蓝牙耳机的工作原理

40　200519蓝牙无线耳机设计及VxWorks移植方法■武汉理工大学 王大永　杜开祝　何嘉斌　摘　要蓝牙技术广泛应用于局域网络中各类数据及语音设备的无线传输。根据蓝牙耳机的协议栈原理描述蓝牙无线耳机的硬件电路设计和软件设计的实现过程;详细说明其系统内部传输音频数据的I2S总线的接口原理、读写时序和控制函数;按照蓝牙耳机应用规范中各层数据处理要求,给出嵌入式实时操作系统VxWorks在蓝牙芯片ZV4301上的部分程序移植,最后通过协议模型讲述语音网关与蓝牙耳机进行语音传输的具体过程。　关键词蓝牙　耳机　I2S总线　VxWorks蓝牙耳机是一种无线语音传输技术,是基于耳机在无线技术方面的延伸。它是相配于蓝牙技术而进入多媒体个人区域网络的。随着蓝牙技术的日趋完善和蓝牙产品市场占有率逐渐提升,蓝牙耳机在技术上也将不断得到改进,使之成为个人多媒体区域网络的主要配套产品。蓝牙耳机的应用范围除了手机以外,PDA、无绳电话应用、汽车免提工具、电话终端等,也是蓝牙耳机发挥技术优势的应用领域。本文设计的蓝牙耳机支持蓝牙规范1.2版本,传输距离达10m,传输速率达723.2kb/s,并且具有低功耗和(几乎)无辐射等技术优点和优势。1　蓝牙技术蓝牙作为一种低成本、短距离的无线连接技术标准,是由Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba五家公司共同倡导的一种全球无线技术标准,是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。它以低成本的短距离无线连接为基础,为固定设备与移动设备通信环境建立一个特别连接。其实质是建立通用的无线空中接口及其控制软件的图1　蓝牙耳机的协议栈原理公开标准,实现设备间的电缆替代。蓝牙技术规范包括协议和应用规范两个部分。协议定义了各功能元素各自的工作方式,整个蓝牙协议体系结构分为4层,即核心协议层、线缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其他协议层;应用规范则阐述了为了实现一个特定的应用模型,各层协议间的运转协同机制。较典型的应用规范有拨号网络、耳机(headset)、局域网访问和文件传输等。蓝牙耳机的协议栈原理如图1所示。2　硬件设计 硬件电路信号处理与控制部分采用Zeevo公司的基于ARM7的音频处理器ZV4301。ZV4301处理器是在一个单芯片收发器上加入一个集成RF、数字信号处理、通信处理和运算及控制处理功能的48MHzARM7微处理器,片外扩展闪存,以实现需要技术和高度最佳化的音频处理。 编解码芯片采用飞利浦公司的UDA1380音频芯片。UDA1380是一颗专为便携式产品所设计的单芯片立体声音频编解码器,可以提供立即可用的先进音频功能。这颗音频编解码器具有24位数据路径、多重时钟支持、DC偏移消除、支持多重数据格式以及数字静音检测等集成功能。本设计中,UDA1380利用与微控器接口作音控处理,并利用L3接口来控制音量。蓝牙耳机的电路原理框图如图2所示。图2　蓝牙耳机电路原理框图3　I2S总线本设计在硬件电路上使用基于I2S总线的音频系统体系结构。I2S(InterICSoundbus)是飞利浦公司提出© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.200519Microcontrollers&EmbeddedSystems　41　的串行数字音频总线协议。I2S总线只处理声音数据,其他信号(如控制信号)必须单独传输。为了使芯片的引脚尽可能少,I2S只使用了三根串行总线。这三根线分别是:提供分时复用功能的数据线(SD)、字段选择线(声道选择WS)、时钟信号线(SCK)。此设计中采用电源统一供电,ZV4301作为主设备,UDA1380作为从设备。ZV4301使用3个通用I/O口来模拟I2S总线。其读写I2S总线的数据主要包括以下几个函数: word_selection(); //字选择函数serial_clock();//时钟信号函数serial_data();//串行数据函数shift_register();//寄存器移位函数I2S总线读写时序如图3所示。图3　I2S总线读写时序4　软件设计VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统。良好的持续发展能力、支持多种硬件环境、高性能的内核以及友好的用户开发环境,使之成为所有独立于处理器实时系统中最具特色的操作系统。在该设计中,软件协议全部下载到蓝牙设备内核处理器的外置闪存中,操作通过人机接口控制。基于VxWorks的软件编写工作主要包括:BSP包的改动、程序的编写和操作系统的裁减。由于VxWorks的高度灵活性,可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发,来满足系统的实际应用需要。BSP包的改动指根据目标硬件实际配置修改系统的配置参数宏(MAC2RO),主要修改config.h、makefile.h、bspname.h文件。程序编写函数主要包括以下7个。(1)系统引导函数 VxWorks操作系统在一些板级系统初始化后自动执行tUsrRoot()函数,以完成初始化。tUsrRoot(){…… //必要初始化程序 vInitializeLmp();//LMP初始化完成 vInitializeL2cap();//L2CAP初始化完成 vInitializeSdp();//SDP初始化完成 vInitializeRf();//RFCOMM初始化完成 vInitializeHA();//HeadsetApplication初始化完成 exit();//退出}(2)系统初始化函数(以L2CAP为例) typedef {MSG_IDSdpToL2cap; MSG_IDL2capToSdp; MSG_IDRfToL2cap; MSG_IDL2capToRf; MSG_IDHAToSdp; MSG_IDSdpToHA; MSG_IDHAToRf; MSG_IDRfToHA;}MSG_QUEUE_ID//定义消息队列ID结构体类型 MSG_QUEUE_IDMsgQueueId;//定义全局消息队列ID结构体,用于存放每个消息队列的IDvInitializeL2cap();//L2CAP初始化,包括初始化全局变量、创建定时器、创建消息//队列、创建并启动任务(3)LMP软件设计 基带程序运行在蓝牙芯片的信号处理单元中,而LMP程序运行在蓝牙芯片的微处理器中,它们通过邮箱来交换信息。只要任何一方向邮箱发送了信息,邮箱就会产生中断信号,另外一方可以在中断服务程序中进行信息读取和处理。其处理函数为:vLmpDealFromBB()//处理来自BaseBand层的消息以建立连接,对来自BaseBand层//的操作码决定接受与否,并进行鉴权、加密、处理或断开等操作(4)L2CAP软件的设计tL2capDealMsgFromSdp()//处理来自SDP层的消息SdpToL2cap,生成L2CAP数据包,把//数据传BaseBand层tL2capDealMsgFromRf()//处理来自RFCOMM层的消息RfToL2cap,生成L2CAP数据//包,把数据传BaseBand层vL2capDealMsgFromBB()//处理来自BaseBand层的消息,在处理器邮箱中断程序被调用(5)SDP软件的设计tSdpDealMsgFromL2cap()//处理来自L2CAP的消息L2capToSdp,并上报搜索到的服务//的属性tSdpDealMsgFromHA()//处理来自HeadsetApplication的消息HAToSdp,对上报信息//进行应答(6)RFCOMM软件的设计tRfDealMsgFromHA()//处理来自HeadsetApplication的消息HAToRf,生成RFCOMM© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.42　200519//数据包,传送给L2CAPtRfDealMsgFromL2cap()//处理来自L2CAP的消息L2capToRf,对不同的帧进行处理(7)HeadsetApplication软件的设计tHADealMsgFromSdp()//处理来自SDP的消息SdpToHA,判断是否正常并处理tHADealMsgFromRf()//处理来自RFCOMM的消息RfToHA,对AT命令及其应答作//出处理5　语音传输建立过程蓝牙耳机系统工作时总是蓝牙语音网关(AG)和蓝牙耳机(HS)成对出现的。其通信所用到的协议栈及实体如图4所示。图4　蓝牙耳机的协议模型 蓝牙设备连结的建立遵循底层到高层的原则,即搜索蓝牙设备、建立链路、服务搜索、建立信道、建立连接和数据传输。以下是音频连接建立的全过程。(以AG主动发起连接请求为例。) ①AG首先发起查询,通过查询AG获得HS的蓝牙地址。 ②AG在应用层的驱动下向查询到的HS发起一个page进程。当接收到HS返回的应答信号时,AG与HS之间的ACL链接已经成功建立。 ③一旦ACL链接建立,即可以被用来传送振铃信号。振铃信号的发送是通过AT命令RING来完成的。 ④ACL链接好后,接着建立L2CAP链路。AG首先在信令信道上发送一个链接请求信令L2CAP_req,要求建立信道标号为0x0040的L2CAP。当HS返回链接响应信号时,表明0x0040信道已经建立好。然后对此信道进行配置,配置完信道后,就可以利用此CID(信道标识符)为0x0040的L2CAP信道进行SDP查询。 ⑤AG在L2CAP信道上发送一个SDP查询包。SDP查询包将查询SDP服务器端HS是否具有所需要的服务。若查询成功,在ACL链路上,AG再建立一条标号为0x0041的L2CAP链路,用来传输RFCOMM数据;同时,断开用作SDP查询的标号为0x0040的L2CAP链路。 ⑥当CID为0x0041的L2CAP信道建立好之后,首先建立控制信道DLCI0,AG在信道上发送一个SABM帧,即要求建立RFCOMM层上的Channel0。如果响应方HS希望建立链接,返回一个UA帧,表明已经建立好了Channel0这条RFCOMM信道。此信道为控制信道,用来传送携带控制信息和命令的UIM帧。如果响应方HS不希望建立链接,返回一个DM帧。其次建立数据信道,先是对数据传送信道的参数进行协商,协商命令PN参数包括对将要建立的信道Channel1的优先级,最大帧长等,当双方协商好后建立传输数据的信道Channel1。 ⑦通过RFCOMM信道传输HS控制层的AT命令,即在RFCOMM数据传送信道Channel1上利用UIH帧传送AT+CKPD命令。当接收到对方的响应后,就可以开始建立SCO链接。 ⑧HCI(主机控制接口)发一个WRITE_VOICE_SETTING命令,对音频状态进行一些设置。当接收到AG的建立SCO链接的请求时,若HS允许,发送一个接收的HCI命令,在命令完成之后,传输音频信号的SCO链路就建立好了,此时就可以进行语音通信。结　语本文给出了蓝牙及蓝牙耳机系统的基本概念及其在软硬件方面的具体实现。蓝牙耳机使用户摆脱线缆的束缚,能够在较大的自由空间内通话。由于采用专用的声音编解码芯片和标准音频取样率44.1kHz,并经过先进的信号处理技术,能够使声音效果接近CD音质,这样也使蓝牙耳机真正取代有线耳机成为可能。参考文献1　SpecificationoftheBluetoothsystemVersion1.2[S]2　周启平,张杨.VxWorks下设备驱动程序及BSP开发指南[M].北京:中国电力出版社,20043　I2Sbusspecification[S]4　KyuHwanSeol,YeongSeogLim.ImplementationofHead2setUsingBluetooth[A].ProceedingsofDELTA20042SecondIEEEInternationalWorkshoponElectronicDesign,TestandApplications[C].IEEEComputerSociety,2004:425～4275　ZhouZhijian,ZhouShujie,XuHuimin.Designandimple2mentationofembeddedBluetoothsoftwaresystem[A].Pro2ceedingsofSPIETheInternationalSocietyforOpticalEngi2neering[C].TheInternationalSocietyforOpticalEngineer2ing.2001:457～467(收修改稿日期:2005205213)© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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蓝牙基础：蓝牙的工作原理

1、什么是蓝牙？

蓝牙（BlueTooth)是一种支持设备短距离通信的无线电技术,功率级别分CLASS1 100米距离和CLASS2 10米距离两种。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙的标准是IEEE802.15，工作在2.4GHz 频带，带宽可达3Mb/s。

手机、PDA、GPS蓝牙、耳机、笔记本内置蓝牙等一般为CLASS2 10米功率级别，工业用蓝牙应用100米级的多一些，如GC－06，KC－03蓝牙模块。

蓝牙技术规范由SIG组织开发维护，目前具备蓝牙通讯功能的产品已经很多。

2、蓝牙通信的主从关系

蓝牙技术规定每一对设备之间进行蓝牙通讯时，必须一个为主角色，另一为从角色，才能进行通信，通信时，必须由主端进行查找，发起配对，建链成功后，双方即可收发数据。

理论上，一个蓝牙主端设备，可同时与7个蓝牙从端设备进行通讯。

一个具备蓝牙通讯功能的设备， 可以在两个角色间切换，平时工作在从模式，等待其它主设备来连接，需要时，转换为主模式，向其它设备发起呼叫。

一个蓝牙设备以主模式发起呼叫时，需要知道对方的蓝牙地址，配对密码等信息，配对完成后，可直接发起呼叫。

3、蓝牙的呼叫过程

蓝牙主端设备发起呼叫，首先是查找，找出周围处于可被查找的蓝牙设备，此时从端设备需要处于可被查找状态，如：蓝牙耳机需要按键操作才能进入可被查找状态，我公司预装GCM－301、101等固件的模块始终处于可被查找状态。

主端设备找到从端蓝牙设备后，与从端蓝牙设备进行配对，此时需要输入从端设备的PIN码，一般蓝牙耳机默认为：1234或0000，立体声蓝牙耳机默认为：8888，也有设备不需要输入PIN码。

蓝牙协议体系结构及工作原理

对于蓝牙，小伙伴们都已经熟的不能再熟了，真可谓是已经熟透了呀。尤其是在WiFi还没有这么普遍的几年以前，上网下载东西不是这么地方便，那时候一旦一个小伙伴有了什么音频、视频、文档、图像等的珍惜资源时，大家都是通过蓝牙来进行资源共享的。用专业术语来讲，蓝牙其实是一个开放性的无线通信标准，通过使用隐形的连接线代替电缆来完成保持联系、不靠电缆、拒绝插头的目标，虽然目前它的魅力不足WIFI。

蓝牙简介蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般是10m之内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙的标准是IEEE802.15，工作在2.4GHz 频带，带宽为1Mb/s。

蓝牙（Bluetooth）原是一位在10世纪统一丹麦的国王，他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。用他的名字来命名这种新的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。蓝牙技术使用高速跳频（FH，Frequency Hopping）和时分多址（TDMA，TIme

DivesionMuliaccess）等先进技术，在近距离内最廉价地将几台数字化设备（各种移动设备、固定通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统，如数字照相机、数字摄像机等，甚至各种家用电器、自动化设备）呈网状链接起来。蓝牙技术将是网络中各种外围设备接口的统一桥梁，它消除了设备之间的连线，取而代之以无线连接。

蓝牙协议栈蓝牙技术是一种无线数据与数字通信的开放性规范。它以低成本、近距离无线连接为基础，为固定与移动设备建立了一种完整的通信方式和技术。

蓝牙技术的实质是建立通用无线接口及其控制软件的标准，使移动通信与计算机网络之间能实现无缝连接，由此，为不同厂家生产的便携式设备提供了近距离（10m~100m）范围内的互操作通道。

协议层次蓝牙协议是通信协议的一种，为了把复杂问题简单化，任何通信协议都具有层次性，特点如下：

骨传导、骨传导原理与未来蓝牙耳机发展趋势

什么是骨传导？也许这是很多网友首先会问的问题。那么请大家先用双手捂住自己的耳朵，然后尽可能小声的自言自语，这样即使你的声音再小，也可以完全听清楚你在说什么，这就是骨传导作用的结果。我们在挠头、刷牙、吃脆饼干的时候，听到的这些声音都是通过骨传导传入大脑的。

声音通过头骨，颌骨也能传到听觉神经，引起听觉.科学中把声音的这种传导方式叫做骨传导.一些失去听觉的人可以利用骨传导来听声音.据说，音乐家贝多芬耳聋后，就是用牙咬住木棒的一端，另一端顶在钢琴上来听自己演奏的琴声，从而继续进行创作的..

骨传导原理

这要从我们是怎么听到声音的说起。在正常情况下，声波通过空气传导、骨传导两条路径传入内耳，然后由内耳的内、外淋巴液产生振动，螺旋器完成感音过程，随后听神经产生神经冲动，呈递给听觉中枢，大脑皮层综合分析后，最终"听到"声音。也许对于空气传导(路径为声波-耳廓-外耳道-鼓膜-锤骨-砧骨-镫骨-前庭窗-外、内淋巴-螺旋器-听神经-听觉中枢)，我们或多或少还都有些感性认识，但是对骨传导，则有些不知所云了。也许举个例子你就明白了:用双手捂住耳朵，自言自语，无论多么小的声音，我们都能听见自己说什么，这就是骨传导作用的结果。

骨传导的实例

请你想一想，我们挠脑袋时，吃饼干时，刷牙时所发出的各种声音是怎样传进大脑的?有没有感觉到这些声音不是通过耳朵而是通过其它途径直接传入大脑的?对，这就是通过骨传导原理所听到的声音。据说，生活在海洋里的蛇是通过下颚骨获取在水中声音的振动然后传到耳朵;有听力障碍的贝多芬用牙齿咬住指挥棒，另一头放在钢琴上，通过指挥棒把钢琴所发出的声音转入听觉器官，这些都是骨传导原理。我们已经在无意识当中亲身体验着它们。

骨传导的方式

骨传导有移动式和挤压式两种方式，二者协同可刺激螺旋器引起听觉，其具体传导途径为:"声波-颅骨-骨迷路-内耳淋巴液-螺旋器-听神经-大脑皮层听觉中枢"。通常人们也并不需利用自己的颅骨去感受声音，但是，当外耳和中耳的病变使声波传递受阻时，则可以利用骨传导来弥补听力。如骨传导式助听器、骨传导式耳机等，就是利用骨传导来感受声音的。