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1、基于蓝牙技术的车载免提系统研究摘 要蓝牙技术虽然出现不久，但已受到许多方面的关注。由于蓝牙产品具有体积小、功耗低等优点，使其可以方便的集成到几乎任何数字设备中，现已大量的应用于包括手机、PDA、笔记本电脑、打印机、数码相机等产品中，应用领域非常广泛。通过对蓝牙技术的介绍，着重分析蓝牙技术在车载免提系统中的应用，介绍系统的硬件结构和通信过程，并对蓝牙技术在嵌入式系统中的应用提出了设想和展望。本文首先对蓝牙技术的起源和发展前景进行了简要介绍，然后剖析了蓝牙通信协议体系和免提应用框架，在此基础上针对课题要求提出了一套蓝牙车载免提系统的解决方案，并从硬件和软件两方面对系统的设计进行了详细阐述。方案是以
2、台湾天樱公司生产的CKM3蓝牙模块为核心芯片，该模块作为系统的无线收发装置，与蓝牙手机无线通信，并分别通过UART和PCM接口与微处理器和DSP连接通信。微处理器AT89C4051协调整个系统的运转情况，串口与蓝牙模块通信，I/O口驱动液晶显示。在软件设计中，分析了蓝牙设备之间通信连接的建立过程和蓝牙模块与单片机串口通信，用C语言作为编程语言，简洁地实现了系统需要的高级算法；建立了清晰的软件流程图。关键词：蓝牙；音频网关；车载免提系统；免提应用规范；AbstractBluetooth products have many advantages, such as small volume, lo
3、w power, etc. Bluetooth technology has many applications including mobile phone, PDA, computer, printer, digital camera, and so on.This paper introduces the Bluetooth briefly and emphases its application of the Bluetooth in car hands-free system, It describes the handware structure and communication
4、 process of the system.At last,and finally also brings forward conceive and prospect of the application of Bluetooth in the embedded system.This thesis introduced Bluetooth background and trend, analyzed Bluetooth Specification including Core protocol and Hand Free Profile, presented a plan of vehic
5、le hands free system based on Bluetooth, and expatiated the plan from the software and hardware. CKM3 Bluetooth module made in Taiwan Tianying Company is the core chip in the plan. CKM3 is equivalent to a wireless dispatcher and communicates with Bluetooth mobile. Its UART and PCM port respectively
6、connect to microcontroller and DSP. Microcontroller run the whole system in phase, its serial ports communicated with Bluetooth module, I/O ports drived liquid crystal display etc.In the part of hardware, choosing chips、characteristic and designing interfaces were expatiated, calculated to abase the
7、 power consumption of system adequacily, rationally position the high power consumption devices to heat loss well. In the part of software, that course of Bluetooth equipments communication and Bluetooth module serial communication is analyzed, the flow of system hands-free function employing by C l
8、anguage was gave, as well as the model machine was debugged and realized its basic function.Key words: Bluetooth; audiogateway; Hand Free Profile; BlueCore.目 录摘 要IAbstractII目 录III1 前言- 1 -1.1 蓝牙技术介绍- 1 -1.2 研究的目的与意义- 1 -1.3 国内外研究动态和趋势- 2 -1.4 论文的主要研究工作和内容- 2 -2 蓝牙车载免提系统的技术基础- 3 -2.1 蓝牙协议体系结构- 3 -2.2
9、 蓝牙系统组成- 6 -2.3 蓝牙关键技术- 6 -2.3.1 蓝牙网络的构成- 6 -2.3.2安全技术- 6 -2.4 蓝牙车载免提系统- 7 -2.4.1免提系统的协议模型- 7 -2.4.2 免提应用规范中的设备角色- 8 -3 蓝牙车载免提系统的硬件设计- 10 -3.1 系统硬件总体设计- 10 -3.2 系统硬件的各部分组成和功能- 10 -3.2.1 蓝牙模块的选择- 10 -3.2.2 微处理器单元- 12 -3.2.3 系统的语音处理电路- 17 -4 蓝牙车载免提系统的软件设计- 19 -4.1主程序设计- 21 -4.2 串口通信程序设计- 21 -4.2.1 通信协
10、议- 21 -4.2.2 通信程序流程图- 21 -4.3 液晶显示程序设计- 22 -5 结论- 24 -致 谢- 25 -参考文献- 26 -附录：硬件原理图- 28 -1 前言1.1 蓝牙技术介绍随着科学技术的进步和人们生活水平的提高，移动通信工具正越来越成为人们生活中不可少的一部分，尤其是手机。但同时，由于司机在开车过程中使用手机带来的交通安全隐患也不能忽视，为此，不少大中城市都禁止驾车打电话。为解决这个问题，人们采取了多种手段来实现免提功能，如把声频信号用线缆引出，或是把信号调制发射后，利用车上的调频广播接收放大，但这些方法或多或少带来其它方面的不便，不能很好地解决行车安全与便捷地使
11、用手机之间的矛盾，蓝牙技术的普及无疑为解决这些难题带来更好的选择。Bluetooth一词取自一位在公元10世纪统一了丹麦的国王哈拉德二世(Harald)的绰号，即“蓝牙”（Bluetooth），含有将四分五裂的局面统一起来的意思，而中文译名“蓝牙”则有无线通信新技术萌芽之意。采用蓝牙技术的免提系统可以与进入车内的蓝牙手机形成小范围的无线个域网，蓝牙手机可以放在车内以免提系统为圆心的10m范围内的任何一个地方，只要操作免提系统即可在开车时顺利地接打电话。蓝牙技术是便携式电子设备和固定式电子设备之间代替电缆连接的短距离无线通信的标准，将各种数字信息的外部设备用无线方式连接起来，进而形成一种个人周围
12、领域的网络，使得在其范围之内各种信息化的移动便携设备都能实现无缝的资源共享。自爱立信、诺基亚、东芝、IBM和Intel等公司组成的蓝牙特别兴趣小组SIG成立以来，加盟的公司已超过2000个，其中包括诸如AMD、康柏、戴尔、惠普、德州仪器、高通以及卡西欧、飞利浦、三星、夏普等许多世界著名的计算机、通信以及消费电子产品领域的企业，甚至还有汽车与照相机的制造商和生产厂家。一项公开的全球统一的技术规范得到工业界如此广泛的关注和支持是以往所罕见的。这说明蓝牙技术具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。1.2 研究的目的与意义蓝牙是一个开放性的、短距离无线数据、语音通信的全球规范，它可以用于在较小的范围内通过
13、无线连接的方式实现固定设备以及移动设备之间的网络互连，可以在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。因为蓝牙技术可以方便地嵌入到单一的CMOS芯片中，因此它特别适用于小型的移动通信设备。蓝牙各个应用规范的提出更将蓝牙的应用范围拓展到了一个新的宽度，对于车载免提系统来说，蓝牙的诞生无疑为其实现提供了一个更加合理的方案。蓝牙技术具有全方位，低辐射的特性。蓝牙的射频模块其辐射很低，对人体产生不了影响，免提终端和手机只要相隔10m之内，不管在车内的任何地方都可以进行通信，对通信的方位性要求很小。手机可以放在司机的公文包或者口袋里，只要靠免提终端而不用触摸您的手机就可以实现手机的
14、各种功能。在车载免提系统的实现上，蓝牙技术有其无法比拟的优势。相信随着蓝牙技术的不断改进，以及蓝牙2.0标准的推出，蓝牙技术在此领域中的前景会更加广阔。1.3 国内外研究动态和趋势在国内，有很多公司也已经开发完成了基于蓝牙技术的车载免提系统，但在芯片设计和软件开发和国外相比还需要进一步完善和改进，而且在应用上还没有得到普及。现在国内蓝牙车载免提市场随着私家车的增多有很大的开发空间，很多广州、深圳等地的电子公司都在投资这项研究。在国外，全球超过30家汽车品牌在他们的新型汽车中，提供启用蓝牙技术的可选或标准通信系统。蓝牙功能通常是大型通信系统的一部分，如导航。这些系统一般完全集成在汽车的电子系统中
15、，为司机提供丰富的蓝牙功能。倍受用户欢迎的 Acura TL 采用蓝牙无线技术作为其标准 Hands Free Link 的一部分。 随着越来越多的城市和国家考虑到交通安全，颁布禁止司机在驾驶汽车过程中使用手持移动电话的规定，车载免提功能的需求正不断增长。大部分法律允许司机在驾驶时使用手机的免提功能。许多驾驶人士都体会到启用蓝牙技术的解决方案能够满足他们的需要。1.4 论文的主要研究工作和内容本文主要论述了基于蓝牙技术车载免提系统硬件的研究、设计与软件实现方案。首先对蓝牙的网络体系结构特点、系统组成方式、关键技术和通信原理应用进行了详细研究和分析，在系统实现过程中结合蓝牙技术特点利用微处理器实
16、现控制和协调整个系统。其次详细阐述了蓝牙车载免提系统的硬件和软件设计。在硬件设计中介绍了系统所采用的蓝牙模块及其特点、通用型单片机及二者接口电路，对系统内多款芯片之间的工作电压不同进行了合理的硬件电路设计，对系统中高频成分的电路布局进行了详细的设计，对数字和模拟电路进行了适当的隔离。本文同时阐述了该系统单片机与蓝牙模块通过UART接口的通信方式、语音处理方式和LCD显示等功能。软件设计中根据硬件的特点设计相应接口程序、蓝牙模块与单片机串口通信程序、液晶显示程序等以及系统主程序、中断流程图。2 蓝牙车载免提系统的技术基础2.1 蓝牙协议体系结构就整体而言，蓝牙技术就是一套完整的通信协议体系，蓝牙
17、协议栈的设计原则是最大限度地重用已有的通信协议，这样就保证了蓝牙协议与已有协议的兼容性。蓝牙协议主要包括两个部分：蓝牙核心标准（Specification）和蓝牙应用规范（Profile）。蓝牙核心标准（Specification）对蓝牙协议从底层无线层（传输层和链路层）到高层应用层（蓝牙专用应用层协议以及各种已有应用协议）的主要特性和功能进行了纵向的规定，主要包括射频、基带、链路管理、逻辑链路控制与适配、串行电路仿真和服务发现等协议层。蓝牙应用规范（Profile）则是根据不同的应用模式规定了协议不同层的具体功能和操作过程，根据应用的不同，蓝牙应用规范可以分为蓝牙通用访问规范、电话规范、串行
18、和对象交换规范、网络规范。蓝牙协议现在已有2.0版本。蓝牙协议分层结构中的不同层分别完成数据流的过滤和传输、调频和数据帧传输、物理和逻辑连接的建立与释放、链路控制、数据拆装与重组、服务质量控制、协议分用和复用等。蓝牙的协议体系分为四层：核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和可选协议（马建仓等，2003；Bluetooth Special Interest Group，2001）。各层中的具体协议如下：（1）核心协议：射频（Bluetooth Radio）、基带（Baseband）、链路管理协议（LMP，Link Manager Protocol）、逻辑链路控制与适配协议（L2CAP, L
19、ogical Link Control and Adaptation Protocol）、服务发现协议（SDP, Service Discovery Protocol）；（2）电缆替代协议：串行电路仿真协议（RFCOMM）；（3） 电话传送控制协议：二元电话控制规范（TCS Binary）和AT命令（ATcommand）；（4）可选协议：点对点协议（PPP）、传输控制协议/用户数据报协议/互联网协议（TCP/UDP/IP）、目标交换协议（OBEX）、无线应用协议（WAP）、vCard、vCal、红外移动通信（IrMC）。除了上述协议层外，蓝牙规范还定义了主机控制器接口（HCI，Host Con
20、troller Interface）。HCI为基带控制器、链路控制器以及访问硬件状态和控制寄存器等提供命令接口，当蓝牙设备之间进行通信时，HCI以上的协议软件实体在主机上运行，而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间通过一个对两端透明的传输层进行交互。整个协议结构如图2-1所示（禹帆，2002）。vCard/vCalOBEXWAEWAPUDP TCPIPPPPAT指令TCS BINSDPRFCOMML2CAP语音LMP基带层电波发射层主机控制接口（HCI）图2-1 蓝牙技术的通信协议栈在蓝牙协议栈中，并不是所有的应用都必须使用协议栈中全部协议，而是可以只采用蓝牙协议栈的部分协议，例如在进行
21、语音通信时。就只需经过基带协议层，而不用通过L2CAP。但是无论蓝牙技术的哪一种应用，它们都一定要用到蓝牙协议栈中公共的基带层和无线射频层部分。下面就蓝牙协议栈中各个协议的具体功能进行一下简要的介绍：（1）核心协议核心协议都是SIG为蓝牙专门开发的。它们应用于蓝牙应用的每个规范。蓝牙核心协议的主要功能是完成对物理传输媒介的监测与控制，发现设备，可靠数据链路的建立与维持，高层数据包的适配，不同协议数据的复用与流量控制。基带协议：基带协议提供两种不同的物理链路，即同步面向连接链路和异步无连接链路。基带协议在微微网的两个或者多个单元之间建立链路连接，同时它还同步微微网内蓝牙设备的跳频频点和时钟。基带
22、协议还为在蓝牙链路中传输的数据和语音提供差错纠正。链路管理协议（LMP）：链路管理协议负责两个或多个设备之间的链路设置和控制。链路管理协议包括很多安全方面的控制。另外，它还负责蓝牙无线收发器的功率模式等。逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）：逻辑链路控制和适配协议属于高层控制协议，它与链路管理协议并行工作，共同传送往来基带层的数据。特别注意的是，物理链路有两种：SCO和ACL。但是L2CAP只支持ACL链路。服务发现协议（SDP）：服务发现协议可以使得一个蓝牙设备发现另一个蓝牙设备的设备信息，并与之建立连接（朱刚等，2002；严紫建等，2001）。（2）电缆替代协议（RFCOMM）RFCOMM
23、是蓝牙SIG在TS07.10协议子集的基础上开发的。RFCOMM像SDP一样位于L2CAP之上，作为一个电缆替代协议，它通过在蓝牙基带协议上仿真RS-232控制和数据信号，为那些将串行线用作传输机制的高级业务（如对象交换协议OBEX）提供传输能力。（3）电话控制协议（TCS）电话控制协议包括二进制电话控制协议（TCS BIN）和一套电话控制命令（AT command）。电话控制协议的设计支持电话功能，包括呼叫控制和分组管理，这些操作通常与语音呼叫有关，呼叫的参数就是使用TCS建立的，一旦呼叫建立成功，蓝牙音频信道就能运载呼叫的语音内容。TCS同样可以用来建立数据呼叫，以拨号上网的应用模板为例，
24、呼叫的内容在L2CAP上以标准数据包形式运载。二进制电话控制协议：它是定义蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令。它还定义处理蓝牙设备组的移动管理过程。AT命令：蓝牙的AT命令是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令，它由蓝牙SIG小组在ITU-TQ.931的基础上开发而成。它用于应用规范中确定蓝牙设备在连接有线或蜂窝电话网络时是作为电话还是调制解调器。（4）选用的协议这里的协议不是蓝牙技术独有的协议，蓝牙规范对高层的不同目标重复使用许多现存的协议，这样便保证蓝牙技术能够与现有协议的融合以及各种应用之间的互通性，充分利用了嵌入蓝牙技术的软硬件系统资源。蓝牙选用协议包括点对点协
25、议（PPP）、传输控制协议/用户数据报协议/互联网协议（TCP/UDP/IP）、对象交换协议（OBEX）和无线应用协议（WAP）等（Nathan J. Muller，2001；蒋群等，2003）。点到点协议：是由因特网工程任务组开发的，该协议主要用于拨号英特网连接，它定义了串行点到点链路如何传输因特网协议数据。点到点协议主要由3个部分组成:封装、链路控制协议（LCP）、网络控制协议（NCPS）。TCP/IP/UDP：这3种协议定义了大部分基于因特网和网络相关的通信以及其他类型计算设备和外围设备之间的通信。对象交换协议：这里的对象指的是网络中传输的数据，对象交换协议主要是用来实现不同设备间的数据
26、对象的交换。无线应用协议：在数字蜂窝电话和其他小型无线设备上实现因特网业务。2.2 蓝牙系统组成蓝牙系统一般由4部分组成：无线射频单元、链路控制(硬件)单元、链路管理(软件)单元及蓝牙软件结构和协议体系单元。从无线射频到L2CAP层的蓝牙规范的核心协议，属于蓝牙传输部分协议，也是低层协议。蓝牙系统的低层功能包括空中的协议和信息处理，并在的蓝牙模块中执行。有关主机I/O接口部分处于主机控制接口（HCI）部分。蓝牙设备代表一套完整的物理实体（如笔记本电脑、数字电话等），并可以利用蓝牙无线技术实现通信。2.3 蓝牙关键技术蓝牙技术是利用射频（Radio Frequency，RF）频段在半径30ft（
27、约9m）范围内建立点到点和点到多点连接，承载语音和数据传输业务。对互相通信的两个设备而言，每个设备都必须包含一个蓝牙无线收发器。无线收发器遵循完全一致的规范发送信号和接收信号，因此可以无需修改而在世界上任何地方使用。蓝牙技术基于时分复用与跳频扩谱原理，将电路交换与分组交换相结合，适用于语音传输和数据传输，既支持对称的实时同步链接，也支持不对称的非实时异步链接。下面介绍几种蓝牙技术中起着重要作用的关键技术（Nathan J. Muller，2001，蒋群等，2003）。2.3.1 蓝牙网络的构成蓝牙支持点对点和点对多点通信方式。主动发出连接请求的设备称为主设备，被动接受连接的设备称为从设备。蓝牙
28、网络中有2种结构：主从网络（Piconet）和分散网络（Scatternet）。主从网络又称微微网，是最基本的单元，在微微网中，只有一个设备是主设备，其它设备均为从设备，一个主设备最多可同时与7个处于激活状态的从设备互相传递数据，所有从设备共享网络的1Mbps的传输速率。分散网络由多个微微网构成，同一个微微网内的设备均使用一个跳频序列，根据不同的跳频序列区分不同的微微网。在分散网络中，主设备与从设备的角色常可互换，一个微微网中的主设备可以是其它网络的从设备，也可与其它网络的主设备共享同一个从设备。汽车内部的分散网络由2个微微网组成，带有蓝牙的免提系统（从）、手机（主）、掌上PC（从）构成微微网
29、1，手机内的通信簿可同步到掌上PC，同时可通过免提系统接打电话。移动PC（主）、随身听（从）、耳机（从）构成另一个微微网2，随身听可从移动PC上下载音乐。此时移动PC和耳机也可成为微微网!的从设备，手机可与移动PC内的通信簿同步更新，耳机则被手机和移动PC所共享，可用耳机接听电话也可用耳机听移动PC上的音乐，但当耳机处于激活状态时只能加入其中的一个微微网。2.3.2安全技术蓝牙网络与任何一种通信网络一样，会面临各种问题如假冒（Masquerade）、窃听（Eavesdropping）、未授权访（Unauthorized Access）和拒绝服务（Denial of Service）等。蓝牙技术
30、是通过无线传输的通信系统。在安全性方面还有一些特殊的威胁，在安全保护方面也存在特殊的困难。如无线信号不易监控，容易被外部窃听，蓝牙的基带与射频的带宽有限，加密和认证的信息不能太多。蓝牙设备的移动性更增加了安全机制的不确定性。因此安全机制在蓝牙技术中显得尤其重要。蓝牙提供了几个不同层次的数据加密和设备鉴权手段。在硬件层面，他通过PIN码和蓝牙设备地址来实现不同设备之间的相互鉴权。对用户而言，他们可以通过使用蓝牙提供的数据加密功能来实现通信的安全性。其中鉴权和编码的功能由基带层负责。鉴权的过程和协议出共同的编码方式由LMP层负责。蓝牙的安全管理任务最终体现在鉴权（Authentication）和授
31、权（Authorization）两个问题上。鉴权是验证请求者是谁的过程，利用蓝牙设备地址（BD_ ADDR）来实现。是允许请求者究竟可以做哪些事情的过程。蓝牙体系结构为蓝牙设备提供了三种安全模式（马建仓等，2003）：（1）安全模式1：蓝牙设备没有受到任何安全保护的模式；（2）安全模式2：服务级安全模式，他是建立在L2CAP层以上的安全保护模式，这种模式同时支持各种不同应用程序的安全要求；（3）安全模式3：链路级安全模式，即在LMP连接建立前要进行鉴权或数据加密。蓝牙在链路层用四个参数来加强通信的安全性，即蓝牙设备地址、鉴权密钥、加密私钥和随机码RAND。安全模式2与安全模式3的本质区别在于：
32、安全模式2下的蓝牙设备在信道建立以后启动安全性过程，即其安全性过程在较高协议进行；安全模式3下的蓝牙设备在信道建立以前启动安全性过程，即其安全性过程在低层协议进行（Bluetooth Special Interest Group，2001；马建仓等，2003；蒋群等，2003）。 2.4 蓝牙车载免提系统蓝牙车载免提系统就是利用蓝牙技术与进入车内的蓝牙手机进行无线通信，通过操作免提系统来完成与手机一样的接听电话、拨出电话、来电显示、音量控制等功能。免提终端可安装在汽车仪表面板上，利用车内的音响系统作为扬声器进行接听，通过高灵敏度的传声器进行通话，也可用蓝牙耳机替代有线的扬声器和传声器进行私密通
33、话。2.4.1免提系统的协议模型 蓝牙技术是一个开放性的标准，从而使它得以迅速地普及推广，各生产厂家都看中了蓝牙所蕴含的巨大商机，为确保不同生产厂家生产的蓝牙设备可以互通，SIG针对特定的应用场合制定了不同的操作模式（Profile.），从技术的观点定义了特定应用场合内运行方式及信号指令等，给出了实现这种应用的最基本要求，这样，不同厂家遵循同一种操作模式进行自己的产品开发就比较容易实现生产出的产品的互通性，有利于蓝牙技术在生活中的迅速应用。该免提系统就是根据Hands-Free Profile开发的，在操作模式里为这种应用定义了2种设备角色：音频网关AG和免提终端HF。 (1)音频网关AG（A
34、udio Gateway）：音频输入输出装置，此处为蓝牙手机端。(2)免提终端HF（Hands Free）：音频网关的远端音频输入输出，提供远程控制。此处为蓝牙免提终端。采用的协议模型如图2-2。从图中可以看出，在蓝牙协议栈和应用层之间加入HF控制层，通过控制层负责免提终端和音频网关的基于AT命令的信号解析。图2-2 HFP协议堆栈音频网关（Audio Gateway）免提单元（Hand Free Unit）免提应用（音频端口仿真）免提控制（Hand Free Control）串口仿真协议 服务发现协议（RFCOMM） （SDP）链路管理器协 逻辑链路控制议 与适配协议（LMP） （L2CAP
35、） 基带（Base band）射频（Radio）免提应用（音频驱动程序）免提控制（Hand Free Control）服务发现协议 串口仿真协议（SDP） （RFCOMM）逻辑链路控制 链路管理器协与适配协议 议 （L2CAP） （LMP） 基带（Base band）射频（Radio）2.4.2 免提应用规范中的设备角色HFP中定义了两类角色：音频网关和免提单元。其中，音频网关（Audio Gateway，AG）是指音频输入输出网关设备，典型的音频网关便是蜂窝移动电话（蓝牙手机）。免提单元（Hand Free，HF ）是指可以收发音频并遥控音频网关的设备，例如汽车内的蓝牙车载免提和蓝牙耳机。H
36、FP的典型应用如图2-3所示。图2-3 HFP的典型应用规范中还定义了呼入、呼出的概念。呼入（Incoming Call）即下行链路，指的是由蜂窝网发起的到音频网关的呼叫连接。呼出（Outgoing Call）即上行链路，指得是由音频网关发起的到蜂窝网的呼叫连接。2.4.3 免提应用规范基础免提终端可以不需创建一个安全的链路就可以使用网关AG提供的服务，这是由用户是否提供了安全措施所决定的。只要基带需要认证或加密，HF和AG就必须用GAP的鉴权过程来创建一个安全的链接，这个过程包括输入正确的PIN码来创建链路密钥。万一HF的用户界面（UI）不接受输入可变的PIN码，在GAP鉴权过程可能要使用固
37、定的PIN码。如果HF和AG之间没有建立一个LMP链路，在其它的任何过程完成以前，必须先建立 LMP链路。通常这需要寻呼其它设备。HF和AG都提供串口模拟，串口模拟被用来传送用户数据，包括从HF到AG的调制解调器控制信号和AT命令。AG解析收到的AT命令，根据接收到的不同的AT命令来执行不同的响应过程。3 蓝牙车载免提系统的硬件设计3.1 系统硬件总体设计蓝牙车载免提系统主要包括蓝牙模块、微处理控制器、Flash、接口电路及辅助电路，本文所介绍的基于蓝牙技术的车载免提系统是以微处理器AT89C4051为核心，硬件原理结构框图如图3-1所示如图所示。微处理器AT89C4051X5045LCD控制
38、控制器键盘编码器键盘蓝牙模块DSP功放器麦克风扬声器 图3-1 蓝牙车载免提系统硬件原理结构框图蓝牙车载免提系统硬件原理图见附录。3.2 系统硬件的各部分组成和功能3.2.1 蓝牙模块的选择蓝牙车载免提系统关键的部件为蓝牙模块，蓝牙模块包括蓝牙芯片和天线，而蓝牙模块的心脏是蓝牙芯片，蓝牙芯片实现蓝牙通信的核心功能。目前，蓝牙芯片供应商提供的芯片有两种：一种是集成了射频与基带部分的单个芯片，另一种是射频芯片与基带芯片相互独立，采用它们可构成与第一种功能相应的模块。为缩短开发周期，一般采用前者进行应用开发， CSR公司的B1ueCore1芯片的推出，提供了全球首批比较完整、兼容的系统解决方案，使得
39、产品开发更加简便。蓝牙芯片不能够直接应用，它还应该有外部的晶振和外部闪存，还需要有相应的外部电路的控制，最后成为我们可以直接用于设备和实验的蓝牙模块。该模块所用的蓝牙芯片是由CSR公司所提供的BlueCore2External蓝牙芯片。3.2.1.1 BlueCore2External蓝牙芯片概述BlueCore2-external芯片是英国CSR推出的应用于2.4GHz蓝牙系统的BlueCore2系列中最重要的芯片，具有最强的通用性，符合蓝牙1.1或者蓝牙1.2版标准。BlueCore2-External方框图如图3-2所示。该芯片需要外接8 Mbit Flash，具有继续升级的可行性，可以
40、实现数据和语音通信的蓝牙全功能系统，96引脚球珊阵列（BGA）封装，有66mm，88mm，10l0mm三种封装尺寸。用它作蓝牙主芯片使外围元件数减少到最低。CKM3蓝牙模块采用88mm BlueCore2-External蓝牙芯片（黄志伟，2005）。BlueCore2-external芯片主要特点如下：（1）工作电压为1.83.3V；（2）完全和别的蓝牙器件匹配；（3）采用0.18um CMOS工艺；（4）单片集成射频和基带技术；（5）支持8Mb的外围FLASH；（6）外围元器件较少。RAMDSPMCUI/O2.4GHzRadioSPIUART/USBPIOPCMXTAL8MbFlash R
41、OM射频输入射频输出图3-2 BlueCore2-External方框图蓝牙模块部分的硬件电路原理图如图3-3所示图3-3 蓝牙模块原理图3.2.2 微处理器单元该系统控制单元采用ATMEL公司的AT89C4051单片机作为整个系统的控制核心。它是一种高性能低功耗CMOS 8位微处理器，本系统采用DIP20封装，与工业标准的MCS-51TM指令集和输出管脚相兼容。其工作温度范围为-55125，工作电压范围为2.7V6V。本系统采用AT89C4051主要是考虑到其功耗体积小，工作温度范围宽，且片内资源具有丰富，它为很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活的有效的解决方案，完全能够满足系统功能要求。作
42、为对系统硬件的控制核心，图3-4示出了系统中单片机与各外围芯片接口电路图，系统中单片机与蓝牙模块之间UART接口连接，位可编程I/O接口用于键盘电路，液晶显示电路，DSP静音功能等接口。图3-4 AT89C4051原理图下面对AT89C4051单片机及功能进行介绍：（1）主要功能特点1）与MCS-51完全兼容；2）8位CPU；3）4k字节可编程FLASH程序存储器，编程次数达1000次，程序可保存10年以上；4）128字节RAM；5）15根I/O线；6）2个16位定时/计数器；7）2个优先级的5个中断源结构；8）1个全双工的UART串口；9）2.76V工作电压范围；10）片内振荡器及时钟电路；
43、11）特殊功能寄存器；12）两级程序加密，加密特性比以往有明显改进。（2）引脚配置及说明Port 1口：是一个8位双向I/O口。引脚P1.2至P1.7提供内部上拉。P1.0和P1.1需要外部上拉。P1.0和P1.1也可以分别用作片内精密模拟比较器的正输入端（AINO）和负输入端（AIN1）。口1的输出缓冲器能吸入10mA电流并能直接驱动LED显示。当“1”被写入口1的各引脚时，它们可被用作输入脚。当引脚P1.2至P1.7被用作输入并被外部拉低时，由于内部上拉，它们将供出电流。当EPROM编程时和编程检验时Port 1也接收代码数据。Port 3口：引脚P3.0至P3.5、P3.7是7个带有内部
44、上拉的双向I/O引脚。P3.6是片内比较器的输出脚而不能作为普通的I/O脚访问。Port 3的输出缓冲器可吸入20mA电流。当Port 3 口写入“1”时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入口时，被外部拉低的Port 3引脚将用上拉电阻输出电流。Port 3也能用作如表3-1所列的特殊功能:表3-1 Port3引脚的特殊功能引脚功能特性P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时/计数器0外部输入端）P3.5T1（定时/计数器1外部输入端）RST：复位输入。只要RST端一变高电平，所有的I/O引脚都复位为“
45、1”。当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的高电平便可完成复位。这个引脚在EPROM编程时，也接收12.75V编程电源电压（Vpp ）。XTAL1：振荡器反相放大器的输入端及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。（3）时钟振荡电路AT89C4051单片机的时钟可以由内部时钟方式或外部时钟方式产生，现分别介绍如下：（a）内时钟方式 （b）外时钟方式图3-5 时钟振荡电路1）内时钟方式：利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的正弦波，定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路
46、，如图3-5（a）所示。晶体可以在1.2MHz12MHz之间任选，电容通常为30pF左右，电容C1和C2的大小对振荡器频率有微小影响，可以起到频率微调的作用。为了保证振荡器的工作可靠，一般采用瓷片电容。2）外时钟方式：如图3-5（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器，对外部振荡信号无特殊要求。由于XTAL2端的电平不是TTL电平，故应接一上拉电阻。外部振荡器应该提供频率低于12MHz的方波信号（张大明等，2006）。在本系统中，采用了内时钟方式，晶振大小为11.0592MHz。（4）特殊功能寄存器特殊功能寄存器又称为专用寄存器。AT89C4051片内的I/O端口锁存器、定时/计数器
47、、串行口数据缓冲器以及各种控制寄存器，都以特殊功能寄存器的形式出现，它们离散的分布在片内80HFFH地址空间范围内。AT89C4051共有23个特殊功能寄存器，其中5个是双字节寄存器。片内特殊功能寄存器能综合的、实时的反映整个单片机内部的工作状态及工作方式，因此，它们是极为重要的。表3-2列出了部分特殊功能寄存器的标识符、名称和地址。表3-2 特殊功能寄存器符号名称地址*ACC*BDPHDPL*PSWSPPCON累加器B寄存器数据指针高字节数据指针地字节程序状态字堆栈指针电源控制E0HF0H83H82HD0H81H87H*IE*IP中断使能控制中断优先级控制A8B8*P1*P3口1口390HB0HSCONSBUF串行控制串行数据缓冲器98H99H*TCONTH0TH1T
