藍(lán)牙耳機(jī)市場在過去五年中發(fā)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(yīng)量還將繼續(xù)增加。再加上行動手機(jī)的不斷普及，藍(lán)牙技術(shù)正成為全球都接受的一種通訊方式。藍(lán)牙技術(shù)的先進(jìn)性、性能、電池消耗、近距離通訊以及立法方面的變化使藍(lán)牙市場取得了巨大的成功。然而，耳機(jī)電路板設(shè)計人員為了取得設(shè)計成功正面臨著各方面的挑戰(zhàn)。

 

由于這個不斷發(fā)展的市場上競爭日益激烈，盡量縮短新產(chǎn)品上市時間已成為藍(lán)牙耳機(jī)電路板設(shè)計人員面臨的主要壓力之一。藍(lán)牙耳機(jī)的發(fā)展提高了消費者對它的期望值，電路板設(shè)計人員需要實現(xiàn)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(yīng)器(SMPS)等功能以滿足不斷提升的用戶需求。另外，電路板設(shè)計人員仍需選擇合適的藍(lán)牙晶片、藍(lán)牙堆迭、耳機(jī)規(guī)格軟件(headset profile software)、軟硬件開發(fā)套件、參考設(shè)計、互通作業(yè)性測試和最終的藍(lán)牙認(rèn)證組織測試。這一過程非常漫長，往往使電路板設(shè)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(qiáng)實用性、易用性和美觀性方面的設(shè)計，因此電路板設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)想盡快和低成本的滿足這些附加要求將是一個艱巨的挑戰(zhàn)。

 

在典型的單聲道耳機(jī)設(shè)計中，有許多晶片上功能可以用來減少材料清單(BOM)以及設(shè)計尺寸和重量。電路板設(shè)計人員希望在元件內(nèi)部放置更多模組，但這將導(dǎo)致在單一封裝中整合多個硅晶片，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、界面、微控制器、電池充電電路、時脈發(fā)生器、DAC和SMPS，減少相關(guān)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。

 

盡可能采用小型無鉛封裝以滿足全球RoHS標(biāo)淮，并方便生產(chǎn)加工，因而保持成本的低廉。影響耳機(jī)整體尺寸的主要因素是電池，專為耳機(jī)設(shè)計的鋰離子電池體積約為5mm × 12mm × 45mm，比標(biāo)淮的8mm × 8mm元件封裝要大得多。

 

圖1：通用耳機(jī)參考設(shè)計功能結(jié)構(gòu)圖。

 

藍(lán)牙較低層硬件和韌體通常是由藍(lán)牙規(guī)格預(yù)先定義，市場上耳機(jī)間的主要區(qū)別是耳機(jī)應(yīng)用程式碼的靈活性及其互通作業(yè)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(jī)設(shè)計，不過大部份耳機(jī)特有的性能是由軟件定義的。市場上主要有兩種耳機(jī)：一種是基于快閃記憶體的耳機(jī)，其藍(lán)牙軟件就儲存在快閃記憶體中；另一種是基于ROM的耳機(jī)，其耳機(jī)軟件儲存在晶片上的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(jī)人機(jī)界面(HMI)要求。

 

雖然采用快閃記憶體的耳機(jī)可提供軟件升級，因而連接新話機(jī)，但廣泛的互通作業(yè)性測試顯示，基于ROM的耳機(jī)產(chǎn)量將會更多，而生產(chǎn)成本也會更低。

 

設(shè)計流程

 

1. 硬件開發(fā)

設(shè)計藍(lán)牙單聲道耳機(jī)的第一步是印刷電路板(PCB)和藍(lán)牙IC的硬件開發(fā)。參考板設(shè)計是設(shè)計過程的最重要部份，因為它定義了推薦的PCB布局，指明了元件和分離元件放置的位置以及如何實現(xiàn)低成本的印刷電路板天線。元件的布局和位置是設(shè)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(jīng)通過所有藍(lán)牙認(rèn)證測試的硬件參考設(shè)計作為設(shè)計起點可以有效減輕布局設(shè)計負(fù)擔(dān)，參考設(shè)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(dǎo)意義。

 

通常，電路板設(shè)計人員最初會使用專門為耳機(jī)應(yīng)用設(shè)計硬件開發(fā)套件，套件中包括經(jīng)過全面測試的功能參考設(shè)計。圖1是常見的耳機(jī)參考設(shè)計。該參考設(shè)計圍繞著特定的藍(lán)牙IC而建構(gòu)，電路板設(shè)計人員必須評估該設(shè)計是否適合實際的耳機(jī)應(yīng)用要求。通常電路板設(shè)計人員會進(jìn)行測試，觀察執(zhí)行應(yīng)用層程式碼的標(biāo)淮晶片是否滿足要求的HMI規(guī)格。這些要求可以囊括LED作業(yè)和數(shù)量、多少按鈕以及按鈕的意義、上電和斷電次數(shù)、振鈴音和LED顏色等。開發(fā)板應(yīng)該有大量可配置參數(shù)，因而讓電路板設(shè)計人員確定設(shè)計是否滿足要求。電路板設(shè)計人員也能在一些特定條件下測量功耗，如HFP1.5(免提規(guī)格)加上EDR(增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率藍(lán)牙)，以及具有不同封裝類型的eSCO。

 

采用來自CSR公司的BlueVOX方案，電路板設(shè)計人員可以有兩種參考設(shè)計選擇，一種是采用鋰電池的設(shè)計，一種是采用原型電池(primary cell，AAA)的設(shè)計。這兩種設(shè)計都以BlueCore4-Headset ROM為基礎(chǔ)，它具有晶片上開關(guān)模式穩(wěn)壓器和音訊編解碼器，并經(jīng)過全面的測試。藍(lán)牙單晶片提供經(jīng)全面認(rèn)證的藍(lán)牙系統(tǒng)v2.0和帶6Mb內(nèi)部ROM的EDR，并透過CSR的Headset v4應(yīng)用軟件進(jìn)行預(yù)載入。該應(yīng)用軟件內(nèi)含耳機(jī)和免提規(guī)格、HMI配置與應(yīng)用策略。兩個參考設(shè)計都符合藍(lán)牙規(guī)格，并全部使用經(jīng)互通作業(yè)測試過的元件。

 

使用某些行動電話并對耳機(jī)有特殊作業(yè)要求的電路板設(shè)計人員可能希望做一些具體的互通作業(yè)性測試，以確保標(biāo)淮晶片能滿足要求。另外，如果電路板設(shè)計人員希望改變天線類型，或改變參考設(shè)計布局，則建議重做測試。

 

圖2：耳機(jī)軟件架構(gòu)(ROM+外部EEPROM)。

 

2. 軟件開發(fā)

一旦設(shè)立好硬件參考設(shè)計，電路板設(shè)計人員必須評估整合在ROM中的標(biāo)淮軟件解決方案是否合適。如前所述，藍(lán)牙軟件遵從一定的藍(lán)牙標(biāo)淮，因此對大多數(shù)藍(lán)牙元件來說是非常相似的。電路板設(shè)計人員可透過修改BlueVOX軟件開發(fā)套件(SDK)來定制元件，實現(xiàn)一些專有的特性，例如可能需要特殊程式碼支援和硬件界面的特殊開關(guān)類型。不過，電路板設(shè)計人員可使用經(jīng)過全面測試的標(biāo)淮軟件來減少相當(dāng)多的開發(fā)時間。

 

電路板設(shè)計人員必須確定其它一些規(guī)格，如用于EDR和eSCO的免提規(guī)格(HFP)v1.5、耳機(jī)規(guī)格(HSP) v1.1、免提規(guī)格(HFP)v1.0以及人機(jī)界面(HMI)配置和應(yīng)用策略。Headset v4軟件向電路板設(shè)計人員提供了完整的藍(lán)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(qiáng)的風(fēng)噪消減濾波器，可用來改善聲音品質(zhì)，并透過BlueVOX配置器實現(xiàn)完全可配置的HMI。將參考設(shè)計透過提供的SPI/UART電纜連接到執(zhí)行Windows的PC上后，電路板設(shè)計人員就可以全面評估藍(lán)牙應(yīng)用程式碼，透過適當(dāng)修改使之適合附加的硬件規(guī)格和HMI配置。

 

電路板設(shè)計人員利用標(biāo)淮的Headset v4軟件可以直接進(jìn)行HMI的配置。在基于ROM的耳機(jī)中，電路板上靠近藍(lán)牙IC的地方需配置一個外部I2C串列EEPROM，用于存放配置HMI的永久儲存值(PS鍵)。對大多數(shù)應(yīng)用來說，采用TSSOP或MLP封裝的32Kb EEPROM就足夠了。耳機(jī)軟件架構(gòu)(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(biāo)淮值，第二套用于特殊應(yīng)用規(guī)格。如果使用CSR標(biāo)淮耳機(jī)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(shè)置的PS鍵。這種方法非常靈活，在多數(shù)情況下均能滿足大部份要求。

 

電路板設(shè)計人員利用BlueVOX配置器對HMI進(jìn)行配置后，可以使最終產(chǎn)品與市場上其他產(chǎn)品產(chǎn)生顯著區(qū)別。電路板設(shè)計人員可定義PIO功能使之適合其硬件設(shè)計以及采用不同按鈕配置的相關(guān)元件控制，還能定制LED模式和音調(diào)以指示用戶動作、系統(tǒng)狀態(tài)和系統(tǒng)事件，也可以透過修改特定模組鍵設(shè)置唯一的藍(lán)牙地址、電池閘限電壓、斷電設(shè)置和配對資訊等內(nèi)容。Headset v4已經(jīng)通過CSR公司的全面測試和驗證，如果所提供的標(biāo)淮Headset v4軟件和參考設(shè)計合適的話，電路板設(shè)計人員就可以直接進(jìn)行應(yīng)用測試和藍(lán)牙認(rèn)證。

 

3. 應(yīng)用測試和藍(lán)牙認(rèn)證

在軟件和硬件開發(fā)完成后就進(jìn)入對包括即將用于大量產(chǎn)的軟件和硬件在內(nèi)的整個參考設(shè)計最終測試和認(rèn)證階段。電路板設(shè)計人員必須執(zhí)行大量測試，包括訊號輸出、相對于接收到的訊號強(qiáng)度指示器(RSSI)的誤碼率(BER)性能和訊息通道干擾。

 

對使用藍(lán)牙無線技術(shù)的所有產(chǎn)品來說，藍(lán)牙認(rèn)證要求符合一定的測試標(biāo)淮。要求使用藍(lán)牙標(biāo)志的藍(lán)牙元件需要經(jīng)過藍(lán)牙認(rèn)證才能賦予產(chǎn)品擁有藍(lán)牙無線性能的標(biāo)志。另外，認(rèn)證也能確保電路板設(shè)計人員設(shè)計元件符合標(biāo)淮藍(lán)牙規(guī)格，并達(dá)到一定的互通作業(yè)性等級。藍(lán)牙認(rèn)證要求在無線鏈路、協(xié)議、架構(gòu)和資訊要求方面達(dá)到標(biāo)淮要求，電路板設(shè)計人員也被要求提交一致性聲明，并取得FCC和CE等組織的認(rèn)可。

 

測試和認(rèn)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(lán)牙SIG定稿的最新已認(rèn)證產(chǎn)品列表(QPL)方案可以讓電路板設(shè)計人員透過參考藍(lán)牙最終產(chǎn)品列表(EPL)中的QPL數(shù)字而節(jié)省大量時間和成本。使用BlueVOX等解決方案的電路板設(shè)計人員可以從通過全面藍(lán)牙認(rèn)證過程(包括應(yīng)用軟件、韌體和元件級測試)的參考設(shè)計中受益。如果最終設(shè)計基于的參考設(shè)計來自上述新方案生效后的開發(fā)套件，那么電路板設(shè)計人員就無需申請認(rèn)證了。最終設(shè)計提交時需附帶CSR QPL標(biāo)志，如果要求獲得全球認(rèn)證，還需要得到FCC和CE認(rèn)可。

 

本文結(jié)論

設(shè)計藍(lán)牙耳機(jī)的電路板設(shè)計人員正面臨越來越艱巨的挑戰(zhàn)，他們必須在最短時間內(nèi)滿足功能、成本和技術(shù)方面的要求。藍(lán)牙SIG和無線連接領(lǐng)域中的廠商已經(jīng)廣泛意識到電路板設(shè)計人員在一個成熟市場中所面臨的挑戰(zhàn)，各公司開始整合所有必要的硬件、軟件、設(shè)計說明以及對先進(jìn)藍(lán)牙耳機(jī)設(shè)計各種支援，而讓電路板設(shè)計人員專心進(jìn)行新產(chǎn)品定制，并以最快的速度上市。

 

對所有藍(lán)牙耳機(jī)電路板設(shè)計人員來說關(guān)鍵是減少軟硬件設(shè)計復(fù)雜性，這可透過采用外部元件很少的完整單聲道耳機(jī)解決方案并根據(jù)要求加以定制化實現(xiàn)，這樣做可以同時減少開發(fā)和制造方面的時間和成本。