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。它是相配于蓝牙技术而进入多媒体个人区域网络的。随着蓝牙技术的日趋完善和蓝牙产品市场占有率逐渐提升，蓝牙耳机在技术上也将不断得到改进，使之成为个人多媒体区域网络的主要配套产品。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

      (4)L2CAP软件的设计

      tL2capDealMsgFromSdp()

      ／／处理来自SDP层的消息SdpToL2eap，生成L2CAP数据包，把数据传BaseBand层

      tL2capDealMsgFromRf()

      ／／处理来自RFCOMM层的消息RfToL2cap，生成L2CAP数据包，把数据传BaseBand层

      vL2capDealMsgFromBB()

      ／／处理来自BaseBand层的消息，在处理器邮箱中断程序被调用

      (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。