藍(lán)牙和音頻應(yīng)用實際上就是互為對方而生。 藍(lán)牙市場成功的第一個十年幾乎完全得益于在音頻耳機(jī)中的集成藍(lán)牙技術(shù)。 當(dāng)智能手機(jī)走進(jìn)人們生活時，藍(lán)牙仍是一種自然選擇，幾乎在每一個部智能手機(jī)芯片中都能找到藍(lán)牙的蹤跡。 人們喜歡用智能手機(jī)傳輸音樂。

隨著藍(lán)牙和智能手機(jī)的不斷發(fā)展，應(yīng)用已經(jīng)有些跟不上速度了，盡管這在某種程度上有悖正常事物發(fā)展順序。 然而，隨著只能由一個藍(lán)牙主機(jī)設(shè)備到一個藍(lán)牙從設(shè)備單向通話時代的迅速完結(jié)，上述情況也在發(fā)生變化。

對設(shè)計工程師來說，這意味著多協(xié)議、多連接、多設(shè)備，以及一個嶄新而美妙的音頻應(yīng)用世界已如黎明破曉般來臨。 智能手機(jī)用戶希望有更多選擇，而藍(lán)牙技術(shù)已為此做好了準(zhǔn)備。

在十多年時間里，藍(lán)牙高級音頻分發(fā)規(guī)范 （A2DP） 讓各種各樣的設(shè)備實現(xiàn)了很便利的無線立體聲功能。 不過，現(xiàn)在的客戶更希望用智能手機(jī)通過異于原有設(shè)想的方式來控制音頻娛樂。

當(dāng)與音視頻遙控規(guī)范 （AVRCP） 等其它規(guī)范結(jié)合使用時，可把智能手機(jī)當(dāng)做無線遙控器控制家中的其它藍(lán)牙音頻設(shè)備，不過應(yīng)用可能會變得十分復(fù)雜。

雖然旨在讓最終用戶擁有的幾乎是無縫應(yīng)用，但這些應(yīng)用卻在軟件開發(fā)和認(rèn)證時給設(shè)計工程師帶來諸多大挑戰(zhàn)，而且在一個生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，在要求互操作能力的配件上實現(xiàn)這些應(yīng)用時情況尤為嚴(yán)重。

設(shè)計人員有兩種架構(gòu)選擇。 在過去十年中，主流架構(gòu)要求藍(lán)牙模塊在硬件中執(zhí)行大多數(shù)功能——配對、連接和音頻傳輸。 也就是說，藍(lán)牙模塊是一個音頻編解碼器，通過硬線連接方式執(zhí)行這些功能。 另一種架構(gòu)選擇則是在軟件中執(zhí)行幾乎全部功能；于是，32 位 MCU 在這種架構(gòu)中登場了。 在軟件中實現(xiàn)藍(lán)牙堆棧就是將實際音頻轉(zhuǎn)換為架構(gòu)中非常薄的一層。 這樣，設(shè)計人員便能在任何地方、任何時間訪問大量配置的數(shù)據(jù)流。

對于傳統(tǒng)藍(lán)牙模塊，同時執(zhí)行藍(lán)牙串行端口規(guī)范 （SPP） 和高級音頻分發(fā)規(guī)范 （A2DP） 是不可能的。 通過讓軟件訪問藍(lán)牙協(xié)議堆棧，設(shè)計人員能創(chuàng)建這樣的應(yīng)用，即能保持多個設(shè)備與音頻流連接，在讓用戶聽到聲音內(nèi)容的同時也可控制該音頻流以及通常與音頻無關(guān)的其它功能。 換句話說，音頻流和控制數(shù)據(jù)流同時工作，但不會中斷其中任何一個。

把音頻和數(shù)據(jù)控制組合在一起

一個簡單易懂的例子就是將臺燈和揚(yáng)聲器系統(tǒng)組合在一起，讓用戶在欣賞音樂的同時，用智能手機(jī)控制臺燈亮度。 該應(yīng)用經(jīng)過復(fù)雜的擴(kuò)展后，便可用智能手機(jī)控制照明系統(tǒng)——色彩、強(qiáng)度、隨音樂做出的各種變化，以及控制音頻流。 在該應(yīng)用中增加“智能家庭”概念擴(kuò)大了控制范圍，可控制自動調(diào)溫器、車庫門開啟器，以及其它支持藍(lán)牙的家用電器，而這些家電曾支持傳統(tǒng)音頻編解碼器。

藍(lán)牙控制在這些應(yīng)用中具有安全優(yōu)勢，因為可對數(shù)據(jù)流經(jīng)進(jìn)行配置，使其獨(dú)立于物聯(lián)網(wǎng) （IoT）。 幾乎沒有人愿意把自己車庫門開啟器的簡單過程暴露在云端的操作不確定中，而這種情況卻最容易發(fā)生，如采用 WI-Fi 解決方案時。

在已有多個規(guī)范同時工作的應(yīng)用中組合音頻和數(shù)據(jù)控制功能，會更多地擴(kuò)展新應(yīng)用。 在音頻娛樂領(lǐng)域，支持軟件的概念被稱作“打斷” （break-in），它允許多個手持設(shè)備控制同一個音頻流。 在聚會時，人們可以從同一個支持藍(lán)牙的音頻內(nèi)容庫中輪流挑選自己喜歡的音樂。 啟用自動點唱 （juke-box） 模式后，最終用戶可在播放列表中添加自己喜愛的樂曲。 MCU 解決方案啟用了“打斷” 模式，允許多達(dá)七部智能手機(jī)采用不同的音頻傳輸和控制方式控制同一個音頻系統(tǒng)。

把音頻與控制融合

盡管 Bluetooth SIG 已制定并批準(zhǔn)了 30 多個規(guī)范，但在藍(lán)牙“音頻 + 控制”的全新應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展初期，最重要的大概是以下四個：

串行端口規(guī)范 （SPP）——RS-232 無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)替代方案

高級音頻分發(fā)規(guī)范 （A2DP）——用于多媒體音頻傳輸?shù)淖畛Ｒ娨?guī)范。 通過 SBC 傳輸音頻內(nèi)容，并支持 MPEG 和 AAC 壓縮編解碼器。

音視頻遙控規(guī)范 （AVRCP）——用于電視、家庭影院等的標(biāo)準(zhǔn)化遙控規(guī)范，通常與 A2DP 配合使用。 最近獲批的特性是音頻同步，例如，當(dāng)手持設(shè)備上的音量改變時，受控于該手持設(shè)備的系統(tǒng)音量也作相應(yīng)調(diào)節(jié)。

免提規(guī)范 （HFP） — 遠(yuǎn)程通話

多個規(guī)范在軟件實現(xiàn)過程中可以同時激活，這讓設(shè)計人員在創(chuàng)建新應(yīng)用時擁有極大的靈活性。 換言之，把數(shù)據(jù)流和音頻流集成在一起將會促成更高級的系統(tǒng)。

在設(shè)計階段，必須提供仿真、測試和認(rèn)證（應(yīng)牢記利用藍(lán)牙）所需的一切。 因此，一個完整的開發(fā)系統(tǒng)遠(yuǎn)不止音頻部分，還會集成用于控制顯示器、按鈕、LED、智能手機(jī)和音樂的各種功能。 此外，還應(yīng)包括用于音頻處理功能的 DSP 能力。 系統(tǒng)控制——當(dāng)然不僅是音樂本身，迫使我們不得不采用 32 位 MCU。

圖 1 所示為基本藍(lán)牙音頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道和主要元件，我們以此為起點詳細(xì)介紹創(chuàng)建此類功能的基本設(shè)計點。

從全新“音頻 + 控制”應(yīng)用組合的角度看該圖，發(fā)送設(shè)備 （source） 側(cè)為手機(jī)，正在傳輸可以進(jìn)行加密的編碼數(shù)據(jù)（音頻和控制）。 數(shù)據(jù)會最終找到進(jìn)入基帶層（藍(lán)牙無線電）的途徑。 數(shù)據(jù)流執(zhí)行接收設(shè)備 （sink） 側(cè)的協(xié)議堆棧，接收側(cè)設(shè)備可以是上文提到的任何設(shè)備/智能家電。

軟件解決方案同時包括多協(xié)議堆棧和一個可以在源代碼中修改的應(yīng)用層。 堆棧處理規(guī)范通信，能與各種各樣附加應(yīng)用元件進(jìn)行互動，包括音頻解碼器、數(shù)字過濾、發(fā)送側(cè)速率轉(zhuǎn)換和控制特性。 有多個解碼器可用于支持藍(lán)牙 A2DP 音頻流的音頻，包括 SBC、AAC 和 MP3。 利用這種模塊化解決方案，設(shè)備制造商可按照特性、控制和存儲器成本區(qū)分各種潛在的解決方案。

圖 1：基本藍(lán)牙通信（感謝 Microchip Technology 提供此內(nèi)容）。

供應(yīng)商開發(fā)套件

為通信鏈路的接收 （sink） 側(cè)系統(tǒng)創(chuàng)建開發(fā)和入門套件是一項重要工作。 雖然兼容性和互操作性測試能讓設(shè)計人員更輕松地開發(fā)應(yīng)用，但對于任何 MCU 供應(yīng)商來說則是一個極為重要的問題。

目前有多種移動 OS，包括安卓 （Android）、蘋果的 IOS、微軟的嵌入式 Windows 以及黑莓 （Blackberry） 系統(tǒng)，且每個系統(tǒng)都有眾多 OS 版本。 為確保一款切實可行的最終用戶產(chǎn)品，套件供應(yīng)商必須進(jìn)行數(shù)百次兼容性和互操作測試。 根據(jù)列出的問題清單，設(shè)計人員在選擇套件時，必須可靠地保證其設(shè)計能通過這些測試且返工量最少或無需返工。

Microchip Technology 便是該設(shè)計領(lǐng)域的競爭者之一。 該公司在藍(lán)牙音頻開發(fā)套件中采用了其 PIC32MX3 和 PIC32MX4 器件。 圖 2 所示為基本硬件配置。

圖 2：Microchip 套件的基本硬件配置（感謝 Microchip Technology 提供此內(nèi)容）

我們具體看一下該公司的 DV320032 藍(lán)牙音頻開發(fā)套件。 該套件由 100 MHz 中級 32 位 PIC 器件提供動力，具有多達(dá) 100 個 I/O 和 512 KB 閃存/128K RAM。 這一基本套件集成了可支持 Cambridge Silicon Radio 的 CSR8811 收發(fā)器的藍(lán)牙 HCI 子板（也可提供低成本模塊）。 此外，還包括一個 DAC 子板，板上集成了一個 24 位 192 kHz DAC 和耳機(jī)輸出、USB 主機(jī)端口和設(shè)備接口、一個 2 英寸彩色 LCD 顯示屏以及按鈕控制功能。 為使開發(fā)工作變得更輕松，該套件可驅(qū)動許多不同的功能，如蘋果認(rèn)證適配器 （Apple Authentication Adapter） 選項、一個調(diào)試接口、一個 SPI 閃存。

MCU 頂部有一個可編程接口模塊 （PIM），可讓開發(fā)人員可選擇改換處理器，而不必?fù)?dān)心失去寶貴的設(shè)計時間。 將來，設(shè)計人員利用該模塊還能用更低成本或更高性能的器件靈活地更換標(biāo)準(zhǔn) MCU。

固件的可獲取性始終是套件開發(fā)的一個關(guān)鍵問題。 Microchip 提供如圖 3 所示固件。

圖 3：已面市的 Microchip 開發(fā)套件固件（感謝 Microchip Technology 提供此內(nèi)容）。

Microchip 還把基于其 32 位旗艦 MCU 的更高端入門套件——200 MHz PIC32MZ2048ECH144 推向市場。 DM320006 PIC32MZ 嵌入式連接入門套件也可與另一個系統(tǒng)配合來實現(xiàn)藍(lán)牙功能。 多媒體擴(kuò)展板 2 （DM320005-2） 包括一個無控制器圖形驅(qū)動、4.3 英寸的 WQVGA 顯示屏、多點觸控投射式電容觸控 （PCAP） 按鈕控制、VGA 攝像頭、Wi-Fi、藍(lán)牙 HCI 模塊、基于 AKM Semiconductor AK4953 的 24 位立體聲音頻編解碼器、3 軸加速計和一個溫度傳感器。 一種能與 Microchip MPLAB Harmony 軟件架構(gòu)配合工作的演示功能正被集成到該套件中，以支持藍(lán)牙數(shù)據(jù)和音頻應(yīng)用。

哪個解決方案合適？

不可否認(rèn)，藍(lán)牙“音頻 + 控制”應(yīng)用的尖端性和復(fù)雜性令開發(fā)人員在如何開始開發(fā)方面感到些許困惑。 當(dāng)然，關(guān)鍵器件就是 MCU 本身。 如前所述，32 位 MCU 及其 32 位指令集是同時組合音頻和控制功能的理想選擇。 在首次選擇使用哪個套件時，開發(fā)人員可以參考表 1。該表介紹了一些應(yīng)用及相應(yīng)的存儲器和 MIPS 要求。

描述 資源要求 峰值 MIPS 閃存 （KB） RAM （KB） 藍(lán)牙堆棧 （A2DP+AVRSPP+SBC） + Android 開放配件音頻 A 型 USB 連接支持和 mini-B 型 USB 連接支持的 Samsung 音頻模塊 271.734 38.8 ~30 藍(lán)牙堆棧（A2DP+AVRCP+SPP+AAC 解碼器）+ 圖形卡。 該演示套件用較高品質(zhì)的 AAC 解碼器取代了 SBC 解碼器。 251.5 34.9 ~65 藍(lán)牙數(shù)據(jù)堆棧（僅 SPP）。 該純數(shù)據(jù)、非音頻演示套件無 USB 音頻支持功能。 139.6 7.12 ~8 藍(lán)牙堆棧（A2DP+AVRCP+SPP+SBC 解碼器）+ 圖形卡。 190.58 34.6 ~30 藍(lán)牙堆棧 （A2DP+AVRCP+SPP+AAC） + Android 開放配件音頻 A 型 USB 連接支持和 mini-B 型 USB 連接支持的 Samsung 音頻模塊。 該演示套件用較高品質(zhì)的 AAC 解碼器取代了 SBC 解碼器。 332.7 39.7 ~65

表 1：應(yīng)用資源要求示例，包括應(yīng)用、藍(lán)牙堆棧、圖形顯示元件（感謝 Microchip Technology 提供此內(nèi)容）。

第一欄（描述）說明所運(yùn)行的藍(lán)牙規(guī)范和其它應(yīng)用。

這些示例僅作演示之用，但組合在一起則說明一點，就是對于從最簡單（僅藍(lán)牙數(shù)據(jù)堆棧）到最苛刻的應(yīng)用（多規(guī)范和高品質(zhì) ACC 解碼器）來說，存儲器和峰值 MIPS 會出現(xiàn)顯著變化。

結(jié)論

一個使用語音進(jìn)行數(shù)據(jù)控制的藍(lán)牙開發(fā)新時代將孕育出許多全新的應(yīng)用，讓多個藍(lán)牙規(guī)范同時激活并擁有多點控制、多線連接成為現(xiàn)實。 這些應(yīng)用可能開發(fā)難度大，尤其因為它們必須通過藍(lán)牙交互操作和兼容性測試。 這些應(yīng)用中的許多也將會把 32 位 MCU 作為必要器件，但這不是為了滿足數(shù)據(jù)深度之需，而是為了獲得指令集資源。

雖然硅器件供應(yīng)商提供的開發(fā)套件和固件能顯著減少設(shè)計工作，但始終沒有一個萬能解決方案出現(xiàn)。 開發(fā)人員因此必須認(rèn)真挑選適合自己應(yīng)用的正確解決方案，同時還應(yīng)考慮固件的可獲取性和硬件的性能。