车载蓝牙 课程设计.docx

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车载蓝牙课程设计

一、概述

1.车载蓝牙发展趋势

蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。

随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织（SIG）来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟该组织，最近微软公司也正式加盟并成为SIG组织的领导成员之一。

蓝牙是无线数据和语音传输的开放式标准，它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。

它的传输距离为10cm～10m，如果增加功率或是加上某些外设便可达到100m的传输距离。

蓝牙支持64kb/s实时语音传输和数据传输，语音编码为CVSD，发射功率分别为1mW、2.5mW和100mW，并使用全球统一的48比特的设备识别码。

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。

利用蓝牙技术的设备可以和其他七个以内的设备构成所谓的蓝牙微网（Piconet），共享1Mbps的频宽，而一个蓝牙设备可以同时加入8个不同的微网，每个子网分别有1Mbps的传输频宽。

运作时，二个以上的装置共享一个频道即构成一个微网，并由其中一个装置主导传输量。

由于同一时间每个装置还可以分别隶属于不同的微网，因此，各个蓝牙装置就可通过网网互连，互相传递资讯。

当设备未加入蓝牙微网时，它会先进入待机状态，在此状态下，随时监听传呼讯息，直到收到的讯号与自己本身的识别码相关时才会启动自己，并且呼叫连结程序，接着进行识别码的确认及信号时间的同步，以便决定往后跳频，从而建立一个微网络。

在这样一个微网中，用户将不再受到各种电缆的束缚，能够轻而易举地拥有一处宝贵的个性化空间，轻松享受无限自由的乐趣[1]。

采用蓝牙技术，可以通过嵌入在电子装置上的一个写有程序的微电子芯片，使所有相关设备在有效范围内完成相互交换信息、传递数据的工作。

它省去了那些将移动电话、个人信息处理系统及其他一些电子设备相互连接的电缆装置。

当然，作为一种近距离的无线通信技术，蓝牙技术并不是唯一的。

但是与其他相应的无线通信技术比较起来，蓝牙技术的优势就在于它的全球统一的、开放的技术标准，蓝牙可传送影音资料，其他则不可能。

另外，蓝牙不但可穿透物体传输，且不对准接收模组的方向就可传送资料，这是红外线传输无法作到的。

对于移动设备而言，蓝牙具明显优势。

蓝牙最大的优势还在于，在更新网络骨干时，如果搭配蓝牙架构进行，使用整体网路的成本肯定比铺设线缆低。

蓝牙在汽车中有其他无线传输方式不可替代的应用优势，它的低功耗，小体积，低价位等特点使其在汽车工业中具有很强的竞争力，目前蓝牙的应用主要表现在把便携电子产品，比如PDA、蜂窝电话通车载网络设备连接起来，但是蓝牙未来的应用更趋向于同车车载设备集成在一起，通过蓝牙来连接车辆上的多个系统，比如电源管理系统，制动系统，减震系统和后座娱乐系统等，从而减轻车辆重量和车内布线的复杂度，实现汽车的智能化。

2.蓝牙在汽车上的应用

车载系统正向智能化、信息化和网络化方向发展，汽车市场已经成为电子工业一个重要的增长点，蓝牙无线通信技术在汽车等移动系统中有着广泛的应用前景。

本文介绍的汽车蓝牙应用主要以手机为无线网关，车载系统通过蓝牙无线链路和手机连接，再连入外部无线网络。

利用该方案，用户通过一部蓝牙手机就可以方便地使用以下功能：

（1）免提电话。

用户进入车内，车载系统自动连接上用户手机。

用户在驾车时，无须用手操作就可以用声控完成拨号、接听、挂断和音量调节等功能，通过车内麦克风和音响系统进全双工免提通话[2]。

（2）汽车遥控。

用户可以在10米范围内用手机控制车门和车中的各类开关。

（3）音乐下载。

用户可以通过手机下载音乐到汽车音响中播放。

（4）电子导航。

用户可以通过手机下载电子地图等数据到车载GPS导航系统中导航系统得到当前坐标参数再通过手机短信传回导航中心。

（5）汽车自动故障诊断系统。

车载系统可以通过手机将故障代码等信息发往维修中心，维修中心派人前来修理时可以按故障代码等信息准备好相应的配件和修理工具。

二、系统简介

1.蓝牙子系统结构分析

蓝牙子系统包含实现蓝牙车载应用规范有关的软硬件。

基带芯片通过UART和SSI接口连接处理器。

HCI命令、数据和事件通过UART接口传输；SCO数据通过SSI接口传输。

如前所述，处理器运行蓝牙上层协议栈、应用规范和语音算法等核心软件。

图1给出了蓝牙子系统中处理器上运行的软件结构。

图1蓝牙子系统结构

图1中的电路支持包（BSP）包含所有与硬件有关的代码，可以保证上层软件良好的硬件无关性。

RTOS为软件提供良好的结构和实时性能。

设计时应充分考虑RTOS的RAM、ROM占用大小、中断响应和任务切换时间，以及调度算法是否满足语音算法等部分对实时性的要求。

蓝牙协议栈包括HCIHOST、L2CAP、SDP和RFCOMM等上层协议。

在协议栈之上，按不同的应用要求放置有若干应用规范，如免提应用规范和耳机应用规范。

由于新的应用规范不断出现，软件结构应便于加入新的应用规范以备将来扩充应用范围。

数据库提供记录的添加、删除和查找功能来管理本地和远端蓝牙设备的数据，通常这些数据存放在Flash存储器中。

存放的数据有本地设备的蓝牙地址、设备名称、配对密码和SDP记录，以及远端设备的蓝牙地址、设备名称、SDP记录、链路密钥、鉴权和授权方案。

由于系统需要和多个远端设备配对，数据库应有足够的容量来存放多个远端设备的数据。

蓝牙管理层（BluetoothME）对协议栈和数据库调用使其按一定流程工作，从而执行访问控制管理、连接管理和安全管理等。

在车载系统中还需要提供语音算法，因为在免提通话时对方可以听到自己的回声,可以采用回声抵消（AEC）技术来消除。

行车过程中进行免提通话时，发动机噪声、路面噪声、风声会进入车内麦克风，影响通话质量。

采用噪音抑制（NS）技术可以抑制车内噪声以提高通话清晰度。

为了增加行车安全，语音识别（VR）技术可以让驾驶员无需手动操作电子设备，通过预先录入的声音指令，驾驶员可以拨打电话，接听电话等；语音合成（VS）技术用语音信号提醒驾驶员需要进行的操作或一些值得注意的信息；语音管理层对各种语音算法模块进行管理，如配置算法参数和缓冲区数据输入输出等；人机接口层（MMIIn_terface）是外部与蓝牙子系统进行通信的接口，这种通信使用专门的协议，外部MMI主机通过该协议发送命令到人机接口层，人机接口层解释收到的命令，继而控制应用层进行相应的动作，同时应用层也会将蓝牙子系统的数据、状态和事件送往人机接口层,人机接口层通过该协议发送命令到外部MMI主机。

应用层接受所有来自人机接口层和蓝牙管理层的事件，在一定的应用条件约束下对接收到的事件进行处理，并执行相应的动作以控制人机接口层、蓝牙管理层和语音管理层进行有序工作。

应用层还负责对异常情况进行处理，比如人机接口层收到错误指令、蓝牙链路的异常断开、鉴权失败等,通过适当的错误处理机制来提高系统的可靠性。

蓝牙应用规范规定了为实现某种应用，蓝牙设备应满足的一些技术标准。

包括应用特性的规定、应用模型的定义、核心协议栈的配置、在核心协议上为实现特定应用而定义的协议等。

由以上结构可以看出,通过合理配置各软件功能模块就可以在相同硬件平台上支持多个应用规范。

图2是协议栈的配置情况。

免提规范是通过在RFCOMM上传送专用控制命令来实现的，这些命令是通用AT指令集的一个子集，同时添加了有关的专用指令。

通过这些AT指令可以完成电话状态显示、接听、拒绝、挂断、传输双音多频码（DTMF）、远程音量控制、控制回声抵消、噪声抑制和语音识别等功能。

图2协议栈的配置

2.蓝牙模块内部结构及功能块介绍

WRAPTHOR2022-l包含5个功能块：

射频补充控制单元部分、蓝牙核心芯片组、闪存、电源管理模块和时钟，其系统框图如图3所示。

图3蓝牙模块原理框图

（1）射频补充控制单元

根据用户的开发要求设置蓝牙射频发射功率等级，分别实现1级功率100mW（20dbm），2级功率2.5mW（4dbm），3级功率lmW（0dbm）的不同发射功率要求。

蓝牙射频补充控制单元将由天线收到的2.4GHz高频信号经带通滤波器，低噪放大送入BlueCore02的射频单元，同时将由BlueCore2射频单元产生的2.4GHz高频信号送入功放，经带通滤波器滤波后由外接天线发射出去。

射频天线可根据用户的需求灵活选用，本方案采用内建隐藏方式的倒F型天线（利用PCB板材进行天线设计）。

本蓝牙模块的RF引脚外接匹配阻抗为50Ω的天线。

（2）蓝牙核心芯片组

蓝牙核心芯片组Bluecore02采用的是英国CSR公司的第二代需外置固件存储器的单芯片（BlueCore02-ex-ternal），其内部结构框图如图4所示，主要包括无线收发器，基带与逻辑链路控制器及对外接口电路。

图4蓝牙芯片核心框图

无线收发器是一个工作在2.4～2.4835GHzISM频段的短距离微波频率射频收发器，使用GFSK调制，最大的发送或接收数据传输率为1Mb/s。

它能在可供使用的79个信道（2400～2483.5MHz）之间快速地跳频（1600个信道/s），通道带宽是1MHz，频率偏差在140～175kHz之间，能满足蓝牙一级操作，最大输出功率是17dbm，能进行可编程功率控制。

安装天线之后，传输距离可达100m，符合ISM频段的FCC和ETSI标准。

该收发器以RadioASIC为基础，集成了环路滤波器、压控振荡器（VCO）、天线滤波器、收发控制器、发送器和接收器6个操作部件。

基带控制器包括：

微处理器、存储器、接口电路、语音处理电路、电源管理与时钟电路等。

微处理器是一个基于32位ARM的功能块，它完成射频信号处理，控制和协调各功能部件等功能。

32KB的片上RAM用于存储临时数据（保持蓝牙语音与数据的缓冲存储）。

外部存储器驱动部分用于与外部Flash或ROM的连接与驱动。

接口电路向外围设备及蓝牙主机提供各种通信接口，包括USB接口、SPI接口（同步串行接口用于与其他外设数字设备进行通信或作为外部Flash的编译和下载接口）、UART口和PCM口（用于与外接数字音频信号之间的匹配，可以直接接入PCM格式的音频数字信号）。

（3）闪存

闪存以二进制代码的格式存放蓝牙固件，可与基带控制器交换数据地址和控制信号。

蓝牙固件包括射频和基带各层协议及接口应用程序。

本蓝牙模块默认的软件协议栈为RFCOMMStack，其协议栈框图如图3所示。

图5蓝牙模块软件协议栈（基于RFCOMM）

其中，蓝牙基带与链路控制器协议（LC）处理与高层协议数据的协议转换，将来自高层协议的数据进行信道编码，向下传给射频进行发送；接收数据时，射频将经过解调恢复空中数据并上传给基带，基带再对数据进行信道解码，向高层传输。

链路管理器实现了链路管理协议（LMP），负责处理底层链路控制。

每个蓝牙设备都可以通过LMP与另一个蓝牙设备的链路管理器进行点对点的通信。

逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）为高层协议与底层协议之间不同长度PDU（协议数据单元）的传输建立一条桥梁，并且为较高的协议层屏蔽低层传输的特性。

串口仿真协议（RFCOMM）为串行电缆连接方式的替代提供接口环境。

基于这种方式的软件协议栈，将蓝牙协议栈高至RFCOMM层的软件协议都嵌入到主机控制器，从而大大减少主机一方软件开发的工作量。

相对于传统基于HCI层的软件协议栈，该方式给蓝牙应用开发工程师带来了极大的便利条件。

微处理器和固件一起构成了整个蓝牙芯片的核心，称为蓝牙引擎。

（4）电源管理模块

该模块提供芯片所需电源。

Vcc的典型值是3.3V。

（5）时钟

该模块内置16MHz的时钟。

时钟由一个晶体振荡器产生，保证定时精度在20×10-6之内。

3.芯片接口和主要引脚介绍

BLUEGIGA2022-1与主机或其他设备互联时，有三种接口方式。

（1）USB接口

BLUEGIGA2022-l的USB接口符合USBl.1规范，双向端口USB_D+&USB_D-，数据传输可达12Mbps。

当使用USB接口与主机通信时，BLUEGIGA2022-l是一个USB从设备。

与该接口有关的引脚有：

◆USB_D+（BI）&USB_D-（B2）用于数据传输；

◆USB_ON&GND用于与笔记本电脑互联，可用来控制笔记本电脑的状态，当主机处于掉电模式时，如果蓝牙设备收到建立连接的请求，USB_ON信号就会“唤醒”主机，主机可通过GND信号指示自己处于“挂起”模式。

（2）UART接口

BLUEGIGA2022-l的UART接口符合工业标准16C450，支持以下波特率（单位为b/s）：

1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、76800、l15200、230400、460800、921600和1382400。

使用PSTOOL设置软件（通过SPl口与PC机相连）可改变UART接口的波特率。

（3）PCM语音口

标准的PCM语音接口采样速率为8kHz。

语音编码方式可采用CVSD（连续可变斜率增量调制）、μ律（8位）或A律（8位）。

考虑到编码的健壮性，应优先选择CVSD。

与PCM语音接口有关的引脚信号有：

◆PCM_SYNC设置PCM数据的采样速率；

◆PCM_CLK设置PCM数据的传输速率，该模式支持主控方式与从方式，在主方式条件下，蓝牙模块产生128kHz、256kHz和512kHz三种时钟信号，可由PSTO01。

进行设置；

◆PCM_0UT&PCM_IN接收或发送语音编码信号。

4.蓝牙车载免提系统简介

语音通信是蓝牙技术应用的一个重要方面。

SIG为各种应用蓝牙技术的产品制定了相应的应用框架，其中，音频应用框架中的头戴式设备框架和免提应用框架是基于通用访问框架（GAP）中的串口应用框架（SPP）。

头戴式设备框架定义了执行耳机功能的蓝牙设备所使用的协议和过程，这类设备常见的有耳机、个人电脑和蜂窝电话。

免提应用框架定义了车载免提设备的实现要求，该设备可以和蓝牙手机通过语音控制实现拨打和接听电话功能。

下面介绍基于免提应用框架的蓝牙语音系统。

本套系统利用BLUEGIGA2022-l蓝牙模块，开发了一套蓝牙车载免提系统，它能使现有的各种不具备蓝牙功能的通信设备（手机或固定电话）或者支持蓝牙免提功能的手机与蓝牙免提耳麦之间进行无线语音传输，从而实现蓝牙技术向现有设备的后向兼容。

（1）免提应用框架

正在驾驶汽车时手机响，此时又不能腾出手接电话，蓝牙免提应用框架（HandFreeProfile，HFP）提供了对这个问题的一种解决方案，您可以用语音控制车内的蓝牙免提设备来完成和蓝牙手机的通信。

免提应用框架（HFP）与电话控制二进制（TCS-Bi-nary）协议无关，只要通过在蓝牙串口仿真协议（RF-cOMM）层传输AT电话控制指令，就能够实现蓝牙免提设备的全部功能。

该系统由蓝牙适配器和蓝牙免提耳麦两部分构成。

若用户的手机不具备蓝牙功能，则可将蓝牙适配器与现有的通信设备（手机）相连，实现蓝牙与手机之间的信号转换。

由手机上的音频口将音频信号提取出来，并利用手机中主通信模块上的AT指令接口与蓝牙模块进行通信。

蓝牙免提上有PTT按钮，用于接听和挂断来电。

蓝牙适配器（或用户自带支持免提功能的蓝牙手机）和蓝牙免提彼此之间可建立蓝牙无线链路，用于传输语音、数据或控制信号。

系统工作流程如下：

呼人（IncomingCall）即下行链路，指的是由蜂窝网发起的到音频网关的呼叫连接；呼出（OutgoingCall）即上行链路，指的是由音频网关发起的到蜂窝网的呼叫连接。

蓝牙适配器和免提单元既可以作为主方也可以作为从方，上电后双方都可以自如的发起语音链接，搜索周围的蓝牙设备。

如果周围存在蓝牙设备，则主方会发起连接请求，与之建立蓝牙数据连接，当有来电或有电话拨出时，若从方决定接通通话，则由主方建立与从方之间的语音链路（SCO链路），并进入通话状态。

对于支持免提功能的蓝牙手机而言，其自身应具有录音存储功能（内置语音识别芯片）。

使用该功能时，存储一段录音与一个号码相对应，在免提端进行VOlCEDAIL-UP时,只是传输一段语音，音频网关一端的语音识别芯片去匹配这段录音，经过学习和识别后找到对应预先设置的号码，再通过语音识别芯片的I／0口拨出去（与手动电话拨号类似）。

从而实现用语音控制车内的蓝牙免提设备来完成和蓝牙手机的通信过程。

（2）硬件电路

蓝牙免提的硬件结构电路框图如图6所示，其主要分为以下几个部分。

①蓝牙模块。

包括BLUEGIGA点对多点蓝牙芯片和倒F天线。

芯片实现蓝牙通信的核心功能。

②F1ash模块。

采用一个8MB的闪存完成系统的初始化，蓝牙通信链路的建立和监测手机来电等功能。

该模块采用并行方式扩展型号为MBM29LV800BA-90PBT的Flash存储器。

③控制按钮与信号灯用户接口电路。

控制按钮包括挂接电话键，音量控制键等。

④回音与噪声消除电路。

该电路采用0KIMSM7731-2芯片，既消除了由于用户端的麦克风与喇叭距离过近造成的回音问题，又可以降低在汽车行驶环境下由于路况和周围环境造成的干扰。

⑤音频功率放大器。

该电路采用飞利浦TPAl519C芯片，该芯片为11W双信道B类音频功率放大器。

用以驱动一个8Ω/2w的喇叭。

⑥汽车音响与免提喇叭的切换电路。

采用继电器进行硬件切换，由BlueCore2-External进行软件切换信号控制。

图6蓝牙免提硬件电路图

当用户的手机或固定电话不支持蓝牙功能时，提供了蓝牙适配器解决方案（即语音网关EAG），可在手机或话机开发公司的支持下实现与手机或话机接口的无缝连接。

图7为蓝牙语音网关的系统结构框图。

图7蓝牙语音网关系统结构框图

（3）软件设计

软件设计采用虚拟设备（VirtuaIMachine）软件协议栈，将高至应用层的协议软件全部固化进8MB的Flash。

BlueCore2-External中的32位RISC微处理器中运行了一个虚拟设备（VirtualMachine），它提供了应用程序的运行空间，而不影响低层的蓝牙通信协议栈。

三、结论

在蓝牙车载系统的设计和实现过程中，需要采用合理的硬件设计方案来满足汽车应用在温度范围、可靠性和价格等方面的要求，同时还需要采用合理的软件方案来满足严格的蓝牙互操作性要求、良好的功能扩展能力以及良好的实时性和高可靠性。

蓝牙车载系统要大规模应用，在技术方面还需要解决应用规范的标准化问题，并且需要有完备的测试手段来保证不同厂商之间的设备有良好的互操作性。

目前，免提应用规范和耳机应用规范在蓝牙车载系统和蓝牙手机上已经有广泛的支持。

心得与体会

学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关高频电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。

实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

致谢

这次课程设计让我学到了很多东西，感谢于老师的指导，感谢学校给我们这么好的学习机会来培养我们的动手能力。

希望学校能够更加注重学生动手能力的培养，多给学生自己动手操作的机会，在实验和课程设计的过程中严格把关，培养出社会需要的动手能力强的学生。

在此，我要用我最衷心的感谢，送给每一个在设计上给过我帮助的人。

参考文献

[1]吴茗.车载蓝牙:

时尚风向标[J].信息网络，2006,9（11）:

14-16.[2]王英洲.基于蓝牙技术的数字信息站的研究与设计[D].成都:

西南交通大学,2005.[3]涂友斌.多功能车载免提电话系统的设计及实现[D].南京:

东南大学,2006.[4]王媛.基于蓝牙传输的信息服务技术研究[D].杭州:

浙江大学,2006.