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藍芽車載系統的組成結構和應用規格分析

上網時間: 2003年11月17日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Bluetooth Profile Car-Kit  藍芽  應用規格  車載系統  Bluetooth 

透過具有藍芽功能的手機,藍芽車載系統可以實現汽車自動故障診斷、電子導航等多種富有創意的應用。本文介紹了這些應用設計思路,並詳細分析了藍芽車載系統的組成結構和藍芽應用規格

車載系統正向智慧化、資訊化和網路化方向發展,汽車市場已經成為電子產業一個重要的成長點,無線通訊技術在汽車等行動系統中有著廣泛的應用前景。本文介紹的汽車藍芽應用主要以手機為無線網路閘道,車載系統透過藍芽無線鏈路和手機連接,再連入外部無線網路。利用該方案,用戶透過一部藍芽手機就可以方便地使用以下功能:

免提(handfree)電話。用戶進入車內,車載系統自動連接上用戶手機。用戶在駕車時,無須用手作業就可以用聲控完成撥號、接聽、掛斷和音量調節等功能,透過車內麥克風和音響系統進全雙工免手動通話。

汽車遙控。用戶可以在10米範圍內用手機控制車門和車中的各類開關。

音樂下載。用戶可以透過手機下載音樂到汽車音響中播放。

電子導航。用戶可以透過手機下載電子地圖等數據到車載GPS導航系統中,導航系統得到目前座標參數再透過手機短訊息傳回導航中心。

汽車自動故障診斷系統。車載系統可以透過手機將故障程式碼等資訊發往維修中心,維修中心派人前來修理時可以按故障程式碼等資訊準備好相應的配件和修理工具。

藍芽在車載系統中的全面應用需要解決硬體和軟體方面的問題。硬體實現藍芽的射頻和基頻部份,工作溫度範圍、可靠性和價格是在設計硬體時應考慮的重點問題,車載系統的各種上層功能由軟體實現。免提電話作為藍芽在車載系統中的主要應用,其應用規格已經成熟並獲得眾多手機廠商的支援。圖1:藍芽車載系統組成結構示意圖。

如圖1所示,射頻晶片在2.4GHz頻段提供數據和語音無線雙向傳送。基頻晶片包含跳頻、訊息通道加密解密、授權、SCO語音編解碼等硬體,以及鏈路管理、HCI介面等韌體。處理器執行藍芽上層協議棧、應用規格和語音演算法等核心軟體。為方便描述,本文將射頻、基頻和處理器部份稱為藍芽子系統。汽車音響透過車內麥克風和揚聲器為藍芽子系統提供聲音的輸入輸出。主控制器執行人機介面(MMI)等軟體,對藍芽子系統、汽車音響和其它車載電子設備進行集中控制管理,並將有關資訊顯示在圖形用戶介面(GUI)上。

藍芽子系統結構分析

藍芽子系統包含實現藍芽車載應用規格有關的軟硬體。基頻晶片透過UART和SSI介面連接處理器:HCI命令、數據和事件透過UART介面傳輸;SCO數據透過SSI介面傳輸。如前所述,處理器執行藍芽上層協議棧、應用規格和語音演算法等核心軟體。圖2提供了藍芽子系統中處理器上執行的軟體結構。

圖2中的電路支援包(BSP)包含所有與硬體有關的程式碼,可以保證上層軟體良好的硬體無關性。RTOS為軟體提供良好的結構和即時性能。設計時應充分考慮RTOS的RAM、ROM佔用大小、中斷響應和任務切換時間,以及調度演算法是否滿足語音演算法等部份對即時性的要求。藍芽協議棧包括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格,如免提應用規格和耳機應用規格。由於新的應用規格不斷出現,軟體結構應便於加入新的應用規格以備將來擴充應用範圍。資料庫提供記錄的添加、刪除和查找功能來管理本地和遠端藍芽設備的數據,通常這些數據存放在Flash記憶體中。存放的數據有本地設備的藍芽地址、設備名稱、配對密碼和SDP記錄,以及遠端設備的藍芽地址、設備名稱、SDP記錄、鏈路密鑰、認證和授權方案。由於系統需要和多個遠端設備配對,資料庫應有足夠的容量來存放多個遠端設備的數據。圖2:藍芽子系統軟體結構。

藍芽管理層(Bluetooth ME)對協議棧和資料庫調用使其按一定流程工作,因而執行存取控制管理、連接管理和安全管理等。在車載系統中還需要提供語音演算法,因為在免提通話時對方可以聽到自己的回聲,可以採用回聲抵銷(AEC)技術來消除。行車過程中進行免提通話時,引擎噪音、路面噪音、風聲會進入車內麥克風,影響通話品質。採用噪音抑制(NS)技術可以抑制車內噪音以提高通話解析度。

為了增加行車安全,語音識別(VR)技術可以讓駕駛員無需手動作業電子設備,透過預先錄入的聲音指令,駕駛員可以撥打電話,接聽電話等;語音合成(VS)技術用語音訊號提醒駕駛員需要進行的作業或一些值得注意的資訊;語音管理層對各種語音演算法模組進行管理,如配置演算法參數和緩衝區數據輸入輸出等;人機介面層(MMI Interface)是外部與藍芽子系統進行通訊的介面,這種通訊使用專門的協議,外部MMI主機透過該協議發送命令到人機介面層,人機介面層解釋收到的命令,繼而控制應用層進行相應的動作,同時應用層也會將藍芽子系統的數據、狀態和事件送往人機介面層,人機介面層透過該協議發送命令到外部MMI主機。應用層接受所有來自人機介面層和藍芽管理層的事件,在一定的應用條件約束下對接收到的事件進行處理,並執行相應的動作以控制人機介面層、藍芽管理層和語音管理層進行有序工作。應用層還負責對異常情況進行處理,比如人機介面層收到錯誤指令、藍芽鏈路的異常斷開、認證失敗等,透過適當的錯誤處理機制來提高系統的可靠性。

藍芽應用規格規定了為實現某種應用,雙方藍芽設備應滿足的一些技術標準。包括應用特性的規定、應用模型的定義、核心協議棧的配置、在核心協議上為實現特定應用而定義的協議,以及為了滿足互通作業性要求的其它規定,這些規定分為強制性支援、有條件支援和可選支援。由以上結構可以看出,透過合理配置各軟體功能模組就可以在相同硬體平台上支援多個應用規格。

藍芽免提應用規格

藍芽免提應用規格規定了在語音網路閘道和免提設備之間設立藍芽數據和語音連接的過程,以及免提設備如何基於該連接對手機進行遠端控制,並存取外部網路以實現電話功能。圖3:免提應用規格的典型應用模型。

該規格中的語音網路閘道是免提設備與外界進行語音通訊的橋梁,一般語音網路閘道是指GSM或CDMA手機。透過語音網路閘道,免提設備可以使用蜂巢式網提供的電話服務。免提設備和語音網路閘道連通後,用戶可以進行免提通話。在這?免提設備一般指藍芽車載系統。該規格規定了語音網路閘道和免提設備應支援的特性,語音網路閘道和免提設備必須支援設立服務級連接(SLC)。所有的控制信號在SLC上傳遞。

藍芽免提應用規格的典型應用如圖3所示。此時藍芽車載系統是免提設備,手機充當語音網路閘道。圖中的手機具有藍芽功能,第一次使用前需要和藍芽車載系統進行綁定,用戶輸入正確的密碼後,綁定即告成功。此後,透過整合的藍芽手機靠近藍芽車載系統10米左右,兩者就能自動設立連接。

圖4是協議棧的配置情況。免提規格是透過在RFCOMM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。透過這些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)、遠端音量控制、控制回聲抵銷、噪音抑制和語音識別等功能。

另外,為了滿足互通作業性要求,免提規格還就藍芽訊息通道的連接過程、安全管理等方面做出了一些規定。免提規格規定語音網路閘道和免提設備之間進行連結時,語音網路閘道應該是發起者。語音網路閘道發起設備查詢,免提設備進行查詢掃描,透過設備查詢語音網路閘道就可以找到有效範圍內的免提設備。然後語音網路閘道透過呼叫(Page)與免提設備設立連接,發起連接流程。在該情況下,語音網路閘道只能作為主設備,免提設備為從設備。連接完成後,可以由免提設備或者語音網路閘道任何一方發起連接請求,沒有固定的主從設備之分。

免提規格本身不對藍芽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,應進行認證和加密。認證是設備一方透過檢查鏈路密鑰來驗證對方設備的合法性,認證可以雙向進行;加密是對兩個設備間ACL數據按一定演算法進行處理,產生加密數據。只有知道正確的解密密鑰後,才可以由加密數據恢復出原始數據。加密使用的加密密鑰和解密密鑰是根據鏈路密鑰按固定的演算法產生,因此鏈路密鑰是系統安全性的關鍵。在藍芽免提應用中,鏈路密鑰由語音網路閘道和免提設備透過配對(pairing)過程產生。在這個過程中,用戶需要在語音網路閘道一方輸入正確的PIN碼來製作鏈路密鑰。圖4:免提應用規格協議棧的配置。

另外,藍芽車載系統可以提供多個不同應用服務。其它藍芽設備在存取這些服務時,藍芽車載系統還需要控制對其不同服務的存取權限,這種控制由授權過程實現。對於語音網路閘道,一般應授予其存取藍芽車載系統中免提應用的權力。

藍芽耳機應用規格

在藍芽車載系統中藍芽耳機主要也是作為免提,可以認為藍芽耳機應用規格是免提應用規格的簡化版本,只能完成有限的功能。由於耳機的用戶介面很簡單,一般為少量按鍵和LED顯示,因此耳機應用協議只定義了簡單的功能,包括數據鏈路、語音鏈路的設立和拆除,可選對語音網路閘道和車載系統之間的音量同步控制支援等。透過耳機應用規格,可以進行接聽電話、掛斷電話、聲控撥號等基本的免提通話作業。

藍芽耳機應用規格也是透過在核心協議上添加耳機控制實體和應用層來實現。

本文小結

在藍芽車載系統的設計和實現過程中,需要採用合理的硬體設計方案來滿足汽車應用在溫度範圍、可靠性和價格等方面的要求,同時還需要採用合理的軟體方案來滿足嚴格的藍芽互通作業性要求、良好的功能擴展能力以及良好的即時性和高可靠性。藍芽車載系統要大規模應用,在技術方面還需要解決應用規格的標準化問題,並且需要有完備的測試方法來保證不同廠商之間的設備有良好的互通作業性。目前,免提應用規格和耳機應用規格在藍芽車載系統和藍芽手機上已經有廣泛的支援。

作者:童力


高級系統工程師


摩托羅拉蘇州設計中心


Email: litong@motorola.
com




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