論藍(lán)牙耳機(jī)軟件的開發(fā)與測(cè)試　

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙耳機(jī)；真無(wú)線立體聲耳機(jī)；SDK；自動(dòng)化測(cè)試

中圖分類號(hào)：TN642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

藍(lán)牙技術(shù)是小范圍無(wú)線連接自主組網(wǎng)的通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)個(gè)域網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的互聯(lián)互通。藍(lán)牙剖面（bluetooth profile）是指藍(lán)牙通信應(yīng)該遵守和使用的通信協(xié)議規(guī)范，早期藍(lán)牙規(guī)范由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group，SIG）創(chuàng)建，并由SIG 工作組定期更新和改進(jìn)。藍(lán)牙剖面包括4 個(gè)基本剖面，分別為：通用接入剖面（general access profile，GAP）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用剖面（service discovery application profile，SDAP）、串行端口剖面（serial port profile，SPP）和通用對(duì)象交換剖面（general object exchange profile，GOEP）。其余的剖面都可稱為應(yīng)用剖面，應(yīng)用剖面分為3 類：電話剖面、對(duì)象交換剖面（object exchange，OBEX）和聯(lián)網(wǎng)剖面。藍(lán)牙技術(shù)分為經(jīng)典藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙和雙模藍(lán)牙，其中經(jīng)典藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙互不兼容。

藍(lán)牙耳機(jī)設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的部分是設(shè)計(jì)符合相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求的藍(lán)牙天線射頻電路，以及基于系統(tǒng)芯片（system on chip，SoC）的軟件開發(fā)。

1 藍(lán)牙耳機(jī)軟件開發(fā)

藍(lán)牙耳機(jī)軟件由底層固件、協(xié)議層軟件和應(yīng)用層軟件3 個(gè)部分組成，逐層封裝代碼。軟件開發(fā)多為應(yīng)用層軟件，軟件開發(fā)工具包（soft developmentkit，SDK）為用戶提供一種基于事件處理機(jī)制的應(yīng)用（APP）開發(fā)框架，各個(gè)功能組件會(huì)通知用戶，用戶只需基于該框架添加需要處理的事件及事件處理函數(shù)，即可按照需求完成相應(yīng)的軟件開發(fā)[1]。

1.1 軟件結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙耳機(jī)軟件結(jié)構(gòu)可分為物理層、協(xié)議層和應(yīng)用層三大部分，其中協(xié)議層和應(yīng)用層這兩部分軟件都存儲(chǔ)在Flash 中，如圖1 所示。

射頻（radio frequency，RF）、基帶（base band，BB）和鏈路管理（link manager，LM）構(gòu)成藍(lán)牙的物理層。射頻負(fù)責(zé)在2.400 GHz ～ 2.485 GHz 的ISM 頻段（一種全球免費(fèi)使用的無(wú)線電頻段）上傳輸數(shù)據(jù)包。基帶是藍(lán)牙剖面的重要組成部分，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信道的編碼與解碼。鏈路管理負(fù)責(zé)連接的建立和釋放，通過(guò)選擇信道，控制狀態(tài)機(jī)的各種狀態(tài)包括待機(jī)、掃描、廣播、發(fā)起、連接、同步和同步廣播。

協(xié)議層包括邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（logicallink control and adaptation protocol，L2CAP）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（service discovery protocol，SDP）、射頻通信（radio frequency communication，RFCOMM）協(xié)議和電話控制協(xié)議規(guī)范（telephony controlprotocol spectocol，TCS）。L2CAP 主要負(fù)責(zé)協(xié)議復(fù)用，協(xié)議棧的數(shù)據(jù)都可以通過(guò)它連接并且傳輸?shù)娇刂破鳎糜趨^(qū)分加密信道與普通信道。藍(lán)牙環(huán)境下射頻變化較大，業(yè)務(wù)的參數(shù)也會(huì)不斷變換，SDP提供一種用于發(fā)現(xiàn)可用服務(wù)的機(jī)制。射頻通信協(xié)議可以仿真串口協(xié)議，在無(wú)線環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸控制協(xié)議/ 因ABoHC9Od+1a7wiXtnjf+Zw==特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（transmission controlprotocol/internet protocol，TCP/IP）、無(wú)線應(yīng)用協(xié)議（wireless application protocol，WAP） 等協(xié)議的支持，同時(shí)，其還支持AT 指令集。

基帶以上的全部協(xié)議包括鏈路管理協(xié)議（linkmanager protocol，LMP）、L2CAP、SDP、先進(jìn)的音頻分布協(xié)議（advanced audio distribution profile，A2DP）、免提協(xié)議（hands free profile，HFP）、音頻視頻遠(yuǎn)程控制協(xié)議（audio/video remote controlprofile，AVRCP）等，這些協(xié)議對(duì)應(yīng)的程序模塊稱為協(xié)議棧，協(xié)議層軟件可以被直接調(diào)用。

1.2 建立藍(lán)牙連接過(guò)程

以手機(jī)和藍(lán)牙耳機(jī)連接為例，從物理層到應(yīng)用層建立連接的過(guò)程如下[2]。

（1）建立基帶層的連接。主設(shè)備（手機(jī)）以跳頻的方式尋呼從設(shè)備（藍(lán)牙耳機(jī)），從設(shè)備會(huì)按照固定間隔時(shí)間來(lái)掃描外部尋呼，當(dāng)掃描到外部尋呼時(shí)便會(huì)響應(yīng)，使兩個(gè)設(shè)備之間建立異步無(wú)連接（asynchronous connection less，ACL）。

（2） 建立L2CAP 層的連接。主設(shè)備發(fā)起channel 的連接請(qǐng)求， 即L2CAP 的連接。L2CAP能向上層提供面向連接的或者無(wú)連接的數(shù)據(jù)服務(wù)。L2CAP 發(fā)出Information request，控制器接口（hostcontroller interface，HCI）收到ACL Data，從而完成信道配置。

（3）SDP 查詢。SDP 可以搜索發(fā)現(xiàn)附近能夠提供服務(wù)的設(shè)備，通過(guò)協(xié)議中規(guī)定的服務(wù)搜索功能提供尋找耳機(jī)服務(wù)。由于手機(jī)是藍(lán)牙主設(shè)備，配對(duì)過(guò)程由手機(jī)發(fā)送配對(duì)請(qǐng)求。

（4） 建立RFCOMM。主設(shè)備通過(guò)SDP 得到RFCOMM 的通道號(hào)，發(fā)起連接請(qǐng)求建立RFCOMM的連接。建立RFCOMM 鏈路之后，就可通過(guò)無(wú)線模擬有線的串口協(xié)議進(jìn)行通信。

（5）傳輸AT 指令。可以通過(guò)串口助手發(fā)送AT指令，設(shè)置波特率，大多是115 200 b/s 或者9 600 b/s。常用的AT 指令包括AT+QS00＼r（查詢藍(lán)牙芯片的角色）、AT+QC00＼r（查詢藍(lán)牙芯片的狀態(tài)）等。

（6） 建立同步定向連接（synchronousconnection oriented，SCO）。SCO 用于傳輸實(shí)時(shí)性要求較高的語(yǔ)音通話，也可以傳送數(shù)據(jù)，但在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，只用于重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包。藍(lán)牙連接的過(guò)程為：鏈路建立→ 信道建立→ 射頻通信建立→連接。

1.3 軟件開發(fā)流程

用戶選擇適合項(xiàng)目需求的SDK 版本進(jìn)行下載和安裝，設(shè)置環(huán)境變量、授權(quán)密鑰等，配置頭文件（.h）和庫(kù)文件（.lib）的路徑，將動(dòng)態(tài)庫(kù)（.dll）放到可執(zhí)行程序目錄下。導(dǎo)入SDK，調(diào)用SDK 提供的函數(shù)、類和協(xié)議棧，并參考SDK 提供的文檔和示例代碼來(lái)完成相關(guān)軟件開發(fā)。

如圖2 所示，藍(lán)牙耳機(jī)上電后，首先執(zhí)行耳機(jī)初始化。掃描查詢到連接請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)主機(jī)控制接口（host controller interface，HCI）確定是否進(jìn)行連接。若連接，則根據(jù)藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范，與藍(lán)牙主設(shè)備進(jìn)行建鏈、通信，最后釋放連接。

1.4 用戶界面

用戶界面（user interface，UI）是用戶端描述如何操作藍(lán)牙耳機(jī)的界面，其提供了狀態(tài)機(jī)的控制信息，也是軟件開發(fā)的依據(jù)之一。UI 主要包括按鍵控制界面、指示界面和操作流程等方面[3]。

多功能按鍵能夠使耳機(jī)在不同狀態(tài)下，通過(guò)按鍵時(shí)間的長(zhǎng)短實(shí)現(xiàn)不同的功能，并且可以根據(jù)需要自定義按鍵。例如，雙擊可實(shí)現(xiàn)音量的增加/ 減少；短按可實(shí)現(xiàn)通話的接聽、拒絕和結(jié)束；長(zhǎng)按可實(shí)現(xiàn)音樂(lè)的快進(jìn)或者重播。

可視化接口是直觀的發(fā)光二極管（lightemittingdiode，LED）指示燈信號(hào)，其對(duì)應(yīng)耳機(jī)的不同狀態(tài)。例如，配對(duì)模式：耳機(jī)處于配對(duì)模式中，紅燈亮0.1 s，然后藍(lán)燈亮0.1 s，繼續(xù)這個(gè)狀態(tài)直到耳機(jī)離開配對(duì)模式或者進(jìn)入配對(duì)模式。低電量模式：綠燈和紅燈同時(shí)亮0.5 s，滅0.5 s，然后重復(fù)。充電模式：充電時(shí)，紅燈長(zhǎng)亮；充電完成，綠燈長(zhǎng)亮。

頻率不同、時(shí)間不同的提示音在不同狀態(tài)的界面進(jìn)行定義，如開機(jī)、關(guān)機(jī)、來(lái)電、通話結(jié)束、配對(duì)成功、配對(duì)失敗、電池低壓報(bào)警等。UI 也可以開發(fā)語(yǔ)音提示功能。

2 藍(lán)牙耳機(jī)軟件測(cè)試

在軟件開發(fā)過(guò)程中和發(fā)布前，需要由專業(yè)的軟件測(cè)試工程師進(jìn)行測(cè)試，將所發(fā)現(xiàn)的程序錯(cuò)誤反饋給軟件開發(fā)工程師來(lái)解決。在一個(gè)典型的編程項(xiàng)目中，軟件測(cè)試或系統(tǒng)測(cè)試大約占用50% 的項(xiàng)目總時(shí)間和超過(guò)50% 的總成本[4]。軟件測(cè)試原則就是確認(rèn)軟件是否“未做其應(yīng)該做的”和是否“做了其不應(yīng)該做的”。測(cè)試用例的設(shè)計(jì)推薦使用黑盒測(cè)試方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后視情況使用白盒測(cè)試方法來(lái)補(bǔ)充。經(jīng)驗(yàn)豐富的測(cè)試工程師經(jīng)常能夠判斷可能犯的錯(cuò)誤或錯(cuò)誤類型。

2.1 功能測(cè)試

功能測(cè)試是一個(gè)試圖發(fā)現(xiàn)程序錯(cuò)誤的過(guò)程，而不僅是為了證明程序符合需求規(guī)格說(shuō)明書（requirements specification，RS）。按照RS 和UI，編寫測(cè)試計(jì)劃和設(shè)計(jì)測(cè)試用例。測(cè)試內(nèi)容包括接打電話、聽音樂(lè)、主動(dòng)降噪和環(huán)境降噪、冒煙測(cè)試、空口（over the air，OTA） 測(cè)試、藍(lán)牙認(rèn)證（bluetooth qualification body，BQB）測(cè)試、電池充放電測(cè)試以及可用性測(cè)試（用戶體驗(yàn)測(cè)試）等，以期通過(guò)這些測(cè)試找到界面或人機(jī)交互相關(guān)的缺陷（bug）等。其中，冒煙測(cè)試是設(shè)計(jì)一組簡(jiǎn)單的測(cè)試用例，用于檢查應(yīng)用程序的基本功能是否正常運(yùn)行；OTA 測(cè)試可以評(píng)估發(fā)射天線的總輻射功率和接收天線的靈敏度；BQB 測(cè)試包括RF 一致性、協(xié)議和剖面一致性。這些測(cè)試旨在保證用戶界面是友好的，并且符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

2.2 TWS 測(cè)試

真無(wú)線立體聲（true wireless stereo，TWS）技術(shù)主要包括轉(zhuǎn)發(fā)模式、監(jiān)聽模式和雙連接模式。轉(zhuǎn)發(fā)模式是指通過(guò)連接主耳機(jī)，再由主耳機(jī)通過(guò)無(wú)線方式快速連接副耳機(jī)，實(shí)現(xiàn)左右聲道無(wú)線分離使用。不連接副耳機(jī)時(shí)，又回到單聲道音質(zhì)。監(jiān)聽模式是通過(guò)私有協(xié)議，將收聽的密鑰從主耳機(jī)傳給副耳機(jī)，藍(lán)牙主設(shè)備和主耳機(jī)連接后，副耳機(jī)再連接藍(lán)牙主設(shè)備。主從切換技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)主副耳機(jī)的自由切換。雙連接模式是由藍(lán)牙主設(shè)備單獨(dú)發(fā)送兩組音頻數(shù)據(jù)，再分別連接左右耳機(jī)，進(jìn)而能夠解決主副耳機(jī)傳輸延遲問(wèn)題。

TWS 功能測(cè)試內(nèi)容主要包括藍(lán)牙連接穩(wěn)定性、音頻傳輸、通話品質(zhì)等；TWS 性能測(cè)試內(nèi)容主要包括頻率響應(yīng)、失真度、信噪比等參數(shù)。通過(guò)應(yīng)用藍(lán)牙協(xié)議分析儀、藍(lán)牙綜測(cè)儀等儀器，對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行測(cè)試分析。

在TWS 主從模式下，根據(jù)測(cè)試類型、測(cè)試方向，測(cè)試工具下發(fā)不同的測(cè)試指令和測(cè)試參數(shù)給被測(cè)平臺(tái)，由被測(cè)平臺(tái)執(zhí)行相應(yīng)的測(cè)試[5]。測(cè)試類型包括TWS 底層硬件測(cè)試和TWS 協(xié)議測(cè)試。測(cè)試方向包括ACL、擴(kuò)展同步定向連接（extendedsynchronous connection oriented，eSCO）、SCO、sniff、error。

2.3 自動(dòng)化測(cè)試

人工測(cè)試能夠發(fā)現(xiàn)更多的缺陷，測(cè)試的品質(zhì)更高，其仍然是軟件品質(zhì)保證（quality assurance，QA）的重要部分。自動(dòng)化測(cè)試與開發(fā)更接近，這主要是因?yàn)樾枰帉懗绦虼a。自動(dòng)化測(cè)試是指運(yùn)行軟件程序后，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試用例并且在沒(méi)有任何人為干預(yù)的情況下產(chǎn)生測(cè)試結(jié)果，其節(jié)省了人力和時(shí)間。

自動(dòng)化測(cè)試工具是一種應(yīng)用程序或軟件產(chǎn)品，旨在通過(guò)自動(dòng)化測(cè)試腳本驗(yàn)證功能和非功能要求。全球廣泛使用的自動(dòng)化測(cè)試工具包括LambdaTest、TestProject、Kobiton、Appium 和Katalon Studio。國(guó)內(nèi)前海飛算云智軟件科技（深圳）有限公司的SoFlu軟件機(jī)器人，只要輸入流程圖，就可實(shí)現(xiàn)全棧式軟件開發(fā)工作，其包括后端開發(fā)、前端開發(fā)、測(cè)試和運(yùn)維等。自動(dòng)化測(cè)試工具可以執(zhí)行各種任務(wù)，根據(jù)特定計(jì)劃進(jìn)行開發(fā)和運(yùn)行測(cè)試，或者在發(fā)生代碼更改時(shí)生成深度報(bào)告供團(tuán)隊(duì)查看測(cè)試結(jié)果。不同的自動(dòng)化測(cè)試工具具有不同的功能集和編程語(yǔ)言限制。例如，功能測(cè)試工具可以更深入地驗(yàn)證軟件的正確操作，而不局限于關(guān)注應(yīng)用程序的用戶界面。

Python 是一種編程語(yǔ)言，不僅可以用于開發(fā)應(yīng)用程序，還可以用于自動(dòng)化測(cè)試。例如，常用的Python 自動(dòng)化測(cè)試腳本，“日志記錄”代碼如下：

import loggingdef configure_logging（log_file）：

logging.basicConfig（filename=log_file，level=logging.DEBUG）

def log_info（message）：

logging.info（message）

if __name__ == '__main__'：

log_file = 'test.log'

configure_logging（log_file）

log_info（' 這是一條日志記錄'）

3 結(jié)語(yǔ)

藍(lán)牙耳機(jī)差異化競(jìng)爭(zhēng)的重要途徑是自有品牌的建設(shè)，軟件是藍(lán)牙耳機(jī)的內(nèi)涵，SDK 是基于選型耳機(jī)SoC 的軟件開發(fā)基礎(chǔ)。雖然通過(guò)改進(jìn)主副耳機(jī)通信、優(yōu)化傳輸編碼等，藍(lán)牙延遲問(wèn)題可以得到改善，但是軟件算法仍然需要繼續(xù)研究，以更好地呈現(xiàn)藍(lán)牙耳機(jī)的真無(wú)線立體聲效果。

為了確保軟件的可靠性，必須在各種設(shè)備、瀏覽器和操作系統(tǒng)上測(cè)試。自動(dòng)化測(cè)試工具的發(fā)展趨勢(shì)是人工智能和深度學(xué)習(xí)，從需要深厚編碼知識(shí)的復(fù)雜技術(shù)轉(zhuǎn)向主要基于記錄和回放功能的低代碼和無(wú)代碼工具。