基于MSP430F149的车载蓝牙免提系统的设计与实现

基于MSP430F149的车载蓝牙免提系统的设计与实现
孙少卡;刘红;刘静;徐博文;王雅婷
【摘要】为改善传统车载免提系统的性能和用户体验,该文提出一种低功耗、高音质、多功能车载蓝牙免提系统的实现方案.该系统采用软硬件相结合的设计方法,基
于MSP430F149和BC05进行研发.文中先简介该系统的组成,然后详述其工作原
理及软硬件设计,最后给出黑盒测试与白盒测试相结合的方法下系统性能的分析.通
过实测,该系统不但可以实现免提接听、挂断、声控拨号等功能,而且与传统车载免
提系统相比,功耗低,音质好,具有良好的用户体验.
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2015(034)009
【总页数】4页(P60-63)
【关键词】蓝牙;免提;低功耗;回音消除
【作者】孙少卡;刘红;刘静;徐博文;王雅婷
【作者单位】北方工业大学信息工程学院,北京100041;北方工业大学信息工程学院,北京100041;北方工业大学信息工程学院,北京100041;北方工业大学信息工程
学院,北京100041;北方工业大学信息工程学院,北京100041
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
在科技飞速发展的今天，人们的生活节奏不断加快，车内接打电话处理事务已经成为一种司空见惯的现象。

然而，开车时手持接打电话极易导致驾车者注意力的下降，
这样就带来了极大的安全隐患。

实验表明，开车时手持接打电话发生事故的概率为27．3%，是正常行车时的4倍。

因此，各地新交通法规开始明文规定，禁止司机在驾驶时，以手持方式通话。

为了在减少行车风险的同时，保障驾驶员能够与外界进行正常的联系，车载免提电话应运而生。

然而，传统的车载免提电话功耗高、音质差、稳定性不高。

为此，本文提出一种新颖的车载蓝牙免提系统，在满足免提接听等功能的同时，最大限度地降低系统功耗，保障通话质量。

目前，该系统已完成初期测试，用户体验良好。

蓝牙免提系统的设计模式一般有标准双处理器设计模式、嵌入式双处理器设计模式、完全嵌入式单处理器设计模式三种[1]。

本系统采用标准双处理器设计模式，其中，主机处理器控制系统功能的协调，受控处理器控制蓝牙信息的传递。

另外，为保证系统良好的用户体验，本系统用DSP对回音进行消除，用LCD对通信状态进行显示，用按键发送相关控制指令，并配有相应的电源系统。

系统组成如图1所示。

本系统功能的实现需要解决蓝牙与手机间的通信以及蓝牙与主机间的通信两方面的问题。

另外，为保证通信质量，还需解决回音消除问题。

2.1 蓝牙与手机间的通信蓝牙拥有一套完整的通信协议体系，由核心协议层、电缆替代协议层（RFCOMM）、电话控制协议层和选用协议层四部分组成[2]。

对于任意一个蓝牙系统，都必须基于这些协议进行通信。

本系统建立在蓝牙免提协议剖面之上，其中，蓝牙和手机间通信的建立通过RFCOMM完成。

RFCOMM是一个虚拟串口，它能为两个蓝牙设备或一个蓝牙设备和一个无线网络建立通信链路。

当蓝牙和手机通过RFCOMM建立起链路，并进入连接状态后，可通过蓝牙发送AT指令完成对智能手机的控制，进而利用蜂窝网实现无线通话[3]。

2.2 蓝牙与主机间的通信蓝牙和外部处理器的连接通过主机控制接口（HCI）完成。

HCI为访问硬件提供了统一的接口，包括对基带控制器和链路管理器的命令接口[4]。

在本系统中，主机通过串口与蓝牙进行通信。

一方面，主机通过串口
UART_TX向蓝牙的RX引脚发送拨号、音量控制等控制指令，当蓝牙收到主机控制指令时，将执行该指令，并将一个反馈字并加上结束字“0x0D 0X0A”，在300ms内经其TX引脚送至主机串口UART_RX。

另一方面，当蓝牙进入到铃声状态并得知来电者身份号码时，将把相关参数及电话号码以ASCII码的形式由其TX 引脚传送至主
机串口UART_RX。

主机接收相关参数后，对其进行判定，并通过LCD显示判定结果，提醒用户执行接听、挂断等相关操作，完成对系统的免提控制。

2.3 回音消除目前，常见的回音消除解决方案有基于集成芯片的解决方案[5]和基于数字处理器（DSP）的解决方案[6]两种。

相比于前一种方案，后一种具有可控可调、性能稳定等优点。

故本系统采用基于DSP的解决方案，并利用CVC-AEC算法完成回音消除功能。

在回音消除算法CVC-AEC中，软件先从SCO到扬声器的通路上采集参考语音信号，并传送给DSP；DSP对接收的信号进行实时处理，估计扬声器端回音的大小，并用MIC语音信号减去此回波估计值，使接收到的MIC 信号中不含扬声器端信号，从而达到回波抵消的目的。

该算法对实时处理由扬声器耦合到麦克风而产生的回音非常有效，回波损耗误差可以达到50dB，同时本算法还具有自适应能力[6]。

系统硬件设计对于系统功能的实现起到重要的支撑作用，本系统需要完成主机、蓝牙和电源三部分硬件的设计。

3.1 主机部分硬件设计为了降低功耗，提高系统的续航能力，本系统选择TI公司的超低功耗系列芯片中的MSP430F149作为主机处理器。

该处理器具有优良的低功耗特性，工作电压为1．8-3．3V，RAM数据保持模式下耗电0．1uA，活动模式耗电也仅250pA/MIP[8]。

另外，为提高系统的用户体验，系统采用
LCD1602对实时通信状态进行显示，还设有4个独立按键和一个矩阵键盘用于发送相应指令。

对本部分的电路设计需要同时考虑主机、按键、LCD等驱动电路的
设计，相关电路如图2“主机部分原理图”所示。

3.2 蓝牙部分硬件设计蓝牙是车载免提系统的核心，它上承音频网关，下接主机处理器，是控制信号以及语音信号传输的中继。

本系统对蓝牙模块QY-0566进行二次开发。

该模块以CSR公司的BC05芯片为核心，板载芯片Kalimba DSP可用于回音消除，包含16个用户自定义I/O口，支持立体声输出和麦克风输入。

在该模块的基础上，设计合适的音频信号放大电路，将来自蓝牙模块的立体声输出信号进行适当放大，并送至扬声器，在通话时即可完成免提接听。

另外，在该模块的基础上，设计适当的音频转换电路，将来自MIC的模拟信号转换成数字信号，并送
至该模块的MIC信号输入端，经DSP回音消除处理，再经蓝牙射频传至手机终端，即可完成免提通话。

该部分电路如图3中“蓝牙部分原理图”所示。

3.3 电源系统硬件设计本系统采用标准锂电池供电，锂电池的供电电压通常在
7．4V至8．2V之间，而本系统的主控处理器和蓝牙模块正常情况下均工作在3．3V，且LCD需要5V供电电压，所以本系统需要设计相应的稳压电路和电压
转换电路。

相关电路如图4“电源系统原理图”所示。

本系统在进行软件设计时，充分利用单片机MSP430F149的低功耗特性，通过串口中断对蓝牙的通信状态进行实时监测，并利用I/O中断发出相应的控制指令。

这样，系统仅在少数时间处于活动状态，而在大多数时间均处于休眠状态，大大降低了系统功耗[8]。

在本系统中，系统软件首先完成对各个模块的初始化，然后使系统进入休眠状态。

当系统作态发生改变时，程序将根据预先设定的判定指标，响应相应的中断程序，完成相应的处理。

其中，UART中断程序主要完成对蓝牙通信状态的监视。

当作态发生改变时，蓝牙将向主机串口发送特定的参数，唤醒主机串口中断。

主机接到参数后将对其进行分析，并通过LCD进行显示，为用户提供必要的通讯信息。

按键
中断程序主要完成控制命令的发送。

用户可通过按下按键触发相应的按键中断程序，
提示主机通过串口向蓝牙发送相应的控制指令，继而完成相应的通信。

系统软件流程图如图5所示。

本系统采用黑盒测试与白盒测试相结合的方式对系统实物和软件进行了全面的测试。

系统测试机理如图6所示。

在黑盒测试中，先后完成了对音乐播放/暂停、上/下一曲、音量控制、免提接听、挂断、拒接、按键拨号等系统功能的测试，系统预定功能全部实现且体验良好，系统功能测试结果如表1所示。

在白盒测试中，以动态测试为主，静态测试为辅，针对系统软件的内部逻辑结构，设计了大量测试用例，并在程序不同地方设立测试检查点，对软件中的逻辑路径进行了很好的覆盖测试。

经过实测，系统软件的运行状态与预期状态基本一致。

另外，还对系统的功耗进行了测试。

通过测试，本系统通话时消耗的电流最大为
50mA，所以如果选用1050mA的锂电池将能连续使用21h，完全能够满足普通
用户的需求。

在现代社会中，车载免提系统在行车安全中扮演着越来越重要的角色。

本文针对传统车载免提系统的缺点，对低功耗、高音质的多功能车载蓝牙免提系统进行研究，并
给出了具体可行的实现方案，对于开发者具有较高的参考价值。

经实测验证，系统在较好地完成预定功能的同时，保障了其低功耗和高音质特性。

另外，系统还具有可维护性强、便携等优点，在解放用户双手的同时，让用户用得舒心、放心。

目前，系统性能测试良好，但是，其集成度不够高，下一步将对其作进一步优化。

【相关文献】
[1]寇蔻．基于蓝牙技术的双模车载免提设计[D]．天津：天津大学电子信息工程学院，2005：1-68．
[2]钱志鸿，杨帆，周求湛．蓝牙技术原理、开发与应用[M]．北京航空航天大学出版社，2006．
[3]陈子彬．蓝牙技术能在汽车通讯得到长足的应用[J]．价值工程，2010，21．
[4]严新忠，郭建川，贺运萍．基于HCI状态机的蓝牙无线通信系统模型[J]．自动化与仪表，2008，6．
[5]JamilChaoui．ARobustEchoCancellationSystem Especially Suited For WirelessCar Handsfree Environment Printed and published by the IEE,Savoy Place,LondonWC2R OBL,UK．
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[7]周小斌．基于蓝牙技术的车载面系统的设计与研究[D]．浙江：浙江工业大学信息工程学院，2007：1-53．
[8]周建，任红艳，王彦斌．MSP430的低功耗特性在蓝牙产品中的应用[J]．电子技术用，2003，12．。