一種車載藍牙系統的設計思路

張聞鳴

摘要：車載藍牙系統需要解決硬件和軟件兩方面的問題。硬件實現藍牙的射頻和基帶部分，工作溫度范圍、可靠性和價格是在設計硬件時應考慮的重點問題;軟件實現藍牙的各種上層功能。免提電話作為藍牙技術在車載系統中的主要應用，其應用規范已經成熟并獲得眾多手機廠商的支持。

關鍵詞：車載;藍牙系統;設計

藍牙手機的工作示意圖如圖1所示。

如圖1所示，射頻芯片在2.4 GHz頻段提供數據和語音無線雙向傳送。基帶芯片包含跳頻、信道加密解密、鑒權、SCO語音編解碼等硬件，以及鏈路管理、HCI接口等固件。處理器運行藍牙上層協議棧、應用規范和語音算法等核心軟件。為方便描述，本書將射頻、基帶和處理器部分稱為藍牙子系統。汽車音響通過車內麥克風和揚聲器為藍牙子系統提供聲音的輸入輸出。主控制器運行人機接口（MMI）等軟件，對藍牙子系統、汽車音響和其他車載電子設備進行集中控制管理，并將有關信息顯示在圖形用戶界面（GUI）上。

一、藍牙子系統結構分析

藍牙子系統包含實現藍牙車載應用規范有關的軟、硬件。基帶芯片通過UART（unlversal asynchronous receiver7transmitter，通用異步收發傳輸器）和SSI（synchronousserial interface，同步串行接口）連接處理器：HCI命令、數據和事件通過UART接口傳輸;SCO數據通過SSI接口傳輸。如前所述，處理器運行藍牙上層協議棧、應用規范和語音算法等核心軟件。

主板支持包（BSP）包含所有與硬件有關的代碼，可以保證上層軟件良好的硬件無關性ORTOS（real time operating system，實時操作系統）為軟件提供良好的結構和實時性能。設計時應充分考慮RTOS的RAM（random access memory，隨機存取存儲器）、ROM（read only memory，只讀存儲器）占用大小、中斷響應和任務切換時間，以及調度算法是否滿足語音算法等部分對實時性的要求。藍牙協議棧包括HCI HOST.L2CAP、SDP和RFCOMM等上層協議。在協議棧之上，按不同的應用要求放置有若干應用規范，如免提應用規范和耳機應用規范。由于新的應用規范不斷出現，軟件結構應便于加入新的應用規范，以備將來擴充應用范圍。數據庫提供記錄的添加、刪除和查找功能來管理本地和遠端藍牙設備的數據，通常這些數據存放在Flash存儲器中。存放的數據有本地設備的藍牙地址、設備名稱、配對密碼和SDP記錄，以及遠端設備的藍牙地址、設備名稱、SDP記錄、鏈路密鑰、鑒權和授權方案。由于系統需要和多個遠端設備配對，因而數據庫應有足夠的容量來存放多個遠端設備的數據。

藍牙管理層（Bluetooth ME）對協議棧和數據庫進行調用，使其按一定的流程工作，從而執行訪問控制管理、連接管理和安全管理等。在車載藍牙系統中還需要提供語音算法：在免提通話時對方可以聽到自己的回聲，需采用回聲抵消（AEC）技術消除;行車過程中進行免提通話時，發動機噪聲、路面噪聲、風聲會進入車內麥克風，影響通話質量，需采用噪音抑制（NS）技術抑制車內噪聲以提高通話清晰度;為了增加行車安全，語音識別（VR）技術可以讓駕駛員無須手動操作電子設備，通過預先錄入的聲音指令，駕駛員可以撥打電話、接聽電話等。

二、藍牙免提應用規范

藍牙免提應用規范規定了在語音網關和免提設備之間建立藍牙數據和語音連接的過程，以及免提設備如何基于該連接對手機進行遠程控制，并訪問外部網絡以實現電話功能。

該規范中的語音網關是免提設備與外界進行語音通信的橋梁，一般語音網關是指GSM或CDI/IA（code division multiple access，碼分多址）手機。通過語音網關，免提設備可以使用蜂窩網提供的電話服務。免提設備和語音網關連通后，用戶可以進行免提通話。在這里免提設備一般指車載藍牙系統。該規范規定了語音網關和免提設備應支持的特性，語音網關和免提設備必須支持建立服務級連接（SLC）o所有的控制信令在SLC上傳遞。

車載藍牙系統是免提設備，手機充當語音網關。圖中的手機具有藍牙功能，第一次使用前需要和車載藍牙系統進行綁定，用戶輸入正確的密碼后，綁定即告成功。此后，經過綁定的藍牙手機靠近車載藍牙系統10m左右，兩者就能自動建立連接。

藍牙免提應用規范是通過在RFCOMI上傳送專用控制命令來實現的，這些命令是通用AT指令集的一個子集，同時添加了有關的專用指令。通過這些AT指令可以完成電話狀態顯示、接聽、拒絕、掛斷、傳輸雙音多頻碼（DTMF）、遠程音量控制、控制回聲抵消、噪聲抑制和語音識別等功能。

另外，為了滿足互操作性要求，藍牙免提應用規范還就藍牙信道的連接過程、安全管理等方面做出了一些規定。藍牙免提應用規范規定語音網關和免提設備之間進行綁定時，語音網關應該是發起者。語音網關發起設備查詢，免提設備進行查詢掃描，通過設備查詢語音網關就可以找到有效范圍內的免提設備。然后語音網關通過呼叫（ paging）與免提設備建立連接，發起綁定流程。在該情況下，語音網關只能作為主設備，免提設備為從設備。綁定完成后，可以由免提設備或語音網關任何一方發起連接請求，沒有固定的主-從設備之分。

藍牙免提應用規范本身不對藍牙鏈路的安全性提出強制性要求。就免提應用而言，為了保證通話內容的安全性，應進行鑒權和加密。鑒權是設備一方通過檢查鏈路密鑰來驗證對方設備的合法性，鑒權可以雙向進行;加密是對兩個設備間的ACL數據按一定算法進行處理，生成加密數據。只有知道正確的解密密鑰，才可以由加密數據恢復出原始數據。

藍牙耳機應用規范

在車載藍牙系統中，藍牙耳機主要也是用作免提，可以認為藍牙耳機應用規范是藍牙免提應用規范的簡化版本，只能完成有限的功能。由于藍牙耳機的用戶接口很簡單，一般為少量按鍵和LED顯示，因此藍牙耳機應用規范只定義了簡單的功能，包括數據鏈路、語音鏈路的建立和拆除，可選對語音網關和車載藍牙系統之間的音量同步控制支持等。通過藍牙耳機應用規范，可以進行接聽電話、掛斷電話、聲控撥號等基本的免提通話操作。