基于BC03藍(lán)牙模組的無(wú)線有源音箱設(shè)計(jì)

摘 要：給出了一種采用藍(lán)牙模組的無(wú)線通信系統(tǒng)。將CSR的BC03藍(lán)牙模組與TDA2030A OCL功放置于音箱中，通過C8051F020單片機(jī)UART0完成與藍(lán)牙模組通信和控制，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙手機(jī)或者PC電腦與BC03藍(lán)牙模組的互連，完成HFP和A2DP功能，采用4×5鍵盤完成數(shù)據(jù)和音頻控制指令的輸入，并通過TS1602 LCD完成基本的數(shù)據(jù)和控制指令顯示等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)能夠成功實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙手機(jī)或者PC設(shè)備與BC03藍(lán)牙模組的互連，完成藍(lán)牙模組的HFP和A2DP功能，音頻最大輸出功率可以達(dá)到14 W(RL=4 Ω)，可以直接驅(qū)動(dòng)4 Ω或者8 Ω的音箱負(fù)載。

關(guān)鍵詞：BC03藍(lán)牙模組； HFP； A2DP； 音頻控制

中圖分類號(hào)：TN92-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)17-0071-03

Design of Wireless Active Sound Box Based on BC03 Bluetooth Modules

YANG Ben-quan， CHEN Ai-hua， YE Jian-chao

(Taizhou University， Taizhou 318000， Chian)

Abstract： The wireless communication system with bluetooth modules is discussed. BC03 bluetooth modules of CSR and TDA2030A OCL power amplifier are placed in sound box. The interconnection of bluetooth mobile telephone or PC with bluetooth modules， and the function of HFP and A2DP are realized by means of the communication and control between bluetooth modules accomplished by UART0 of SCM (single chip micyoco) C8051F020. The system adopts 4×5 keyboard to implement the input of data and audio frequency control instructions， which is displayed by TS1602 LCD. The experiment results show that the system can realize HFP and A2DP function of the bluetooth modules by interconnecting the bluetooth mobile telephone or PC with BC03 bluetooth modules. The maximum output power of audio frequency can reach 14 W (RL=4 Ω)， and drive 4 Ω or 8 Ω load of sound box.

Keywords： bluetooth module; HFP; A2DP; audio control

0 引 言

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信(一般10 m內(nèi))的無(wú)線電技術(shù)，能在包括移動(dòng)電話、PDA、無(wú)線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線信息交換［1］。利用藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4 GHz ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段，采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸，數(shù)據(jù)速率為1 Mb/s。藍(lán)牙技術(shù)實(shí)質(zhì)是一種短距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)［2］。

選擇C8051F020單片機(jī)［3］作為該無(wú)線通信系統(tǒng)的處理和控制器［4-5］，BC03MM藍(lán)牙模塊作為該無(wú)線通信系統(tǒng)的收發(fā)模塊，通過串口通信使單片機(jī)和藍(lán)牙終端設(shè)備相互連接，通過編寫相關(guān)控制程序，實(shí)現(xiàn)鍵盤信號(hào)通過單片機(jī)模塊處理轉(zhuǎn)化后給藍(lán)牙模塊發(fā)送相關(guān)命令，從而控制對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙終端(手機(jī))進(jìn)行播放音樂，撥打電話等功能。采用單片機(jī)作為藍(lán)牙模塊的命令控制和數(shù)據(jù)顯示處理和控制器，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、成本低廉、可移植性等優(yōu)點(diǎn)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

方案的主要任務(wù)是通過C8051F020單片機(jī)UART0完成與藍(lán)牙模組通信和控制，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙手機(jī)或者PC電腦與BC03藍(lán)牙模組的互連，完成免提(Hand Free Profile，HFP)和音樂播放(Advanced Audio Distribution Profile，A2DP)功能。該系統(tǒng)由鍵盤、單片機(jī)、LCD顯示器、固化了電纜通信協(xié)議(RFCOMM)的BC03MM藍(lán)牙模塊組成，其中鍵盤用來輸入控制信號(hào)，LCD用來顯示通信數(shù)據(jù)從而方便系統(tǒng)操作［6］，單片機(jī)用來控制系統(tǒng)的運(yùn)作，接收鍵盤的命令信號(hào)并傳輸給藍(lán)牙模塊，BC03藍(lán)牙模塊是用來連接外部藍(lán)牙終端(手機(jī)或者PC電腦)，并通過發(fā)送命令控制其連接的終端實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用一片C8051F020單片機(jī)和CSR BC03藍(lán)牙模組來完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中UART0被配置在C8051F020的P0.0(TXD)和P0.1(RXD)［7］，通過串接1 kΩ電阻與BC03模組串口連接。由于C8051F020和BC03藍(lán)牙模組均為3.3 V系統(tǒng)，所以不需要增加額外的電平轉(zhuǎn)換串口通信電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)［8］。C8051F020的端口P3控制LCD1602的命令和數(shù)據(jù)顯示，端口P2完成鍵盤信息的輸入。對(duì)于BC03MM藍(lán)牙模塊部分，通過駐極體傳聲器完成語(yǔ)音信號(hào)的輸入，藍(lán)牙模塊的音頻信號(hào)輸出則通過TDA2030A以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2.2 藍(lán)牙模塊接線設(shè)計(jì)

BC03MM藍(lán)牙模塊接線部分主要涉及到三個(gè)部分：

(1) 語(yǔ)音信號(hào)的輸入部分。語(yǔ)音信號(hào)輸入由駐極體傳聲器和濾波處理電路完成，設(shè)置為單端輸入方式。

(2) 16位立體聲音頻解碼部分的SPK立體聲輸出。對(duì)于藍(lán)牙模塊的兩路立體聲輸出，選用TI公司的立體聲音頻功率放大芯片TPA6112進(jìn)行前置放大，增益可以自行設(shè)定。

(3) 與MCU的連接。

2.3 MCU控制和通信電路

MCU控制和通信電路包括：串行數(shù)據(jù)通信電路、控制信號(hào)輸入和通信數(shù)據(jù)顯示三個(gè)部分。

C8051F020內(nèi)置增強(qiáng)型串口UART0和數(shù)字交叉開關(guān)，通過配置交叉開關(guān)控制寄存器XBR0和XBR2，將UART0的TXD和RXD數(shù)字信號(hào)配置在端口I/O引腳。本文中UART0被配置在C8051F020的P0.0(TXD)和P0.1(RXD)，通過串接1 kΩ電阻與BC03MM模組的UART(RX和TX)連接，完成串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

控制信號(hào)輸入部分主要由C8051F020 I/O端口P2控制矩陣式4×5鍵盤完成。使用矩陣式鍵盤，具有占用I/O資源少，程序編制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)HFP和A2DP功能，按鍵功能如圖2所示。SHIFT為功能切換按鍵，在HFP和A2DP之間進(jìn)行切換。按鍵0~3為多功能按鍵，在SHIFT鍵沒有按下時(shí)，表示撥打電話的數(shù)字按鍵0~3或者接聽來電、掛斷電話、拒接來電和重新?lián)芴?hào)功能；在SHIFT鍵按下時(shí)，依次表示音樂暫停/開始、連接藍(lán)牙音樂、下一曲和上一曲功能。按鍵D，E，F(xiàn)和G為系統(tǒng)預(yù)留功能擴(kuò)展按鍵，按下無(wú)作用。

顯示部分通過C8051F020的端口P3作為與LCD1602通信的8位數(shù)據(jù)線，主要完成通信數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的顯示。

2.4 音頻放大和系統(tǒng)供電

采用CONTEK公司的音頻功率放大器TDA2030A［9］，構(gòu)成OCL接法，最大輸出功率可達(dá)14 W。對(duì)于藍(lán)牙模塊輸出的音頻信號(hào)SPKR+和SPKL+分別進(jìn)入兩片TDA2030A進(jìn)行功率放大以驅(qū)動(dòng)RL=4 Ω的喇叭。

系統(tǒng)正常工作需要±12 V，+5 V和+3.3 V電壓供電。本文將市電220 V/50 Hz經(jīng)過2×12 V/40 W變壓器降壓變換后，經(jīng)過電橋整流和濾波后產(chǎn)生±12 V，直接供電給TDA2030A。整流濾波后的電壓經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓芯片，輸出穩(wěn)定+5 V給LCD1602供電，將LM7805輸出電壓再經(jīng)過ASM1117-3.3V供電給單片機(jī)系統(tǒng)和藍(lán)牙模塊，完成系統(tǒng)電源供給。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括三大部分：藍(lán)牙協(xié)議棧的搭建、藍(lán)牙通信軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)控制部分軟件設(shè)計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)的主要目的是提供一個(gè)高效的命令，免去不同藍(lán)牙設(shè)備間不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)和復(fù)雜的藍(lán)牙功能。該軟件接口為串行接口，串行接口用于兩個(gè)處理器之間的通信，傳輸速率為19 200 b/s，8，N，1。

藍(lán)牙技術(shù)是一個(gè)開放性系統(tǒng)(OSI)，其主要目的就是使符合該規(guī)范的各種設(shè)備能互通，這就要求本地設(shè)備和遠(yuǎn)端設(shè)備使用相同的協(xié)議，當(dāng)然不同的應(yīng)用，其使用的協(xié)議棧也可能不同，但是他們都必須使用藍(lán)牙技術(shù)協(xié)議規(guī)范中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。完整的藍(lán)牙協(xié)議棧主要涉及基帶協(xié)議(Baseband)、連接管理協(xié)議(Link Manager Protocol，LMP)、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(Logical LinkControl and Adaptation Protocol，L2CAP)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(Service Discovery Protocol，SDP)、電纜替代協(xié)議(RFCOMM) ［10］、電話控制協(xié)議(Telephony Control Protocols，TCS)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(PPP)、對(duì)象交換協(xié)議(OBEX)、無(wú)線應(yīng)用協(xié)議(WAP)、藍(lán)牙音頻傳輸模型協(xié)議(A2DP)等協(xié)議。本文主要涉及基帶協(xié)議(Baseband)，LMP，L2CAP，SDP，RFCOMM，TCS，PPP，A2DP等協(xié)議，如圖3所示。

于系統(tǒng)采用固化了電纜通信協(xié)議(RFCOMM)和其他底層協(xié)議棧的CSR BC03藍(lán)牙模塊，模塊只給出與單片機(jī)通信部分的簡(jiǎn)單接口指令。當(dāng)模組收到由C8051F020控制單元送來的狀態(tài)詢問指令(空白+？)， 模組會(huì)經(jīng)由TX腳將參數(shù)字符并加結(jié)束字符“0x0D 0x0A”傳送到主機(jī)，該命令當(dāng)C8051F020控制單元經(jīng)由TXD設(shè)定指令給BC03模組， 模組將同時(shí)被命令去執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。指令有數(shù)個(gè)字符， 第一個(gè)是為“空格” (ASCII=20H)，其余則為指令字符，同時(shí)BC03模組將有一個(gè)反饋?zhàn)址?00 ms內(nèi)經(jīng)過BC03MM UART送到控制單元，表示系統(tǒng)目前的執(zhí)行情況和藍(lán)牙系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。

C8051F020單片機(jī)控制部分軟件主要完成以下幾個(gè)功能：對(duì)BC03藍(lán)牙模組指令控制，對(duì)LCD1602系統(tǒng)狀態(tài)顯示的指令控制和按鍵輸入指令的譯碼等功能。

基于C8051F020單片機(jī)控制BC03MM 藍(lán)牙模組系統(tǒng)控制流程圖如圖4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)基于C8051F020單片機(jī)和BC03MM藍(lán)牙模組構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)牙手機(jī)或者PC設(shè)備與BC03藍(lán)牙模組的互連，完成藍(lán)牙模組的HFP和A2DP功能，音頻最大輸出功率可以達(dá)到Po=14 W(RL=4 Ω)，可以直接驅(qū)動(dòng)4 Ω或者8 Ω的音箱負(fù)載，并且人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、可移植性好，方便用于商業(yè)用途。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

楊本全 男，1980年出生，陜西寶雞人，實(shí)驗(yàn)師，碩士。主要研究方向?yàn)閿?shù)字圖像的采集與處理、語(yǔ)音信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)測(cè)控和機(jī)器視覺。