加速蓝牙单声道耳机开发的设计步骤和方法分析

蓝牙耳机市场在过去五年中发展非常迅猛，总出货量从2003年的700万只上升到2005年的6000多万只。2006年交付量还将继续增加。再加上移动手机的不断普及，蓝牙技术正成为全球范围内都可接受的一种通信方式。蓝牙技术的先进性，及其性能、电池消耗、近距离通信和立法方面的变化使蓝牙市场取得了巨大的成功。然而，耳机设计师为了取得设计成功正面临着各方面的挑战。

上市时间

由于在这个不断发展的市场上竞争的加剧，尽量缩短新产品上市时间已成为蓝牙耳机设计师面临的主要压力之一。蓝牙耳机的发展提高了消费者对它的期望值，设计师需要实现DSP、回波抵消、噪声抑制、片上电池充电电路和开关电源(SMPS)等功能来满足不断提高的用户要求。另外，设计师仍然需要选择合适的蓝牙芯片、蓝牙堆栈、耳机规格软件(headset profile software)、软硬件开发套件、参考设计、互操作性测试和最终的蓝牙认证组织测试。这一过程非常长，往往使设计师很少有时间甚至没时间考虑差异化问题。为了取悦更多的用户，通常需要加强实用性、易用性和美观性方面的设计，因此设计师发现想尽快和低成本地满足这些附加要求将是一个艰巨的挑战。

成本降低

在典型的单声道耳机设计中，有许多片上功能可以用来减少材料清单(BOM)以及设计的尺寸和重量。设计师希望在器件内部放置更多的模块，但这样就要求在一个封装中做多个硅片，从而导致成本的上升。最实用的解决方案是在单个器件中集成射频、存储器、接口、微控制器、电池充电电路、时钟发生器、DAC和SMPS，减少相关的ROM大小。需要的外部元件仅是平衡-不平衡变压器(balun)、滤波器、扬声器、话筒、电池、按钮和LED。

图1：通常的耳机参考设计功能框图。

尽可能采用小型无铅封装以满足全球RoHS标准，并方便生产加工，从而保持成本的低廉。影响耳机整体尺寸的主要因素是电池，专门为耳机设计的典型锂离子电池体积大约是5×12×45mm，比典型的8×8mm器件封装要大得多。

蓝牙较低层硬件和固件通常是由蓝牙规范预先规定好的，市场上耳机之间的主要区别是耳机应用代码的灵活性以及它们互操作性测试的等级和广泛性。像电池充电电路和SMPS等一些器件级性能是专门为耳机设计的，不过大部分耳机特有的性能是由软件定义的。市场上主要有两种耳机：一种是基于闪存的耳机，其蓝牙软件就存储在闪存里；另一种是基于ROM的耳机，其耳机软件存储在片上的ROM中，用户可配置的一些键则存储在片外的EEPROM中。这些键可以通过编程来满足实际的耳机人机界面(HMI)要求。

虽然采用闪存的耳机可以提供软件升级功能，从而能连接新的话机，但广泛的互操作性测试表明，基于ROM的耳机大批量生产将多得多，因而生产成本也会更低。

通常的设计过程

1. 硬件开发

设计蓝牙单声道耳机的第一步是印刷电路板(PCB)和蓝牙IC的硬件开发。参考板设计是设计过程的最重要部分，因为它定义了推荐的PCB布局，指明了器件和分立元件放

置的位置以及如何实现低成本的印刷电路板天线。元件的布局和位置是设计过程中特别重要的部分，因为它们会影响射频性能。将已经通过所有蓝牙认证测试的硬件参考设计作为设计起点可以有效减轻布局设计的负担，参考设计对确定电路板元件之间的干扰和器件上的电磁干扰(EMI)也具有重要的指导意义。

通常，设计师最初会使用专门为耳机应用设计的硬件开发套件，套件中包括经过全面测试的功能参考设计。图1是常见的耳机参考设计。该参考设计围绕着特定的蓝牙IC而构建，设计师必须评估该设计是否适合实际的耳机应用要求。通常设计师会进行测试，观察运行应用层代码的标准芯片是否满足要求的HMI规范。这些要求可以囊括LED操作和数量、多少按钮以及按钮的意思、上电和断电次数、振铃音和LED颜色等方面。开发板应该有大量可配置参数，从而让设计师确定设计是否满足要求。设计师也能在一些特定条件下测量功耗，如HFP1.5(免提规范)加上EDR(增强数据速率蓝牙)，以及具有不同封装类型的eSCO(扩展SCO)。

采用来自CSR公司的BlueVOX方案，设计师可以有两种参考设计选择，一种是采用锂电池的设计，一种是采用原电池(primary cell, AAA)的设计。这两种设计都以BlueCore4-Headset ROM为基础，它具有片上开关模式稳压器和音频编解码器，并经过全面的测试。蓝牙单芯片提供经全面认证的蓝牙系统v2.0和带6Mb内部ROM的EDR，并通过CSR的Headset v4应用软件进行预装入。该应用软件内含耳机和免提规范、HMI配置与应用策略。两个参考设计都符合蓝牙规范，并全部使用经互操作测试过的器件。

使用某些移动电话并对耳机有特殊操作要求的设计师可能希望做一些具体的互操作性测试，以确保标准芯片能满足要求。另外，如果设计师希望改变天线类型，或改变参考设计的布局，建议重做测试。

2. 软件开发

一旦建立好硬件参考设计，设计师必须评估集成在ROM中的标准软件解决方案是否合适。如前所述，蓝牙软件遵从一定的蓝牙标准，因此对大多数蓝牙器件来说是非常相似的。设计师可以通过修改BlueVOX软件开发套件(SDK)来定制器件，实现一些专有的特性，例如可能需要特殊代码支持和硬件接口的特殊开关类型。不过，设计师可以使用经过全面测试的标准软件来减少相当多的开发时间。

设计师必须确定其它一些像蓝牙规格方面的规范，比如用于EDR和eSCO的免提规格(HFP)v1.5、耳机规格(HSP) v1.1、免提规格(HFP)v1.0以及人机界面(HMI)配置和应用策略。Headset v4软件向设计师提供了完整的蓝牙软件解决方案，实际使用时只需做少量修改。Headset v4还具有带高音(treble)增强的风噪消减滤波器，可以用来改善声音质量，并通过BlueVOX配置器实现完全可配置的HMI。将参考设计通过提供的SPI/UART电缆连接到运行Windows的PC机上后，设计师就可以全面评估蓝牙应用代码，通过适当修改使之适合附加的硬件规范和HMI配置。

设计师利用标准的Headset v4软件可以直接进行HMI的配置。在基于ROM的耳机中，电路板上靠近蓝牙IC的地方需要配置一个外部I2C串行EEPROM，用于存放配置HMI的永久存储值(PS键)。对大多数应用来说，采用TSSOP或MLP封装的32Kb EEPROM就足够了。耳机软件架构(ROM加上外部EEPROM)如图2所示。

EEPROM的功能是存放两套永久存储键，第一套是非标准值，第二套用于特殊应用规范。如果使用CSR标准耳机软件Headset v4，那么就可以使用一款名为"Configurator"的工具方便快速地配置用于定义HMI设置的PS键。这样做特别灵活，而且在大多数情况下能满足大部分要求。

设计师利用BlueVOX配置器对HMI进行配置后，可以使最终产品显著区别于市场上的其它产品。设计师可以定义PIO功能使之适合他们的硬件设计以及采用不同按钮配置的相关器件控制，还可以定制LED模式和音调以指示用户动作、系统状态和系统事件，也可以通过修改特定模块键设置唯一的蓝牙地址、电池门限电压、断电设置和配对信息等内容。Headset v4已经通过CSR公司的全面测试和验证，如果所提供的标准Headset v4软件和参考设计合适的话，设计师就可以直接进行应用测试和蓝牙认证。

3. 应用测试和蓝牙认证

在软件和硬件开发完成后就进入对包括即将用于大批量生产的软件和硬件在内的整个参考设计的最终测试和认证阶段。设计师必须执行大量测试，包括信号输出、相对于接收到的信号强度指示器(RSSI)的误码率(BER)性能和信道干扰。

对使用蓝牙无线技术的所有产品来说，蓝牙认证要求符合一定的测试标准。要求使用蓝牙标志的蓝牙器件需要经过蓝牙认证才能给产品打上拥有蓝牙无线性能的标志。另外，认证也能确保设计师设计的器件符合标准蓝牙规范，并达到一定的互操作性等级。蓝牙认证要求在无线链路、协议、架构和信息要求方面达到标准要求，设计师也被要求提交一致性声明，并取得FCC和CE等组织的认可。

图2：耳机软件架构(ROM+外部EEPROM)。

测试和认证过程可能要花几个星期的时间，特别是在做过修改和使用了许多第三方器件的情况下时间会很长。不过，即将由蓝牙SIG最终定稿的最新已认证产品列表(QPL)方案可以让设计师通过参考蓝牙最终产品列表(EPL)中的QPL数字而节省大量时间和成本。使用BlueVOX等解决方案的设计师可以从通过全面蓝牙认证过程(包括应用软件、固件和器件级测试)的参考设计中受益。如果最终设计基于的参考设计来自上述新方案生效后的开发套件，那么设计师就无需申请认证了。最终设计提交时需附带CSR QPL数字，如果要求获得全球认证，还需要得到FCC和CE认可。

本文小结

设计蓝牙耳机的设计师正面临越来越艰巨的挑战，他们需要在最短的时间内满足功能、成本和技术方面的要求。蓝牙SIG和无线连接领域中的各家公司已经广泛意识到设计师在一个成熟市场中所面临的挑战，各家公司开始整合所有必需的硬件、软件、设计说明以及对先进蓝牙耳机设计的各种支持，而让设计师专心进行新产品定制，并以最快的速度上市。

对所有蓝牙耳机设计师来说关键是减少软硬件设计的复杂性，这可以通过采用外部元件很少的完整单声道耳机解决方案并根据要求加以定制化实现，这样做可以同时减少开发和制造方面的时间和成本。

作者：Karen Parnell

产品行销经理

无线音频产品部

CSR公司