汽车中蓝牙的优化设计垫板
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汽车中蓝牙的优化设计
汽车中蓝牙的优化设计 2011年12月04日 来源： 现在，汽车系统中使用各种电子设备，包括小型传感器，控制单元和电子通信系统。在汽车中的应用正在成为电子工业的新亮点。无线技术由于其灵活性同样也适合于汽车应用。作为流行的小范围无线技术，蓝牙技术用于10m范围的低成本，小体积和长电池寿命的无线传送。与其他像GSM或CDMA这样大范围的无线技术相比，蓝牙技术可以用无缝方式传输信息到最终用户。移动电话中蓝牙的作用就像无线网关一样。汽车car kit系统可以通过连接嵌入蓝牙的手机，然后间接连接到外部无线网络。通过带有蓝牙的手机，车内用户可以获得以下功能：免提电话：在车内，使用者的汽车电子系统将自动建立与蓝牙手机的连接，允许其在驾驶中使用无线电话。所有的操作可以由键盘或声音控制。遥控控制：用户通过蓝牙手机可以控制10米范围内的车门开关或其他车内的开关。音乐下载：用户可以通过蓝牙手机将音乐下载到汽车的Hi-Fi系统中。电子导航系统：用户可以在车内下载GPS导航系统的电子地图。反之，当前位置数据将通过蓝牙手机传送到导航中心。电子诊断系统：汽车电子系统可以自动传送故障ID到汽车服务中心。服务中心可以根据故障ID预先准备备用零件或工具。在大量汽车系统上使用蓝牙，必须仔细的考虑一些硬件和软件带来的问题。硬件能够提供蓝牙RF和基带功能。在硬件设计时主要考虑的问题是，工作温度，可靠性和成本。另一方面，软件在执行高水平功能时扮演重要的角色。为了保证互用性，蓝牙技术联盟（SIG）发布了一系列标准，包括内核协议堆栈，测试标准和认定手续。对于汽车应用，SIG已经发布免提框架。迄今为止，该框架已经成熟并且由一些主流手机制造商支持。然而目前，SIG并没有发布正式的框架。一些制造商已经开发其自己的蓝牙手机上在蓝牙汽车上的应用。例如，三星发布的一款蓝牙手机，SPH-X7700。能够从CDMA 1X网络上下载WMA音乐比特流，然后通过蓝牙将比特流压入汽车的Hi-Fi播放系统中。系统结构RF芯片通过双道2.4GHz ISM band无线连接提供数据和声音。基带芯片提供低水平功能，例如跳频，编码，审核，音频译码器/解码器，LMP和HCI固件。处理器通常是由一个MCU或DSP组成，运行蓝牙上层协议堆栈，框架和声音算法。RF，基带和处理器简单来说都是蓝牙的子系统。
图1：蓝牙在汽车系统结构中
通过汽车收音机，麦克风和扬声器，为蓝牙提供视频I/O。主单元运行MMI软件控制蓝牙子系统，汽车收音机和其他车内电子模块。GUI为用户提供友好的界面以控制这些模块。蓝牙汽车系统必须与蓝牙手机相连实现系统的功能。蓝牙子系统蓝牙子系统包括实现蓝牙汽车系统应用，所有必须的硬件和软件。基带芯片通过UART和SSI界面连接到处理器。UART界面的作用好比HCI的传送层，传送名利，数据和事件；SSI界面用来传递SCO数据，见图2，显示的是处理器中的软件结构。
图2 蓝牙系统软件结构
板级支持软件包（BSP）压缩所有硬件，相关编码确保高水平软件与硬件的独立。实现软件结构和实时性能需要一个RTOS。因此设计者应该仔细选择一个RTOS以满足RAM/ROM尺寸，中断响应延迟，测试转换延迟，进程等等的需要。蓝牙内核堆栈协议由HCI HOST， L2CAP， SDP 和RFCOMM组成。此外，在内核堆栈协议有很多框架，例如免提框架和耳机框架。未来SIG将发布新的框架，软件结构应更加灵活以增加其他框架。数据库提供添加，删除和查找功能，管理本地设备和远程设备的唱片。所有数据将会存贮在闪存中，数据包括BD地址，设备名称，PIN码，SDP录音，连接键等等。如果car kit与多个远程设备一起工作，数据库应该足够大以存储每个远程设备的数据。蓝牙管理实体（BTME）依据定义好的路径处理协议堆栈和数据库，完成存储管理，连接管理和安全管理。声音算法同样也是car kit系统必须的。这些算法包括声学回声消除器（AEC），噪音抑制（NS），语音识别（VR）和语音合成（VS）。通过免提电话呼叫，远程讲话者由于车内扩音器和麦克风的声学反馈将会听见自己的回声。AEC是显著减小回声的有效方法。NS抑制风和发动机噪声以提高声音质量。VR通过驾驶着的语音指令控制car kit系统，例如打电话，接听电话等等。VS可以移动面板上的大多数信号灯。驾驶者由VS的语音提示接受信息。语音管理实体用来管理各种DSP算法模式，无论是参数设定还是算法缓存管理。MMI界面用来通过特殊协议连接外部MMI主机和蓝牙子系统。外部MMI主机发送一个指令到MMI界面，然后MMI界面分析接收到的指令以控制应用层。同时，应用层将会从子系统到外部MMI主机发送外部数据，状态或事件。应用层由从MMI界面到BTME的事件驱动，然后采取适当的操作控制其他与之连接的实体。此外，应用层也处理普通事件例如MMI协议包的破坏，蓝牙连接实效，审核失败等等。蓝牙框架是蓝牙应用的规范。该规范包括系统特征的定义，使用模式，内核协议堆栈结构，特殊协议的定义和互用性测试的定义（IOT）.定义包括很多需要强制仲裁，有条件或无条件支持的特征。免提框架该框架定义处理需要通过语音网关（AG）和免提单元（HFU）间连接建立数据和语音连接。在连接的基础上，HFU控制AG通过外部GSM 或 CDMA网络完成电话操作。作为HFU和外部网络的桥梁，AG通常是带蓝牙的GSM或CDMA手机。
图3 免提框架使用RFCOMM频道为免提应用发送特殊指令
以下是由AG或HFU支持的免提框架的主要特征：AG 和 HFU应该能过支持服务水平连接（SLC）。所有控制命令视SLC为传输层。HFU可以从AG接收位置信息。信息反映的是AG当前的状态，例如呼叫状态，网状态等等。AG和HFU可以连接SCO或不可以。AG和HFU可以接收语音呼叫信息。AG和HFU可以拒绝语音呼叫信息。AG和HFU可以结束进程中的呼叫。AG和HFU可以在呼叫期间互相传递声音。AG和HFU可以通过语音拨号或键盘拨号。AG 和 HFU可支持3通道通话同时提供呼叫等待提示。AG 和 HFU可以显示呼叫线路ID（CLI）。AG 和 HFU可以支持AEC，NS或VR算法。AG 和 HFU可以在通话期间发动DTMF码。AG 和 HFU可以远程控制麦克风和耳机的音量。蓝牙免提框架典型的应用见图4。这里，蓝牙car kit是 HFU同时蓝牙手机是AG。第一次使用前用户需要将移动电话与car kit绑定，在10米范围内car kit可以自动找到并与手机连接。用户可以在蓝牙连接后使用免提功能。
图4 蓝牙在免提构架中的典型应用，用户事先需要将手机与car bit绑定
图3描绘的是内核堆栈协议的结构。免提框架使用RFCOMM频道为免提应用发送命令。这些命令是标准AT命令的一部分：同时几个蓝牙特殊AT命令附加在这些子集中。这些AT命令子集常用于执行手机相关特征，例如，呼叫状态报告，接收呼叫，拒绝呼叫，呼叫等待，拨号，三路通话，CLI显示，发送DTMF，远程音量控制，AEC/NS/VR控制等等。 另一方面，为了满足互用性的需要，免提框架定义可蓝牙连接管理和安全管理的框架。免提框架定义AG应该是来接程序的开始。在程序中，在HFU扫描查询时AG模拟查询。通过查询，AG发现HFU设备在附近。然后AG创建一页建立ACL与HFU的连接，开始启动绑定程序。在绑定期间，AG必须是主程序HFU必须是子程序。在绑定后，无论是HFU还是AG都可以作为主程序创建ACL连接。在免提框架中蓝牙连接的安全性没有强制要求。作为免提应用，有必要通过审核和密码保证任何通话的私密性。审核是一个过程，一个设备通过连接键可以效验其他合法设备。通常，审核发生在两通路上。密码是ACL数据在两个设备间传输，由加密键保护的程序。如果设备具有加密键，加密的ACL数据很容易破译。加密键从已知算法的连接键产生。因此连接键在安全系统中是非常重要的。在免提应用中，连接键在AG和HFU之间的相互进程中产生。在进程中，用户需要输入正确的PIN码创建一个连接键。此外，蓝牙car kit一般可以由很多设备提供。其他设备打算访问这些设备时car kit也许需要控制访问权。访问控制也是审核程序的应用。审核批准远程设备访问指定本地蓝牙设备的访问权。通常，car kit应当允许AG访问免提服务。耳麦框架在汽车car kit系统中，耳麦框架也用于免提电话中。实际上，耳麦框架是单一的同时由免提框架功能限制的。由于简单的耳麦使用界面（例如，几个按键和LEDs指示灯），耳麦框架仅定义了有限的特征，例如连接/切断ACL或SCO连接，随意支持远程音量控制。在汽车car kit系统中使用耳麦构架的原因是市场中几乎所有的蓝牙耳机都支持耳麦构架。通过耳麦构架，使用者可以做一些基本的手机操作，例如接听电话，挂机，和语音拨号。蓝牙耳麦构架规则与免提构架规则相似（注：增加耳麦控制实体和额外内核堆栈协议应用）在汽车car kit系统设计和执行中，硬件解决方案需要满足温度范围，可靠性，成本等等的要求。同时软件解决方案需要满足互用性，可拓展性，实时性和高可靠性的要求。从技术的观点来说，SIG需要发布新的汽车应用构架，同时发布严格的IOT标准以保证不同厂商设备间的互用性，使蓝牙技术在汽车系统中广泛应用。目前免提和耳麦构架已经在汽车car kit或手机中广泛使用。随着汽车蓝牙标准的改进，蓝牙在汽车中的应用必须在未来市场中有良好的前景。(end)