝牙予系统，由于应用层相对简单，一直到应用层的整个蓝牙盼议栈都可 以运行在一个c p u 上，如图27 所示。不过在于机的处理器上，需要有与蓝牙f 办 议栈接口的m m i 和控制功能的应用程序，由于这部分不是实时组件，故它们与 g s m 栈运行在同一个c p u 上应该问题不大。对于象蓝牙耳机这种简单的应用，整 个系统完全可以在个c p u 上实现，如图2 8 所示。如果是一个完全实现的具有 较多应用的蓝牙系统，显然用一个c p u 来实现整个系统是不够的，这时候可以将 主机协议层与应用层放在丰机c p u 上运行，通过一个标准的h c i 传输层( u s b 、 u a r t 、r s 2 3 2 ) 再与蓝牙模块部分进行连接，如图2 9 所示。 图2 7 作为下机附件的个蓝牙了系统 第2 0 贝 东南大学硕士学位论文 图2 9 完全实现的具有较多应用的蓝牙系统 东南大学硕士学位论文 2 5 2 硬件集成方案 前面已经从系统实现角度对整个蓝牙1 力4 y 栈进行了分割，下面将要讨论的问题 是如何用硬件来实现一个蓝牙系统。不同的应用需求可能会采用与其相适应的硬件 集成方案。下面就对几种可能的硬件集成方案进行讨论“1 。 两片解决方案 目前市场上最常见的解决方案是将射频部分与摹带部分相分离，如图21 0 所 示。射频电路一般是用b i c m o s 工艺( 占用较大的面积，较昂贵，似易于实王兕所 需的射频。i 生- f i ) 来实现的：而数字电路部分采用的是c m o s 工艺( 面积更小，更 便宜，较低的功耗，但难于实现射频电路所需要的性能) 。采用这种方案，便可以 灵活选用不同一商提供的蓝牙射频模块。 图2 1 0 两片解决方案( 基带到h c i + 射频收发器) 单片解决方案 这种方案中从基带到h c i 部分的数字部分与射频部分都集成在一起，如图 2 11 所示。将射频电路部分与数字电路集成在一起，需要解决两个问题： ( 1 ) 标 准的c m o s 工艺必须提高以提供射频电路所要求的低噪声和高f t ( t r a n s i t i o n f r e q u e n c y ) 特性。( 2 ) 必须防止来自数字电路部分的干扰和噪声通过衬底混入射 频电路。单片解决方案带来的好处是降低了的成本，最小的封装尺寸，并且不需要 考虑外部的射频电路甚至还可能将天线集成到芯片的表面。这时需要的外部连接 就只有电源部分、传输浯音的p c m 端i a 利传输数据的h c i 端 j 了。 图2 ，l l 单片解决方案 东南大学硕士学位论文 完全嵌入式的解决方案 这种方案非常适合于象数字相机、手机、p d a 等复杂的产品，它们利用一块 大规模的a s c i 将系统级的功能模块都集成在一起。而在p c b 板上只需要外加一 个小的射频收发器和少量的无源器件。其示意如图2 1 2 所示。 绷魄m 优删。，圜删。灿。隧 h o s tl o g i c ( i e g s ma u d i o 2 6 本章小结 蓝牙是一种低功耗、短距离的无线通信技术，其最基本的网络结构为匹克网， 几个相邻的匹克网可以构成一个散射网络。蓝牙规范不但制定了其通信协议，同时 还对各种应用模型作了定义，每种蓝牙应用都必须符合其相应的应用模型规范。 根据不同的应用需求，蓝牙的系统实现也可能采用不同的硬件集成方案，目前最常 见的是两片解决方案。 第2 3 贞 东南大学硕士学位论文 第三章车载蓝牙终端设备的系统方案设计 3 1 概述 项目所研制的车载蓝牙终端设备需实现免提电话和蓝牙耳机的功能，本章在对 蓝牙h a n d s f r e e 和h e a d s e t 两种应用模型分析的基础上给出了系统实玑的结构框 图。 3 2 蓝牙h a n d s f r e e 和h e a d s e t 应用模型分析 为了保证蓝牙设备之间具有良好的互操作性，所研制的带蓝牙h a n d s f r e e 和 h e a d s e t 功能的车载终端设备必须符合s i g 规定的h a n d s f r e e 应用模型“1 利 h e a d s e t 应用模型“1 。这两种应用模型与其它应用模型之间的层次关系如图3 1 所 不。 图31h a n d s f r e e 利h e a d s e t 应用模型的层次结构 筇2 4 贞 东南大学硕士学位论文 从3 1 图可以看出，蓝牙h a n d s f r e e 应用模型与h e a d s e t 应用模型都是建立在 通用接入应用模型( g e n e r a la c c c e s sp r o f i l e ) ”1 和串口应用模型( s e r i a lp o r t p r o f i l e ) “基础上的，无论是直接还是间接地建立在其他的应用模型之上，都需要 遵循这些应用模型的瓦操作性要求。 蓝牙h a n d s f r e e 应用模型定义了下面两个功能单元： 语音网关( a g ，a u d i og a t e w a y ) ：典型的充当语音网关角色的设备是蜂窝 电话，它既要处理免提终端往外部网络的电话呼出，同时也要处理来自外部 网络的电话呼入。 免提终端( h f ，h a n d s f r e eu n i t ) ：免提终端充当着语音刚关的远端语音输 入输出的机制，它也提供了一些远程控制的方式。 图3 2 表示了蓝牙h a n d s f r e e 的应用场景：免提终端安装在汽车上，而支持蓝 牙免提应用的蜂窝电话则充当了语音网关的功能。借助于充当语音网关的蜂窝电 话，车内用户通过使用免提终端便可以实现拨打利接听电话的功能，从而提高了车 辆行驶的安全性。 图3 2 蓝牙h a n d s f r e e 的应用场景 图3 3 蓝牙h a n d s f r e e 应用模型的 力、议栈结构 第2 5 贞 东南大学硕士学位论文 蓝牙h a n d s f r e e 的1 办议栈结构如图3 3 所示。其中免提控制实体( h a n d s f r e e c o n t r 0 1 ) 负责免提终端的专用控制信令，这些控制信令是基于a t 指令集的：语音 端口仿真实体( a u d i op o r te m u l a t i o n ) 用来在语音网关- a n 仿真出一个语音端口； 而语音驱动( a u d i od r i v e r ) 则是免提终端上的驱动软件。 同样蓝牙h e a d s e t 应用模型也定义了两个功能单元：语音网关( a g ，a u d i o g a t e w a y ) 和耳机( h s ，h e a d s e t ) 。图3 4 和图3 5 表示了蓝牙h e a d s e t 两种典型 的应用场景。利用蓝牙耳机不仅保持了通话的私密性，同时也提高了用户的移动 性。 图3 4 蓝牙h e a d s e t 的应用场景之一 图3 5 蓝牙h e a d s e t 的应用场景之二 蓝牙h e a d s e t 的协议栈结构如图3 6 所示，可以看出其结构与蓝牙h a n d s f r e e 的协议栈结构是非常相似的。 图3 6 蓝牙h e a d s e t 应用模型的协议栈结构 第2 6 贞 东南大学硕士学位论文 在应用层，蓝牙s i g 规定了h a n d s f r e e 应用模型中h f 和a g 必须支持以及可 选支持的功能特性，具体如表3 1 所示。 功能特性h f 支持a g 支持 连接管理 必须必须 话务状态信息必须必须 语音连接处理 必须必须 接受一个呼入的电话 必须必须 拒绝一个呼入的电话 必须可选 结束一个通话 必须必须 通话过程中的语音通道转移必须必须 从h f 端发起一个电话呼叫可选必须 从电话本上发起一个电话呼叫可选必须 重拨上一次电话呼叫可选必须 呼叫等待通知 可选必须 三方通话可选必须 来电显示可选可选 回声抵消刹噪声抑制处理 可选 可选 语音识别可选可选 声控拨号 可选 可选 传输d t m f 信号可选必须 匹蜥首堑弪带9可选必须 表3 ih a n d s f r e e 应用模型对a g 和h f 支持功能特性的规定 h e a d s e t 应用模型中规定的h s 和a g 必须支持以及可选支持的功能特性如表 功能特性h s 支持a g 支持 呼入语音连接必须必须 呼出语音连接必须_ j 选 通话过程中的语音通道转移必须必须 远端音量控制 可选 可选 表32h e a d s e t 应用模型对a g 和h s 支持功能特性的规定 第2 7 负 东南大学硕士学位论文 3 3车载蓝牙终端设备的系统总体方案设计 为了实现支持蓝牙h a n d s f r e e 和h e a d s e t 应用的车载蓝牙终端设备，我们需要 进行总体方案的设计。系统总体设计方案如图3 7 所示，整个车载终端_ 丰要分为四 个部分，分别介绍如下。 牟载蕊q 终端l 占一叫关 图3 7 车载蓝牙终端设备的系统设计方案 蓝牙摹带与射频模块：通过蓝牙无线信道与其它蓝牙设备( 语音网关) 进行 信息的交可? ：通过丰机控制器接口实王见与蓝牙丰机的信息交互。 蓝牙丰机：整个蓝牙丰机端的协议栈以及h a n d s f r e e 和h e a d s e t 两个应剧都 运行在这个手机上，充当丰机设备的可以是p c 也可以是m c u 或者是 d s p ，由十我们的设计直接针对客户，因而必须采用嵌入式的方式来实现。 用户界面：为用户实现对蓝牙终端设备的控制提供了条件，它包括显示输出 利键值输入两部分。 语音部分：提供语音的输入输出机制，并包括必要的语爵信号处理。 由于我们丰要研制的足车载蓝牙终端设备，至_ 丁_ 语音网关只是为了测试蓝牙终 端这个| 三| 的，因而语音网关连接的外部网络可以不局限于蜂窝网( g s m 或c d m a 网络) ，也可以是p s t n 。因为同样的原因，我们的语音网关是摹于p c 实现的。 袋2 8 贞 东南大学硕士学位论文 3 4 本章小结 在蓝牙h a n d s f r e e 应用模型中定义了a g 和h f 两个角色，a g 主要处理h f 往外部网络的电话呼出以及来自外部网络的电话呼入，而h f 则充当着a g 的远端 语音输入输出的机制，同时也提供了一些远程控制的方式。同样蓝牙h e a d s e t 应用 模型也定义了a g 和h s 两个角色。在我们的系统总体方案设计中，整个车载终端 被分成了四个丰要部分：蓝牙基带与射频模块、蓝牙丰机、用户界面和语音部分。 东南大学硕士学位论文 第四章车载蓝牙终端设备的硬件平台设计与实现 4 1 概述 本章在对系统的硬件资源需求分析的基础上给出了系统的硬件平台架构，并对 各部分的电路设计作了较为详细的分析讨论。 4 2 系统的硬件资源需求分析 根据上一章对车载蓝牙终端设备的系统总体设计方案的描述，我们可以对系统 硬件资源的需求作一简要分析。 首先我们需要套蓝牙芯片组，包括蓝牙射频以及基带部分。在功率级方面， 由于是在一个车域范围内，故选择c l a s s2 应该完全能够满足我们的需求。h c i 的 传输层支持三种接口：u s b 、r s 2 3 2 和u a r t ，由于在我们的应用中通过h c i 传输 的只有控制信号码率并不是特别高，因此采用u a r t 作为h c i 的传输层应该是 合适的。况且对于m c u 和d s p 来说，u a r t 是一个非常常见的外围端口。另外语 音信号通常是以p c m 码流的形式通过s s i 接口与外界进行交互的。 至于丰机部分，在其上运行的程序可以分成三个大的模块：蓝牙l 办议栈以及在 其上运行h a n d s f r e e 和h e a d s e t 应用、语音信号处理、人机界面。它们的存储器需 求以及处理器需求如表4 1 所示。 程序存储器数据存储器 处理器 ( kb y t e )( kb y t e )( m i p s ) 蓝牙| ! 力、议栈及应用 7 01 0i o 语音信号处理 1 0l o 5 0 人机界面 1 015 表4 1 丰机端各模块的资源需求 如采这二部分都运行在一个处理器上，则我们必须选择一个高性能的d s p 作 为我们的丰机单元。考虑到我们的设计最终是要利汽车制造商的整个系统设计相融 合的：例如我们的人机界面只可能是整个汽车面板上人机界面的一部分：另外我们 的语音接口应凌和汽车的音响系统相连接。为了给以后的二次开发提供个清晰的 接口，减少移植工作中的诸多麻烦，我们决定采用这样的设训方案：j , q 4 n 对独立的 蓝牙叻、议栈以及h a n d s f r e e 年uh e a d s e t 应用放在m c u 上运行，而将以后需要进行 第3 0 贞 东南大学硕士学位论文 移植工作的人机界面和语音信号处理部分放在个d s p 上，并在m c u 和d s p 之 间定义一个简单而清晰的接口。 在外设方面。需要考虑的有人机接口、语音的模数转换以及系统的电源能理、 复位控制以及调试测试等方面的内容。 人机接口为用户提供了一个输入输出的手段，键盘输入平【】l c d 显示输出便是 通常采用的方式。键盘一般都是采用矩阵式的键值扫描方式，因而需要占用较多的 口线资源( 如果采用4 x 6 扫描矩阵则需要1 0 个g p i o 口线) ：而l c d 采用什么接 口则需根据具体的l c d 型号而定，l c d 的接口有并口和串口两种类型，串口一般 都是采用s p i 接口。 为了实现语音的模数转换，需要一个c o d e c ，它与d s p 之间需要一个数字语 音信号接口。另外蓝牙基带控制器与d s p 之间同样也需要一个数字语音接口。s s i 端口便是一个标准的数字语音端口，一般d s p 都配置了该端口。 对于一个系统设计来说，简单而有效的电源管理和复位控制是非常重要的，同 时提供一套有效的调试测试手段也是必不可少的。 4 3 系统的硬件平台架构 车载蓝牙终端设备的系统硬件平台架构如图4 1 所示。各部分的电路将在后几 节中作详细分析，在这里只是从总体上给出了系统级的框图结构。 图4 1 车载蓝牙终端设备的硬件平台架构 第3 1 贞 东南大学硕士学位论文 4 4 蓝牙芯片组 摩托罗拉发布的蓝牙j 占片组中，除了基带处理器外，还包括r f 收发器、功率 放大器以及面向蓝牙支持设备的电源控制芯片。摩托罗拉提供的这一整套高度集成 的蓝牙芯片组与蓝牙v 1 1 相兼容，为嵌入式的蓝牙应用提供了一个低成本、高灵 活性的平台。 4 4 1 蓝牙基带控制器m c 7 1 0 0 0 m c 7 1 0 0 0 “是与蓝牙v 1 1 完全兼容的基带控制器，其设计基于摩托罗拉的第 三代蓝牙体系架构。m c 7 1 0 0 0 实现了蓝牙m 议的基带和主控制器接口部分的功 能，它的内核工作在 8 v 而i o 部分工作在1 8 v 至3 3 v 之间。m c 7 1 0 0 0 内部具 有专用的蓝牙语音处理器模块和在片的存储器，还具有一个标准的j t a g ( j o i n t t e s ta c t i o ng r o u p ) 接e l 以支持调试功能和产品测试。不需要外部添加任何额外的 逻辑，m c 7 1 0 0 0 便可阱与蓝牙低功耗无线数据收发芯片m c l3 18 0 直接相连以实现 蓝牙c l a s s2 功率级应用解决方案。通过外加一个功率放大嚣m r f i c 2 4 0 8 便可以提 供一个蓝牙c l a s s1 功率级应用解决方案。 图4 2m c 7 1 0 0 0 内部简化框图 m c 7 1 0 0 0 较为洋细的内部框图如图4 2 所示。包括以下几个辛要部分 第3 2 贞 东南大学硕士学位论文 a r m 7 平台 m c 7 1 0 0 0 的体系结构是基于个3 2 位的微处理器a r m 7 t d m i 。作为一个工 业标准处殚器，a r m 7 是基于r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令 集计算机) 原则的，它同时支持3 2 位的a r m 指令集和1 6 位的t h u m b 指令集， 当工作在1 6 位t h u m b 模式下a r m 7 具有非常高的代码效率。 存储器予系统 m c 7 1 0 0 0 内部存储器配置如下所示： s r a m ( 6 4k b y t e s ) r o m ( 2 5 6k b y t e s ) m c 7 1 0 0 0 中的程序代码存储在r o m 中，由于l j 部存在一个较为复杂的b i o s 从而实现了补丁机制，通过该机制便可以方便地实现程序的版本更新。 外围予系统 外围了系统包括如下功能模块： 时钟和复位模块( c r m ，c l o c ka n dr e s e tm o d u l e ) ：m c 7 j 0 0 0 中的所有的时 钟、复位以及电源管理都是由该模块来进行处理的。该模块还包括一个看门 狗以应付潜在可能发生的软件故障。 蓝牙链路控制器( b t l c ，b l u e l o o t hl i n kc o n t r o l l e o 模块：蓝牙链路控制器模 块处理所有的链路控制功能。内嵌在该模块内部有一个专用的蓝牙定时器， 籍此以保持对本地以及远端蓝牙时钟的精确估计。一个专用的蓝牙s p i 控制 器用来处理与蓝牙射频处理器m c l 3 l8 0 间的串行通信。 蓝牙语音信号处理器( b t a s p ，b l u e t o o t ba u d i os i g n a lp r o c e s s o r ) ：该模块处刊 所有语音方面的滤波、牺值以及编解码( 支持a 律p c m 、u 律p c m 利 c v s d ) 。 u a r t 模块：u a r t 是蓝牙基带控制器的一个丰要接口，当m c 7 1 0 0 0 的丰 频工作在2 4 m h z 时，其波特率最高可至2 m b p s 。 c s p l ( c o n f i g u r a b l es e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 模块：m c 7 1 0 0 0 内置有两个 可酣置的s p i 模块，c s p i o 和c s p l l 。c s p l 0 可以与s e e p r o m 或串仃的 f l a s h 设备相连接。当m c 7 1 0 0 0 的丰步贞工作在2 4 m h z 时，其波特牢最高i ，j 至2 m b p s 。 s s i 模块：s s i 是一个传输数字语音信号的标准接口，当m c 7 1 0 0 0 的丰频l 作在2 4 m h z 时，其波特率最高可至2 m b p s 。 定时器模块：定时器是一个通用的模块，专为应用提供定时控制。 第3 3 贞 东南大学硕士学位论文 g p i o ：m c 7 1 0 0 0 最多支持2 7 个g p i o ，不过它们大部分都是和上面介绍的 专用外围端口线复用的，可通过进行配置来选择其具体的功能。 j t i c ( j t a gt e s ti n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) ：j t i c 模块丰要用作产品调试以及测 试等功能。 4 4 2 低功耗蓝牙无线数据收发器m c l 3 1 8 0 m c l 3 1 8 0 “”的内部框图如图4 3 所不，辛要包括无线数据发送和无线数据接 收两大功能模块。从外部天线接收到的射频信号先经过一个低噪声放大器( l n a l o wn o i s ea m p l i f i e r ) ，l n a 除了对信号进行放大，还实现了信号从不平衡到平衡 方式的转换。之后信号经过一个高低镜像抑制混频器( h i g h l o ws i d ei m a g er e j e c t m i x e r ) 被转换成一个6 0 m h z 的中频信号。然后再经过放大、带通滤波处理之后 被解调成我们所需要的数字信号。发送部分主要包括可编程的高斯频移键控的逻辑 单元表( p r o g r a m m a b eg f s kl u t ) 、频率合成器、低功率放大器( l p a ，l o w p o w e ra m p l i f i e r ) 等功能单元。无线数据的发送和接收足通过时分方式进行复用 的，通过一个控制模块来控制发送接收时刻的切换。另外片上还集成了调制解调 所必需的大量时钟电路。 一1 l i 图4 3m c l3 18 0 内部简化框图 4 4 3 无线电源管理芯片m c l 3 1 8 1 在耳机和丁机附件产品中，m c l 3 l8 1 功率竹理芯片与基带控制器和无线数 据收发器仂、同工作，并集成此类应用中典型的分立功能。m c l3 18 1 设计为3 6 v 单 篇3 4 贞 东南大学硕士学位论文 电源供电，或者采用其它电压在2 5 v 至6 5 v 范围的其它电源。因此对于于机附 件、耳机和类似产品非常理想。m c l 3 18 l 简化的内部框图如图4 ，4 所示。它提供了 3 0 3 3 v 、2 5 5 v 和i 8 5 v 三种电平输出，并提供了一些电源控制和管理的方式。 it 蔫 下 蘩i i 肇篓也 i 匿圭。器 镬誓i 筠一二j ：! 一氍墨”。【萋。： 川 t ：普。娑i 巾”“ n ：二j ： 一睢 群。科j o - 口m = ；1 图4 4m c l 3 1 8 l 觞化的功能框图 4 4 4 射频功率放大器m r f i c 2 4 0 8 射频功率放大芯片m r f i c 2 4 0 8 “”丰要针对2 4 g h zi s m 频段应用，该芯片的 内部功能简化框图如图4 5 所示。 图4 5 ：m r f i c 2 4 0 8 内部简化框图 第3 5 贞 =一一 东南大学硕士学位论文 m r f i c 2 4 0 8 包括功率放大和控制电路，具有低功耗关闭模式和高达2 3 d b m 的 功率输出，可用来实现蓝牙c l a s s l 功率级设计。射频功放的工作电