發布日期：2022-07-14 點擊率：24
上市時間
由于在這個不斷發展的市場上競爭的加劇,盡量縮短新產品上市時間已成為藍牙耳機設計師面臨的主要壓力之一。藍牙耳機的發展提高了消費者對它的期望值,設計師需要實現DSP、回波抵消、噪聲抑制、片上電池充電電路和開關電源(SMPS)等功能來滿足不斷提高的用戶要求。另外,設計師仍然需要選擇合適的藍牙芯片、藍牙堆棧、耳機規格軟件(headset profile software)、軟硬件開發套件、參考設計、互操作性測試和最終的藍牙認證組織測試。這一過程非常長,往往使設計師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,因此設計師發現想盡快和低成本地滿足這些附加要求將是一個艱巨的挑戰。
成本降低
在典型的單聲道耳機設計中,有許多片上功能可以用來減少材料清單(BOM)以及設計的尺寸和重量。設計師希望在器件內部放置更多的模塊,但這樣就要求在一個封裝中做多個硅片,從而導致成本的上升。最實用的解決方案是在單個器件中集成射頻、存儲器、接口、微控制器、電池充電電路、時鐘發生器、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。
圖1:通常的耳機參考設計功能框圖。
盡可能采用小型無鉛封裝以滿足全球RoHS標準,并方便生產加工,從而保持成本的低廉。影響耳機整體尺寸的主要因素是電池,專門為耳機設計的典型鋰離子電池體積大約是5×12×45mm,比典型的8×8mm器件封裝要大得多。
藍牙較低層硬件和固件通常是由藍牙規范預先規定好的,市場上耳機之間的主要區別是耳機應用代碼的靈活性以及它們互操作性測試的等級和廣泛性。像電池充電電路和SMPS等一些器件級性能是專門為耳機設計的,不過大部分耳機特有的性能是由軟件定義的。市場上主要有兩種耳機:一種是基于閃存的耳機,其藍牙軟件就存儲在閃存里；另一種是基于ROM的耳機,其耳機軟件存儲在片上的ROM中,用戶可配置的一些鍵則存儲在片外的EEPROM中。這些鍵可以通過編程來滿足實際的耳機人機界面(HMI)要求。
雖然采用閃存的耳機可以提供軟件升級功能,從而能連接新的話機,但廣泛的互操作性測試表明,基于ROM的耳機大批量生產將多得多,因而生產成本也會更低。
通常的設計過程
1. 硬件開發
設計藍牙單聲道耳機的第一步是印刷電路板(PCB)和藍牙IC的硬件開發。參考板設計是設計過程的最重要部分,因為它定義了推薦的PCB布局,指明了器件和分立元件放
置的位置以及如何實現低成本的印刷電路板天線。元件的布局和位置是設計過程中特別重要的部分,因為它們會影響射頻性能。將已經通過所有藍牙認證測試的硬件參考設計作為設計起點可以有效減輕布局設計的負擔,參考設計對確定電路板元件之間的干擾和器件上的電磁干擾(EMI)也具有重要的指導意義。
通常,設計師最初會使用專門為耳機應用設計的硬件開發套件,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牙IC而構建,設計師必須評估該設計是否適合實際的耳機應用要求。通常設計師會進行測試,觀察運行應用層代碼的標準芯片是否滿足要求的HMI規范。這些要求可以囊括LED操作和數量、多少按鈕以及按鈕的意思、上電和斷電次數、振鈴音和LED顏色等方面。開發板應該有大量可配置參數,從而讓設計師確定設計是否滿足要求。設計師也能在一些特定條件下測量功耗,如HFP1.5(免提規范)加上EDR(增強數據速率藍牙),以及具有不同封裝類型的eSCO(擴展SCO)。
采用來自CSR公司的BlueVOX方案,設計師可以有兩種參考設計選擇,一種是采用鋰電池的設計,一種是采用原電池(primary cell, AAA)的設計。這兩種設計都以BlueCore4-Headset ROM為基礎,它具有片上開關模式穩壓器和音頻編解碼器,并經過全面的測試。藍牙單芯片提供經全面認證的藍牙系統v2.0和帶6Mb內部ROM的EDR,并通過CSR的Headset v4應用軟件進行預裝入。該應用軟件內含耳機和免提規范、HMI配置與應用策略。兩個參考設計都符合藍牙規范,并全部使用經互操作測試過的器件。
使用某些移動電話并對耳機有特殊操作要求的設計師可能希望做一些具體的互操作性測試,以確保標準芯片能滿足要求。另外,如果設計師希望改變天線類型,或改變參考設計的布局,建議重做測試。
2. 軟件開發
一旦建立好硬件參考設計,設計師必須評估集成在ROM中的標準軟件解決方案是否合適。如前所述,藍牙軟件遵從一定的藍牙標準,因此對大多數藍牙器件來說是非常相似的。設計師可以通過修改BlueVOX軟件開發套件(SDK)來定制器件,實現一些專有的特性,例如可能需要特殊代碼支持和硬件接口的特殊開關類型。不過,設計師可以使用經過全面測試的標準軟件來減少相當多的開發時間。
設計師必須確定其它一些像藍牙規格方面的規范,比如用于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以及人機界面(HMI)配置和應用策略。Headset v4軟件向設計師提供了完整的藍牙軟件解決方案,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,可以用來改善聲音質量,并通過BlueVOX配置器實現完全可配置的HMI。將參考設計通過提供的SPI/UART電纜連接到運行Windows的PC機上后,設計師就可以全面評估藍牙應用代碼,通過適當修改使之適合附加的硬件規范和HMI配置。
設計師利用標準的Headset v4軟件可以直接進行HMI的配置。在基于ROM的耳機中,電路板上靠近藍牙IC的地方需要配置一個外部I2C串行EEPROM,用于存放配置HMI的永久存儲值(PS鍵)。對大多數應用來說,采用TSSOP或MLP封裝的32Kb EEPROM就足夠了。耳機軟件架構(ROM加上外部EEPROM)如圖2所示。
EEPROM的功能是存放兩套永久存儲鍵,第一套是非標準值,第二套用于特殊應用規范。如果使用CSR標準耳機軟件Headset v4,那么就可以使用一款名為"Configurator"的工具方便快速地配置用于定義HMI設置的PS鍵。這樣做特別靈活,而且在大多數情況下能滿足大部分要求。
設計師利用BlueVOX配置器對HMI進行配置后,可以使最終產品顯著區別于市場上的其它產品。設計師可以定義PIO功能使之適合他們的硬件設計以及采用不同按鈕配置的相關器件控制,還可以定制LED模式和音調以指示用戶動作、系統狀態和系統事件,也可以通過修改特定模塊鍵設置唯一的藍牙地址、電池門限電壓、斷電設置和配對信息等內容。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軟件和參考設計合適的話,設計師就可以直接進行應用測試和藍牙認證。
3. 應用測試和藍牙認證
在軟件和硬件開發完成后就進入對包括即將用于大批量生產的軟件和硬件在內的整個參考設計的最終測試和認證階段。設計師必須執行大量測試,包括信號輸出、相對于接收到的信號強度指示器(RSSI)的誤碼率(BER)性能和信道干擾。
對使用藍牙無線技術的所有產品來說,藍牙認證要求符合一定的測試標準。要求使用藍牙標志的藍牙器件需要經過藍牙認證才能給產品打上擁有藍牙無線性能的標志。另外,認證也能確保設計師設計的器件符合標準藍牙規范,并達到一定的互操作性等級。藍牙認證要求在無線鏈路、協議、架構和信息要求方面達到標準要求,設計師也被要求提交一致性聲明,并取得FCC和CE等組織的認可。
圖2:耳機軟件架構(ROM+外部EEPROM)。
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器件的情況下時間會很長。不過,即將由藍牙SIG最終定稿的最新已認證產品列表(QPL)方案可以讓設計師通過參考藍牙最終產品列表(EPL)中的QPL數字而節省大量時間和成本。使用BlueVOX等解決方案的設計師可以從通過全面藍牙認證過程(包括應用軟件、固件和器件級測試)的參考設計中受益。如果最終設計基于的參考設計來自上述新方案生效后的開發套件,那么設計師就無需申請認證了。最終設計提交時需附帶CSR QPL數字,如果要求獲得全球認證,還需要得到FCC和CE認可。
本文小結
設計藍牙耳機的設計師正面臨越來越艱巨的挑戰,他們需要在最短的時間內滿足功能、成本和技術方面的要求。藍牙SIG和無線連接領域中的各家公司已經廣泛意識到設計師在一個成熟市場中所面臨的挑戰,各家公司開始整合所有必需的硬件、軟件、設計說明以及對先進藍牙耳機設計的各種支持,而讓設計師專心進行新產品定制,并以最快的速度上市。
對所有藍牙耳機設計師來說關鍵是減少軟硬件設計的復雜性,這可以通過采用外部元件很少的完整單聲道耳機解決方案并根據要求加以定制化實現,這樣做可以同時減少開發和制造方面的時間和成本。
作者:Karen Parnell
產品行銷經理
無線音頻產品部
CSR公司
