（通信与信息系统专业论文）车载蓝牙免提系统的软件设计.pdf

哈尔滨理工大学工学硕。卜学位论文 车载蓝牙免提系统的软件设计 摘要 随着汽车技术的发展，汽车的安全性和便捷性越来越受到关注j 而蓝牙 技术的不断进步使这两方面得以实现，从而使蓝牙免提系统在汽车领域得到 了广泛的应用，开车和通话的矛盾又促使人们寻求多种手段来实现车载免提 功能，然而稳定性和实时性是车载免提系统的关键问题之一，这两个问题已 经逐渐成为汽车电子领域的一个有意义的研究问题。 本文针对目前车载蓝牙免提系统的稳定性和实时性问题，采用了嵌入式 车载免提系统的软件设计方案，在系统中嵌入# c o s i i 实时操作系统，把 整个程序分成许多任务，根据任务的重要程度赋予任务不同的优先级，使系 统永远执行最高优先级的任务，由于嵌入式操作系统j c c o s i i 的这种运行 和调度机制，提高了系统的实时性。本系统将程序分成七个任务，分别是初 始化任务、按键扫描任务、按键处理任务、蓝牙发送任务、蓝牙接收任务、 语音发送任务和语音接收任务，按键扫描任务通过消息队列将键码值发送给 按键处理任务进行处理，按键处理任务再将相应的蓝牙指令发送给蓝牙发送 任务进行处理，当蓝牙接收任务通过串口中断的方式接收到蓝牙模块的返回 指令时，便向语音发送任务发送相应的语音合成文本进行合成，最后，语音 接收任务通过串口中断的方式接收语音合成芯片的应答指令以判断合成的正 确性。根据任务实现功能的重要程度，将蓝牙接收任务设置为最高的优先 级，从而保证系统永远执行蓝牙接收任务，直至该任务挂起后，再执行其他 优先级较高的任务。实验证明，根据本文设计的系统状态转移图方案和上层 应用软件程序的编写，系统不仅成功实现了车载蓝牙免提功能，而且具有更 好的可靠性、稳定性和实时性。 关键词车载；免提；蓝牙；c o s - i i ：a r m 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 s o f t w a r ed e s i g no fv e h i c l eb l u e t o o t h h a n d - - f r e es y s t e m a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to f t h ea u t o m o t i v et e c h n o l o g y , t h es a f e t ya n d c o n v e n i e n c eo fv e h i c l e sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o n c e r n e d t h ec o n t i n u o u s a d v a n c e m e n to fb l u e t o o t ht e c h n o l o g ym a k e sb o t ho ft h e mc o m et r u e ，s i n c ew h i c h t h eb l u e t o o t hh a n d s f r e es y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ea u t o m o t i v es e c t o r t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nd r i v i n ga n dp h o n i n gp r o m p t sp e o p l et os e e kv a r i o u s m e a n so fa c h i e v i n gv e h i c l eh a n d s - f r e ef u n c t i o n a l i t y , h o w e v e r , t h es t a b i l i t ya n d r e a l t i m ea r et h ek e yi s s u e so fv e h i c l eh a n d s f r e es y s t e m ，b o t ho fw h i c hh a v e b e c o m eam e a n i n g f u lr e s e a r c hq u e s t i o ni nt h ea u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sf i e l d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fs t a b i l i t ya n dr e a l t i m eo ft h eb l u e t o o t h h a n d s f r e ec a rk i t ，e m b e d d e dv e h i c l eb l u e t o o t hh a n d s f r e es y s t e ms o f t w a r e d e s i g nw a sa d o p t e di n t h i sp a p e r ，z c o s ，i ir e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mw a s e m b e d d e di nt h es y s t e m ，a n dt h ew h o l ep r o c e s sw a sd i v i d e di n t om a n yt a s k s ，t h e s y s t e mw o u l dg i v ed i f f e r e n tp r i o r i t yd e g r e e st od i f f e r e n tt a s k sa c c o r d i n gt ot h e i r i m p o r t a n c e ，a l l o w i n gt h es y s t e mt oa l w a y sr u nt h eh i g h e s tp r i o r i t yt a s k ，b e c a u s e o ft h i s o p e r a t i o na n ds c h e d u l i n gm e c h a n i s m so fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m z c o s i i ，t h es y s t e m sr e a l - t i m ew a se n h a n c e d p r o c e d u r e so ft h es y s t e mw i l lb e d i v i d e di n t os e v e nt a s k s ，n a m e l y , i n i t i a l i z a t i o nt a s k ，b u t t o ns c a nt a s k ，b u t t o n h a n d l et a s k ，b l u e t o o t hs e n dt a s k ，b l u e t o o t hr e c e i v et a s k ，v o i c es e n dt a s ka n d v o i c er e c e i v et a s k ，k e yc o d e sw i l lb es e n tf r o mb u t t o ns c a nt a s kt ob u t t o nh a n d l e t a s kt ob ed e a l tw i t ht h r o u g hm e s s a g eq u e u e ，a n dt h e nc o r r e s p o n d i n gb l u e t o o t h c o m m a n d sw i l lb es e n tf r o mb u t t o nh a n d l et a s kt ob l u e t o o t hs e n dt a s kt ob e c a r r i e do u t ，w h e nb l u e t o o t hr e c e i v et a s kr e c e i v e st h er e t u r ni n s t r u c t i o n so f b l u e t o o t hm o d u l ei nt h ew a yo fs e r i a lp o r t si n t e r r u p t i o n ，c o r r e s p o n d i n gs p e e c h s y n t h e s i st e x tw i l lb e s e n dt ov o i c es e n dt a s k ，f i n a l l y , v o i c er e c e i v et a s kw i l l r e c e i v et h er e s p o n s e so fs p e e c hs y n t h e s i sc h i pt h r o u g hs e r i a lp o r t si n t e r r u p t i o n t od e t e r m i n et h ec o r r e c t n e s so fs y n t h e s i s a n db l u e t o o t hr e c e i v et a s kw i l lb es e t 1 1 t or e c e i v et h e h i g h e s tp r i o r i t ya c c o r d i n gt ot h e i m p o r t a n c ed e g r e eo ft h e 1 m p l e m e n t a t i o n ，t h u se n s u r i n gt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h eb l u e t o o t hr e c e i v e r s y s t e m sf o r e v e ru n t i lo t h e rh i g h e r - p r i o r i t yt a s kw i l lb ep e r f o r m e dw h e nt h i st a s k i ss u s p e n d e d e x p e r i m e n t sh a v es h o w nt h a t s y s t e mw i l ln o to n l ya c h i e v ea v e h i c l eb l u e t o o t hh a n d s f r e e f u n c t i o n ，a c c o r d i n gt ot h es c h e m eo fs y s t e ms t a t e t r 锄s i t i o nd i a g r a ma n dp r o g r a m m i n go fu p p e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r ep r o c e d u r e s b u ta l s ow i l lh a v eab e t t e r r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n dr e a l t i m e k e y w o r d s v e h i c l e ，h a n d s - f r e e ，b l u e t o o t h ，m i c r o c o s i i ，a d v a n c e dr i s c m a t h i n e s i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文车载蓝牙免提系统的软件设 计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 寰众 日期：铆_ 7 年月二日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 车载蓝牙免提系统的软件设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学 所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密回 ( 请在以上相应方框内打v ) 作者签名： 导师签名： 京篪。 诛动啊板 日 日 叫吖 月 月 弓 年 年 口1，l1 川砷 期 期 日 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着汽车技术的发展，汽车的安全性和便捷性越来越受到关注，而蓝牙技 术的不断进步使这两方面得以实现，从而使蓝牙免提系统在汽车领域得到了广 泛的应用。 蓝牙技术是一种用于替代便携或固定电子设备上使用的电缆或连线的短距 离无线连接技术。它的主要目的是在全世界建立一个短距离的无线通信标准。 其设备使用全球通行的、无需申请许可的2 4 5 g h z 频段，可实时进行数据和语 音传输，传输速率可达到1 0 m b p s ，在支持3 个话音频道的同时还支持高达 7 2 3 2 k b p s 的数据传输速率。也就是说，在办公室、家庭和旅途中，无需在任 何电子设备间布设专用线缆和连接器，通过蓝牙遥控装置可以形成一点到多点 的连接，即在该装置周围组成一个“微网”，网内任何蓝牙收发器都可与该装置 互通信号。而且，这种连接无需复杂的软件支持。蓝牙收发器的一般有效通信 范围为1 0 米，强的可以达到1 0 0 米左右【1 1 。 车载蓝牙免提系统是专为行车安全和舒适性而设计的。其功能主要是：自 动辨识移动电话，不需要电缆或电话托架便可与手机联机；使用者不需要触碰 手机( x x 手保持在方向盘上) 便可控制手机，用语音指令控制接听或拨打电话。 使用者可以通过车上的音响或蓝牙无线耳麦进行通话。若选择通过车上的音响 进行通话，当有来电或拨打电话时，车上音响会自动静音，通过音响的扬声器 麦克风以进行话音传输。若选择蓝牙无线耳麦进行通话，只要耳麦处于开机 状态，当有来电时按下接听按钮就可以实现通话。蓝牙车载免提系统可以保证 良好的通话效果，并可以支持厂家生产的内置蓝牙模块和蓝牙免提p r o f i l e ( 符 合s i gv 1 2 规范) 的手机。此外，蓝牙车载免提系统还可以与全球定位系统 ( g p s ) 终端捆绑，降低成本。 开发车载蓝牙免提系统的产品有重要的意义，主要表现在以下两个方面： 1 汽车安全性能的提高人们一手握着方向盘、一手拿手机打电话的行为每 年造成了多起交通事故。有关研究表明，全球范围内因使用手机的肇事风险已 超过酒后驾驶，成为造成交通事故的最大诱因。在我国，道路交通安全法明确 规定，不允许司机驾车时以手持方式使用手机，车载蓝牙免提系统为驾车者们 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 提供了一个两全其美的方案，从而得到了广泛的应用。 2 车载蓝牙免提系统使用的便捷性由于蓝牙采用无线接口来代替有线电缆 连接，具有很强的移植性，并且适用于多种场合，加上该技术功耗低、对人体 危害小，而且应用简单、容易实现，所以易于推广。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 蓝牙技术的现状及发展趋势 蓝牙技术是信息产业界的一大热点，它代表了移动通信的一个发展方向， 它为人们期待已久的短距离无线连接提供了一种低成本的解决方案。蓝牙这项 技术标准，是以公元十世纪统一了丹麦和挪威的丹麦国王h a r a l db l a a t a n d ( b l u e t o o t h ) i i 而命名的，寓意实现通讯与计算机工业的无缝连接。事实上，它 很快从最初的电缆替代延伸为面向个人无线网( w p a n ) 的应用标准。蓝牙技术 的出现是以因特网为代表的数据通信和移动通信技术高速发展的结果。专家指 出，现代信息社会走过了计算机时代、互联网时代，全球通信网络基础设施已 初步形成。现代信息社会的高级阶段，应当是保证每个人、每件智能设备都能 时时刻刻、随时随地、方便地连接在网络上，蓝牙技术正是面向这一目标，它 定位在现代通信网络的最后1 0 米，象一种无处不在的、数字化的神经末梢一 样，把现有的各种信息化设备在近距离内连接起来【2 1 。 1 9 9 8 年5 月，爱立信、诺基亚、东芝、i b m 和英特尔公司等五家厂商， 在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供 一种短距离、低成本的无线传输应用技术。这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣 组s i g ，以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。i n t e l 公司负责半导体芯 片和传输软件的开发，爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发，i b m 和东 芝负责笔记本电脑接口规格的开发。1 9 9 9 年下半年，著名的业界巨头微软、摩 托罗拉、三康、朗讯与蓝牙特别兴趣组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推 广组织，从而在全球范围内掀起了一股蓝牙热潮【3 1 。 近年来，国内包括中兴通讯在内的加入b l u e t o o t hs i g 的企业、科研机构 有3 0 多家，由来自国家主管部门、企业界、学术界及科研机构共同发起成立 的”蓝牙技术发展与应用论坛”在推动蓝牙技术在国内的传播中发挥了重要作 用。我国拥有全球最大的家电、移动通信和计算机网，是蓝牙技术最大的潜在 市场，已有越来越多的政府机构、企业和科研机构意识到蓝牙技术给我国提供 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 了一个难得的发展机遇，开始致力于这一领域的研究。 目前，蓝牙技术已获得了全球认可，世界各地的蓝牙设备都可以与其邻近 的蓝牙设备连接。蓝牙电子设备可以通过短距离的即时网络( 称为微微网) 进行 无线连接和通信。每个设备最多可以在微微网中同时与七个其它设备进行通 信。每个设备还可以同时属于多个微微网。当蓝牙设备进入然后离开无线电邻 近区域时，微微网可在此期间自动动态建立。 就现在发展情况来看，蓝牙技术在手机、耳机、p d a 、数码相机和数码摄 像机等设备上都有应用，同时又由于手机的普及率较高，因此蓝牙手机成为目 前蓝牙技术的主要应用，而与之相匹配的蓝牙耳机也正在逐渐进入消费者的视 线。 1 2 2 车载蓝牙免提系统的现状及发展趋势 据统计，蓝牙通讯于2 0 0 3 年开始迸入车用电子市场，初期约有8 个车厂 共9 个车款内建蓝牙通讯，而且大都集中在高阶车款；但随着行动装置上蓝牙 介面逐渐普及，到2 0 0 6 年已有2 9 个车厂超过7 0 个车款内建蓝牙介面，几乎 涵盖所有主流车厂，由此可见，蓝牙已逐渐成为车内必备通讯介面。 我国第一款应用蓝牙技术的自主品牌国产轿车“赛豹”于2 0 0 5 年3 月在哈 飞正式下线。目前中国汽车行业中，花冠、别克、蓝鸟等车型均将其标定为基 本配置，上海大众、一汽轿车、奇瑞、金杯均在积极开发和匹配。而国外汽车 制造行业看，车载蓝牙免提系统的应用其实已经非常普遍，正逐渐成为中高档 轿车的人性化和安全配置之一，奥迪、雷克萨斯，林肯、宝马、沃尔沃等汽车 厂商都已采用蓝牙技术和相关产品。其中奥迪、奔驰、宝马、福特、本田、丰 田、三菱等世界著名汽车制造企业已将手机车载免提系统纳入相关配件或新车 标准配置，以强化安全驾车的理念。有关人士预测，2 0 0 8 年全球生产的汽车 中，2 0 将安装车载蓝牙免提装置，以大幅度降低手机应用带来的行驶安全隐 患。 从全球搭载蓝牙通讯的车辆数来看，估计将从2 0 0 5 年的6 7 0 万辆成长至 2 0 1 2 年的65 6 0 万辆，几乎成长十倍；而若从市场特性来看，售后市场的数量 远大于原装市场，以2 0 1 2 年为例，估计售后市场约为50 2 0 万辆，约占整体市 场7 7 ，而原装市场约为14 5 0 万辆，约占整体市场2 3 ，这主要是由于售后 车辆数目规模远大于每年的新车出厂数目所致。而若以每年全球新车市场约在 6 0 0 0 万辆来计算，到2 0 1 2 年估计约有3 0 的新车出厂即已内建蓝牙功能。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 单7 0 0 0 0 位 羊- 0 0 1 3 辆 地0 4 0 a d d 3 0 0 1 3 0 2 0 0 0 1 3 t 0 0 0 0 o 扣d 耳 2 1 3 1 3 5 盈刀q ) z h r 0 ) 盈d 耳d2 a 3 9 ( 0 ：田1 口c d 2 0 11 邵1 硬d 图1 - 1 配有蓝牙功能的车辆系统 f i g 1 1v e h i c l es y s t e mw i t hb l u e t o o t hr u c t i o n 从技术角度分析，我国目前车载蓝牙免提系统【4 1 的发展是非常迅速的，除 了拨打电话，接听和来电显示电话，挂断电话，重拨电话以及与蓝牙手机实现 自动无线连接等基本功能外，深圳威利宝公司推出的车载蓝牙免提系统还具有 f m 调频广播，r a p 3 播放器，录音及语音拨号，液晶显示屏后视镜装置的功 能；赢时通公司b t - 7 2 8 系列还具有可视倒车雷达功能；蓝易科技公司推出的 产品具有多功能显示器，电话本无线读取的功能；国产奇瑞汽车a 1 8 上的车载 蓝牙免提系统还可以与全球定位系统g p s 终端捆绑，从而降低成本；国内知 名丰田花冠车型的专用车载d v d 内嵌蓝牙智能电话免提系统还可内置t v 、 a m f m 调谐器，支持原车方向盘按键控制，高清晰r g b 彩色成像输出，兼容 d v d n c d c d m p 3 w m a 等多种媒体播放格式；而中国台湾推出的车载蓝牙 免提系统代表了第二代车载蓝牙免提技术，集成接听、重拨、拒接、挂断一键 通功能以及最新的车载音乐系统，手机、m p 3 、i p o d 、u 盘、s d m m c 卡， 所有音乐设备全支持 5 1 。相比之下，台湾比中国大陆的车载蓝牙免提技术更成 熟和先进。 国外车载蓝牙免提系统技术的发展也非常的广泛。索爱h c b 1 2 0 车载免 提系统带有液晶显示屏、d s p 自动防噪音功能去回音，来电显示等功能； i t e c h 车载蓝牙免提采用车内点烟器供电，不但采用d s p 技术且内置专业级语 音芯片，无噪声回音且抗干扰，彻底免除了手机辐射对人体的伤害；法国品牌 哈尔滨理工人学工学硕卜学位论文 派诺特3 4 0 0 是有史以来第一次免提蓝牙系统单一的设备上结合了彩屏和g p s 天线；m o t o r o k at 5 0 5 车载蓝牙则可接受调频收音机且具有语音提示功 能，其兼容性非常强，可以和任何蓝牙手机相连，该机独有的s t a t i o n f i n d e r 技 术还能来电时令蓝牙免提系统装置从音乐变为静音，同时有来电显示功能；而 v e r o 则推出世界上第一款太阳能车载蓝牙免提，巧妙的利用太阳能充电，充满 电后支持1 5 小时通话和6 0 0 小时待机，还包括消除噪音、全向麦克风和内置 l e d 显示屏等功能。 总的来说，国外车载蓝牙免提系统对回音和噪声的处理要比国内的效果更 好，更先进，全球的发展趋势将是系统功能更齐全，更环保，更节能，更省 电，性能更稳定，使用更方便和快捷，当车主进入车内，系统会自动寻找信 号，寻找到配套的蓝牙手机，勿需每次手动连接，就可以立即使用。 1 3 论文的主要研究内容 本文研究内容为车载蓝牙免提系统的软件设计，主要设计了嵌入式车载蓝 牙免提系统方案，该系统采用了嵌入。u c o s i i 操作系统的l p c 2 1 3 8a r m 7 主 控芯片和闻强公司的g o c m d 1 0 2 蓝牙模块，为实现播报人名和播放短消息 的功能，还采用了x f - s 3 0 1 1 语音合成芯片。在主控芯片l p c 2 1 3 8 上嵌入 p c o s 操作系统，把程序分成多个任务，根据不同的优先级来对各个任务进 行调度，使得高优先级的任务得以运行，从而提高了系统的实时性和稳定性。 论文研究的内容如下： 1 系统底层驱动软件的设计其中包括串口和1 2 c 总线的驱动程序。系统中 采用主控芯片l p c 2 1 3 8 上的两个串口连接蓝牙模块和语音合成芯片，通过1 2 c 总线连接消回音芯片，所以系统底层驱动软件的主要设计任务是串口驱动和 1 2 c 总线驱动，由于底层驱动软件对于嵌入式操作系统卫c o s i i 的移植和上层 应用软件具有支持的作用，串口和1 2 c 总线的驱动程序便成为系统中不可或缺 的环节。 2 系统状态转移图的设计系统启动后，便进入了各种工作状态，并在各个 状态之间转换，实现相应的系统功能。本文设计了一套系统状态转移图方案， 详细的描述了系统的各个工作状态以及这些状态之间的转换方法，同时也描述 了系统的相应功能，该系统状态转移图方案为后期的上层应用软件的设计提供 了依据。 3 系统上层应用软件的程序设计本文中的上层应用软件是在嵌入式操作系 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 统l l c l o s i i 的任务下进行设计的。本文将系统程序分成多个任务，首先画出 任务的接口框图，说明系统中使用了哪些任务，以及任务之间是如何通信，然 后，由于每个任务相互独立，设计时便分别对各个任务进行流程图的绘制，再 根据流程图编写出相应的程序，最后加载程序到系统中，调试和测试程序，证 明本文设计的上层应用软件的有效性和可靠性。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章开发车载蓝牙免提系统的技术基础 2 1 蓝牙技术的定义及特点 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是一种无线数据通信的开放性全球规范。它以低成本 的近距离无线连接为基础，为固定与移动通信环境建立一个接入点【6 】。该技术 实质内容是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，使移动通信 与计算机网络进一步结合，让不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相 互连接的情况下，能在近距离( 1 0 m 一1 0 0 m ) 范围内具有互操作性能，达到随时随 地进行数据信息交换与传输的目的阴。蓝牙技术提供的低成本、低功耗的无线 接入方式，在信息家电、移动通信、嵌入式设备等诸多方面的应用顺应了现代 通信技术和应用发展的潮流，被认为是无线数据通信领域重大进展之一，将 对未来的无线移动数据通信业务产生巨大的促进作用。 蓝牙技术利用短距离、低成本的无线连接替代了电缆连接，从而为现存的 数据网络和小型的外围设备提供了统一的连接【酊。下面介绍一些它的主要技术 特点。 1 特性蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2 4 g h z 的i s m ( i q p 、科学、 医学 ) 频段，这样用户不必经过申请便可以在24 0 0 - 25 0 0 m h z 范围内选用适当 的蓝牙无线电收发器频段。频道采用2 3 个或7 9 个，频道间隔均为1 m f i z ，采 用时分双工方式。调制方式为b t - - 0 5 的g f s k ，调制指数为0 2 8 - - - 0 3 5 。蓝牙 的无线发射机采用f m 调制方式，从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分 为三个等级，1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) ，2 5 m w ( 4 d b m ) ，l m w ( 0 d b m ) ，在4 - 2 0 d b m 范 围内要求采用功率控制，因此，蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为 1 0 - 1 0 0 m 。 2 t d m a 结构蓝牙的数据传输率为1 m b s ，采用数据包的形式按时隙传送 每时隙0 6 2 5 t s 。蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联 接，蓝牙技术支持一个异步数据通道，3 个并发的同步语音通道或一个同时传 送异步数据和同步语音通道。每一个语音通道支持6 4 哪的同步语音，异步 通道支持最大速率为7 2 1 l s ，反向应答速度为5 7 6 l ( 】b s 的非对称连接，或 者是速率为4 3 2 6 k b s 的对称连接。 3 使用跳频技术跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对于单时隙包，蓝牙的 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 跳频速率为16 0 0 跳秒；对于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时则提 高为32 0 0 跳秒。使用这样高的调频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能 力，且硬件设备简单、性能优越。 4 蓝牙设备的组网蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线连 接，在任意一个有效通讯范围内，所有的设备都是平等的，并且遵循相同的工 作方式。基于 i d m a 原理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙设备在主从网络 ( p i c o n e t ) 和分散网络( s c a t t e r n e t ) 中，既可作主设备( m a s t e r ) ，又可作从设备 ( s l a v e r ) ，还可同时既是主设备( m a s t e r ) ，又是从设备( s l a v e r ) 。因此在蓝牙系统 中没有从站的概念，另外所有的设备都是可移动的，组网十分方便。 5 软件的层次结构和许多通讯系统一样，蓝牙的通讯协议采用层次式结 构，其程序写在一个9 m m x 9 m m 的微芯片中。其底层为各类应用所通用，高层 则视具体应用而有所不同，大体分为计算机背景和非计算机背景两种方式，前 者通过主机控制接口h c l ( h o s tc o n t r o li n t e r f a c e ) 实现高、低层的连接。后者则 不需要h c i 。层次结构使其设备具有最大的通用性和灵活性。根据通讯协议， 各种蓝牙设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其它蓝牙设 备，从而构成主从网和分散网，实现系统提供的各种功能，使用起来非常的方 便【9 l 。 2 2 嵌入式处理器a r m 概述 2 2 1a r m 发展历程 1 9 9 0 年a r m 公司在英国剑桥的一个谷仓里成立，最初只有1 2 人。经过 1 6 年的发展，a r m 公司已经拥有10 0 0 多名员工，其开发的3 2 位r i s c 1 0 l r e d u c e d ( i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) c p u 也不断取得突破，芯核结构也已经从最 初的版本v 3 发展到v 6 。 特别的是，由于a r m 公司自成立以来，一直以i p ( i n t e l l i g e n c ep a t e n t ) 提供 者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销 售，加上其设计的芯核具有功耗低，成本低等显著优点，因此获得了包括半导 体厂家、实时操作系统( r t o s ) 于j ：发商、电子设计自动化( e d a ) 和工具供应商、 应用软件公司等众多技术合作伙伴的支持【1 1 i 。同时，a r m 系列处理器也在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，已经占据了超过7 5 的3 2 位r i s c 芯 片的市场份额。采用a r m 技术i p 核的微处理器遍及航空航天、汽车、消费电 哈尔滨理1 = 大学工学硕士学位论文 子、图像、工业控制、海量存储、网络、安保和无线通讯等各类产品市场，可 以说，a r m 技术几乎无处不在f 1 2 j 。 目前世界前2 5 大半导体公司中有2 3 家都采用了a r m 公司的技术授权， 全世界有超过7 0 家的公司生产在a r m 芯片。在国内，中兴通讯和华为通讯 等公司也已经购买了a r m 公司的芯核用于通讯专用芯片的设计【1 3 i 。 2 2 2a r m 系列处理器的特点 a r m 芯片具有r i s c 体系的一般特点： 1 具有大量的寄存器。 2 绝大多数操作都在寄存器中进行，通过l o a d s t o r e 的体系结构在内存和 寄存器之间传递数据。 3 寻址方式简单。 4 采用固定长度的指令格式。 除此之外，a r m 体系采用了一些特别的技术，在保证高性能的同时尽量 减小芯片体积，降低芯片的功耗【1 4 1 。这些技术包括： 1 在同一条数据处理指令中包含算术逻辑单元处理和移位处理。 2 使用地址自动增加( 减少) 来优化程序中的循环处理。 3 l o a d s t o r e 指令可以批量传输数据，从而提高数据传输的效率。 4 所有指令都可以根据前面指令的执行结果，决定是否执行，以提高指令 执行的效率。 当前流行的a r m 芯核包括a r m 7 t d m i ，a r m 7 2 0 t ，a r m 9 t d m i ， a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t ，a r m 9 4 0 t ，a r m 9 4 6 e s ，a r m 9 6 6 e s ， s t r o n g a r m ，a r m i o t d m i 等【1 5 1 。从以上几个系列的型号可以看出，在a r m 内核中有几个功能模块可供生产厂商根据不同用户的不同要求来配置生产。这 几个常见的功能模块分别用t 、d 、m 、i 、e 、j 等来表示： t ：表示t h u m b ，该内核可从1 6 位t h u m b 指令集扩充到3 2 位a r m 指令 集。 d ：表示d e b u g ，该内核中放置了用于调试的功能模块，通常它为一个边 界扫描链( j t a g ) ，可使微处理器进入调试模式，从而给用户进行断点设置、单 步调试等带带来方便。 m ：表示m u l t i p l i e r ，该内核带有8 位乘法器。 l ：表示e m b e d d e d l c el o g i c ，该内核带有实现断点观测及变量观测的逻辑 电路部分，其中的t a p 控制器可接入到边界扫描链。 哈尔滨理- 大学工学硕：t 学位论文 e ：表示增强型d s p 指令，这些指令可用于增强处理器对一些典型的d s p 算法的处理性能。 j ：表示j a v a 加速器j a z e l l e ，该模块提供了j a v a 加速功能，可以得到比普 通j a v a 虚拟机高得多的性能。 以下是a r m 处理器各个系列的特点简述： 1 a r m 7 系列a r m 7 系列包括a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 e j s 和a r m 7 2 0 t4 种类型，主要用于适应不同的市场需求。其中，版本 a r m 7 t d m i 是a r m 公司授权最多的一项产品。 a r m 7 采用a r m v 4 t ( n e w r n a n ) 结构，分为三级流水，空间统一的指令与 数据c a c h e ，平均功耗为0 6 m w m h z ，时钟速度最高为6 6 m h z ，每条指令平 均执行1 9 个时钟周期。并且a r m 7 指令集同t h u m b 指令集扩展组合在一 起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式i c e 调试技术来简化 系统设计。a r m 7 以小型、快速、低能耗、集成式r i s c 内核等特点，而得到 广泛的应用。该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器【1 6 1 。 2 a r m 9 系列a r m 9 系列包括a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 0 t3 种类 型，另外，a r m 9 e 系列处理器提供了增强的d s p 处理能力，包括 a r m 9 2 6 e j s 、a r m 9 4 6 e s 、a r m 9 6 6 e s3 种类型，这些不同的类型主要用于 适应不同的市场需求。 a r m 9 采用a r m v 4 t ( h a v a r d ) 结构，五级流水处理以及指令与数据分离 的c a c h e 结构，平均功耗为0 7 m w m h z 。时钟速度为1 2 0 m h z 2 0 0 m h z ，每条 指令平均执行1 5 个时钟周期，性能为1 3 2 m i p s ( 1 2 0 m h z 时钟，3 3 v 供电) 或 2 2 0 m i p s ( 2 0 0 m h z 时钟) 【切。a r m 9 同时配备了t h u m b 指令集扩展、调试和单 一的3 2 位a m b a 总线接口，存储管理单元( m m u ) 支持w i n d o w s c e 、l i n u x 等 操作系统。在生产工艺相同的情况下，性能是a r m 7 t d m i 的两倍之多，常应 用于网络连接设备和机顶盒【埘。 3 a r m l 0 系列a r m l 0 系列处理器采用新的体系和节能模式使其在所有 a r m 产品中具有最高的m l p s m h z ，同时系统集成更加方便，拥有完整的硬 件和软件开发工具【1 9 i 。 a r m l 0 采用a r m v 5 t 结构，六级流水处理，指令与数据分离的c a c h e 结构，并提供了6 4 位的l o a d s t o r e 体系。平均功耗为1 0 0 0 m w ，时钟速度为 3 0 0 m h z ，每条指令平均执行1 2 个周期，其中a r m l 0 2 0 为带c a c h e 的版本。 版本a r m i o t d m i 与所有的a r m 核在二进制级代码上兼容，并自带高速的 3 2 x 1 6 m a c ，预留d s p 协处理器接口。其中的v f p l 0 ( 矢量浮点处理单元1 为七 哈尔滨理t 大学t 学硕+ 学位论文 级流水结构。版本a r m l 0 2 0 t 带有a r m l 0 t d m i + 3 2 ki & dc a c h e + m m u 结 构，3 0 0 m h z 时钟，功耗为l w ( 2 0 v 供电) 。指令c a c h e 和数据c a c h e 分别为 3 2 k ，宽度为6 4 b i t s ，能够支持多种商用操作系统。a r m l 0 系列处理器适用于 高性能的手持式网络设备和数字式消费类应用。 4 s t r o n g a r m 系列s t r o n g a r m 处理器采用a r m v 4 t 的五级流水结构。目 前有s a l l 0 、s a l l 0 0 、s a l l l 0 等三个版本。 2 3 嵌入式实时操作系统强c o s i i 嵌入式系统采用的操作系统一般是实时操作系统，它是嵌入式应用软件的 基础和开发平台。实时操作系统是一个可靠性和可信度很高的实时内核，将 c p u 时间、中断、i o 、定时器等资源都包装起来，留给用户一个标准的应用 程序接口，并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配c p u 的使 用时间i 2 0 i 。实时操作系统是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内 核，优秀商品化的实时操作系统可面向几十个系列的嵌入式m p u 、m c u 、 d s p 、s o c 等提供同类的应用程序接口，这是实时操作系统基于设备独立的应 用程序开发的基础【2 l j 。因此，基于实时操作系统上的c 语言程序具有极大的可 移植性。实时操作系统的商品化，实现了操作系统软件和用户应用软件的分 离，为工程技术人员开发嵌入式系统应用软件带来了极大的便利，大大缩短了 嵌入式系统软件的开发周期。 比c o s 是专门为嵌入式应用设计的实时操作系统，它所表示的意思是 “微控制器操作系统版本2 ”，它是一个完整的，可移植、可固化、可裁剪、占 先式多任务的实时操作系统。z c o s i i 是用a n s i 的c 语言编写的，包含- d , 部分汇编语言代码，可供不同架构的微处理器上运行瞄】。 g c o s i i 提供了实时系统所需的基本功能。它的全部功能的核心部分代码 只占用8 3 k b ，用户还可以针对自己实际系统对堪c o s i i 进行裁剪。z c o s 1 1 只提供了诸如任务调度、任务管理、时间管理、内存管理、中断管理和任务间 的同步与通信等实时内核的基本功能，没有提供输入输出管理、文件系统、图 形用户接口及网络组件之类的额外服务。但是，由于# c o s i i 的可移植性和 开源性，用户可以根据实际应用添加自己需要的服务。目前在国内已经出现了 专门为c o s i i 开发的文件系统、t c p i p 协议栈和图形用户接口等第三方厂 商【2 3 1 。 比c o s i i 是一个真正的实时操作系统，采用可剥夺型内核，即它总是执行 就绪条件下优先级最高的任务。为了简化系统的设计，z c o s i i 规定所有任务 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 的优先级必须不同，任务的优先级同时也唯一标识了该任务。即使两个任务的 重要性是相同的，它们也必须有优先级上的差异，这也就意味着高优先级的任 务在处理完成后，必须进入等待或挂起状态，否则低优先级的任务永远也不可 能执行洲。 2 3 1 a c o s i i 的特点 c o s i i 是由c o s 版本升级而来。比c o s 实时操作系统是由美国人 j e a nj l a b r o s s e l 9 9 2 年完成的，它有以下几个主要特点： 1 源代码公开c o s i i 所有源代码是公开的。肛c o s i i 的全部源代码约 55 0 0 行，代码结构合理、清晰易读，而且注解详尽，非常适合初学者进行学 习分析。 2 可移植性p c 0 s i i 的源码是用移植性很强的a n s ic 写的。和微处理器 相关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已压到最低限度，使得 比c o s i i 便于移植到其他微处