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。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10 m，传输速率达723．2 kb／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公开标准，实现设备问的电缆替代。

　　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48 MHz APM7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UDAl380音频芯片。UDAl380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，UDAl380利用与微控器接口作音控处理．并利用L3接口来控制音量。

　　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(Inter-IC Sound bus)是飞利浦公司提出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，UDAl380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

　　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(MAC-RO)，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)

　　typedet
{MSG_IDSdpToL2cap；
MSG_ID L2capToSdp；
MSG_ID RfToL2cap；
MSG_ID L2capToRf；
MSG_lD HAToSdp；
MSG_ID SdpToHA；
MSG_ID HAToRf；
MSG_ID RfToHA；
}MSG_QUEUE_ID／／定义消息队列1D结构体类型
MSG_QUEUE_ID MsgQueueld； ／／定义全局消息队列ID结构体，用于存放每个消息队列的ID
vInitlalizeL2caD()；／／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

　　(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HeadsetApplieation的消息HAToSdp，对上报信息进行应答

　　(6)RFOOMM软件的设计

　　tRfDealMsgFromHA()
／／处理来自HeadsetApplication的消息HAToRf，生成RFCOMM数据包，传送给L2CAP
tRfDealMsgFromL2cap()
／／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

　　tHADealMsgFronaSdp()
／／处理来自SDP的消息SdpToHA，判断是否正常并处理
tHADeaIMsgFromRf()
／／处理来自RFCMM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。

　　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l.2CAP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0x004l的L2CAP信道建立好之后，首先建立控制信道DICIO，AG在信道上发送一个SABM帧，即要求建立RFCOMM层上的Channel O。如果响应方HS希望建立链接，返回一个VA帧，表明已经建立好了Channel 0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Channel 1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Channell。

　　⑦通过RFooMM信道传输HS控制层的AT命令，即在RFCOMM数据传送信道Channe1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SC0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SC0链路就建立好了，此时就可以进行语音通信。

　　结语

　　由于采用专用的声音编解码芯片和标准音频取样率44．1 kHz，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。