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加速藍芽單聲道耳機開發的設計步驟和方法分析

上網時間: 2006年07月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:藍芽  耳機  互通作業性  差異化  材料清單 

藍芽耳機市場在過去五年中發展非常迅速,總出貨量從2003年的700萬個上升到2005年的6,000多萬個。2006年供應量還將繼續增加。再加上行動手機的不斷普及,藍芽技術正成為全球都接受的一種通訊方式。藍芽技術的先進性、性能、電池消耗、近距離通訊以及立法方面的變化使藍芽市場取得了巨大的成功。然而,耳機設計人員為了取得設計成功正面臨著各方面的挑戰。

由於這個不斷發展的市場上競爭日益激烈,盡量縮短新產品上市時間已成為藍芽耳機設計人員面臨的主要壓力之一。藍芽耳機的發展提高了消費者對它的期望值,設計人員需要實現DSP、回波抵銷、噪音抑制、晶片上電池充電電路和交換式電源供應器(SMPS)等功能以滿足不斷提升的用戶需求。另外,設計人員仍需選擇合適的藍芽晶片、藍芽堆疊、耳機規格軟體(headset profile software)、軟硬體開發套件、參考設計、互通作業性測試和最終的藍芽認證組織測試。這一過程非常漫長,往往使設計人員很少有時間甚至沒時間考慮差異化問題。為了取悅更多的用戶,通常需要加強實用性、易用性和美觀性方面的設計,因此設計人員發現想盡快和低成本的滿足這些附加要求將是一個艱鉅的挑戰。

在典型的單聲道耳機設計中,有許多晶片上功能可以用來減少材料清單(BOM)以及設計尺寸和重量。設計人員希望在元件內部放置更多模組,但這將導致在單一封裝中整合多個矽晶片,從而增加成本。最實用的解決方案是在單一元件中整合射頻、記憶體、介面、微控制器、電池充電電路、時脈發生器、DAC和SMPS,減少相關的ROM大小。需要的外部元件僅是平衡-不平衡變壓器(balun)、濾波器、揚聲器、話筒、電池、按鈕和LED。

盡可能採用小型無鉛封裝以滿足全球RoHS標準,並方便生產加工,因而保持成本的低廉。影響耳機整體尺寸的主要因素是電池,專為耳機設計的鋰離子電池體積約為5mm × 12mm × 45mm,比標準的8mm × 8mm元件封裝要大得多。

圖1:通用耳機參考設計功能結構圖。

藍芽較低層硬體和韌體通常是由藍芽規格預先定義,市場上耳機間的主要區別是耳機應用程式碼的靈活性及其互通作業性測試的等級和廣泛性。像電池充電電路和SMPS等一些元件級性能是專門為耳機設計,不過大部份耳機特有的性能是由軟體定義的。市場上主要有兩種耳機:一種是基於快閃記憶體的耳機,其藍芽軟體就儲存在快閃記憶體中;另一種是基於ROM的耳機,其耳機軟體儲存在晶片上的ROM中,用戶可配置的一些功能則儲存在外部EEPROM中。這些功能可以透過編程來滿足實際的耳機人機介面(HMI)要求。

雖然採用快閃記憶體的耳機可提供軟體升級,因而連接新話機,但廣泛的互通作業性測試顯示,基於ROM的耳機產量將會更多,而生產成本也會更低。

設計流程

1. 硬體開發

設計藍芽單聲道耳機的第一步是印刷電路板(PCB)和藍芽IC的硬體開發。參考板設計是設計過程的最重要部份,因為它定義了推薦的PCB佈局,指明了元件和分離元件放置的位置以及如何實現低成本的印刷電路板天線。元件的佈局和位置是設計過程中特別重要的部份,因為它們會影響射頻性能。將已經通過所有藍芽認證測試的硬體參考設計作為設計起點可以有效減輕佈局設計負擔,參考設計對確定電路板元件之間的干擾和元件上的電磁干擾(EMI)也具有重要的指導意義。

通常,設計人員最初會使用專門為耳機應用設計硬體開發套件,套件中包括經過全面測試的功能參考設計。圖1是常見的耳機參考設計。該參考設計圍繞著特定的藍芽IC而建構,設計人員必須評估該設計是否適合實際的耳機應用要求。通常設計人員會進行測試,觀察執行應用層程式碼的標準晶片是否滿足要求的HMI規格。這些要求可以囊括LED作業和數量、多少按鈕以及按鈕的意義、上電和斷電次數、振鈴音和LED顏色等。開發板應該有大量可配置參數,因而讓設計人員確定設計是否滿足要求。設計人員也能在一些特定條件下測量功耗,如HFP1.5(免提規格)加上EDR(增強數據速率藍芽),以及具有不同封裝類型的eSCO。

採用來自CSR公司的BlueVOX方案,設計人員可以有兩種參考設計選擇,一種是採用鋰電池的設計,一種是採用原型電池(primary cell,AAA)的設計。這兩種設計都以BlueCore4-Headset ROM為基礎,它具有晶片上開關模式穩壓器和音訊編解碼器,並經過全面的測試。藍芽單晶片提供經全面認證的藍芽系統v2.0和帶6Mb內部ROM的EDR,並透過CSR的Headset v4應用軟體進行預載入。該應用軟體內含耳機和免提規格、HMI配置與應用策略。兩個參考設計都符合藍芽規格,並全部使用經互通作業測試過的元件。

使用某些行動電話並對耳機有特殊作業要求的設計人員可能希望做一些具體的互通作業性測試,以確保標準晶片能滿足要求。另外,如果設計人員希望改變天線類型,或改變參考設計佈局,則建議重做測試。

圖2:耳機軟體架構(ROM+外部EEPROM)。

2. 軟體開發

一旦設立好硬體參考設計,設計人員必須評估整合在ROM中的標準軟體解決方案是否合適。如前所述,藍芽軟體遵從一定的藍芽標準,因此對大多數藍芽元件來說是非常相似的。設計人員可透過修改BlueVOX軟體開發套件(SDK)來定製元件,實現一些專有的特性,例如可能需要特殊程式碼支援和硬體介面的特殊開關類型。不過,設計人員可使用經過全面測試的標準軟體來減少相當多的開發時間。

設計人員必須確定其它一些規格,如用於EDR和eSCO的免提規格(HFP)v1.5、耳機規格(HSP) v1.1、免提規格(HFP)v1.0以及人機介面(HMI)配置和應用策略。Headset v4軟體向設計人員提供了完整的藍芽軟體解決方案,實際使用時只需做少量修改。Headset v4還具有帶高音(treble)增強的風噪消減濾波器,可用來改善聲音品質,並透過BlueVOX配置器實現完全可配置的HMI。將參考設計透過提供的SPI/UART電纜連接到執行Windows的PC上後,設計人員就可以全面評估藍芽應用程式碼,透過適當修改使之適合附加的硬體規格和HMI配置。

設計人員利用標準的Headset v4軟體可以直接進行HMI的配置。在基於ROM的耳機中,電路板上靠近藍芽IC的地方需配置一個外部I2C串列EEPROM,用於存放配置HMI的永久儲存值(PS鍵)。對大多數應用來說,採用TSSOP或MLP封裝的32Kb EEPROM就足夠了。耳機軟體架構(ROM加上外部EEPROM)如圖2所示。

EEPROM的功能是存放兩套永久儲存鍵,第一套是非標準值,第二套用於特殊應用規格。如果使用CSR標準耳機軟體Headset v4,那麼就可以使用一款名為‘Configurator’的工具方便快速地配置用於定義HMI設置的PS鍵。這種方法非常靈活,在多數情況下均能滿足大部份要求。

設計人員利用BlueVOX配置器對HMI進行配置後,可以使最終產品與市場上其他產品產生顯著區別。設計人員可定義PIO功能使之適合其硬體設計以及採用不同按鈕配置的相關元件控制,還能定製LED模式和音調以指示用戶動作、系統狀態和系統事件,也可以透過修改特定模組鍵設置唯一的藍芽地址、電池閘限電壓、斷電設置和配對資訊等內容。Headset v4已經通過CSR公司的全面測試和驗證,如果所提供的標準Headset v4軟體和參考設計合適的話,設計人員就可以直接進行應用測試和藍芽認證。

3. 應用測試和藍芽認證

在軟體和硬體開發完成後就進入對包括即將用於大量產的軟體和硬體在內的整個參考設計最終測試和認證階段。設計人員必須執行大量測試,包括訊號輸出、相對於接收到的訊號強度指示器(RSSI)的誤碼率(BER)性能和訊息通道干擾。

對使用藍芽無線技術的所有產品來說,藍芽認證要求符合一定的測試標準。要求使用藍芽標誌的藍芽元件需要經過藍芽認證才能賦予產品擁有藍芽無線性能的標誌。另外,認證也能確保設計人員設計元件符合標準藍芽規格,並達到一定的互通作業性等級。藍芽認證要求在無線鏈路、協議、架構和資訊要求方面達到標準要求,設計人員也被要求提交一致性聲明,並取得FCC和CE等組織的認可。

測試和認證過程可能要花幾個星期的時間,特別是在做過修改和使用了許多第三方元件的情況下時間會很長。不過,即將由藍芽SIG定稿的最新已認證產品列表(QPL)方案可以讓設計人員透過參考藍芽最終產品列表(EPL)中的QPL數字而節省大量時間和成本。使用BlueVOX等解決方案的設計人員可以從通過全面藍芽認證過程(包括應用軟體、韌體和元件級測試)的參考設計中受益。如果最終設計基於的參考設計來自上述新方案生效後的開發套件,那麼設計人員就無需申請認證了。最終設計提交時需附帶CSR QPL標誌,如果要求獲得全球認證,還需要得到FCC和CE認可。

本文結論

設計藍芽耳機的設計人員正面臨越來越艱鉅的挑戰,他們必須在最短時間內滿足功能、成本和技術方面的要求。藍芽SIG和無線連接領域中的廠商已經廣泛意識到設計人員在一個成熟市場中所面臨的挑戰,各公司開始整合所有必要的硬體、軟體、設計說明以及對先進藍芽耳機設計各種支援,而讓設計人員專心進行新產品定製,並以最快的速度上市。

對所有藍芽耳機設計人員來說關鍵是減少軟硬體設計複雜性,這可透過採用外部元件很少的完整單聲道耳機解決方案並根據要求加以定製化實現,這樣做可以同時減少開發和製造方面的時間和成本。

作者:Karen Parnell

產品行銷經理

無線音訊產品部

CSR公司





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