Android智能手机平台上低成本无线耳机子系统的设计和实现

摘要

受全球金融危机影响，消费者需求大大降低，这就迫使各个厂商更加看重成本控制，越来越重视低成本产品创新研究。
　　 当前大部分无线耳机解决方案都是基于蓝牙方案，但是蓝牙的硬件和蓝牙认证团体（BQB）认证成本很高。所以Nordic发明了低成本的2.4G无线单片机，采用非标准的无线协议，作为无线耳机低成本解决方案。Google Android作为开源、免费、可以完全定制化的手机操作系统，吸引着越来越多的著名公司加入到Google的开放手机联盟（OHA）阵营中来，为Android平台开发重要的功能。
　　 本论文的科研工作主要是在 Android智能手机平台上实现基于Nordic nRF24E1的低成本无线耳机方案。论文工作主要取得了以下研究成果：
　　 1）无线耳机系统的功能需求
　　 无线耳机具备一键式接听、拒接，鉴权认证，闪灯控制，音量调节以及语音提示等功能；在手机操作系统上支持如下几个场景，包括耳机鉴权认证、耳机搜索、接听电话、呼出电话、拒接电话、音频播放、音频录音等。
　　 2）无线耳机系统的软件设计
　　 无线耳机系统的软件设计包括两个部分，一部分是在Android平台上实现手机侧的无线耳机设计，另一部分是基于单片机技术的无线耳机侧软件设计。无线耳机在手机端的设计包括 Android电话系统、Android音频系统、Android设备驱动程序和无线耳机主设备固件程序。Android电话系统实现了定制化的 Android射频接口层（RIL）模块，在HP电话管理器中加入无线耳机电话控制协议，对无线耳机主设备进行复杂的移动电话语音呼叫过程管理；Android音频系统实现了定制化的Android音频系统，在音频组件管理模块（ACM）中加入支持无线耳机的插件，与无线耳机主设备的设备驱动层进行交互，根据智能手机平台内音频设备的工作状态选择无线耳机主设备正确的工作状态，支持多路音频流，ACM对无线耳机主设备的采用上报监测机制，支持无线耳机模式语音通话、播放器和录音机场景；Android设备驱动程序包括ALSA设备驱动程序和串行设备驱动程序，ALSA负责管理无线耳机主设备和音频编解码器，在 ALSA音频路由管理模块中加入对无线耳机主设备的支持，串行设备驱动程序主要管理无线耳机主设备和应用处理器之间的通信；无线耳机主设备固件程序包含鉴权功能、电话控制协议、UART管理和电源管理。无线耳机侧固件程序设计都在8051单片机上实现，固件程序（Firmware）设计分为两层，设备管理层和业务逻辑层，设备管理层包含电源管理，业务逻辑层包含闪灯控制，按键控制，音量控制，鉴权功能和电话控制协议模块。
　　 3）无线耳机与手机的通信机制
　　 无线耳机系统核心由两个 nRF24E1芯片组成，分别是nRF24E1 Master和nRF24E1 Slave。nRF24E1 Master集成在智能手机里，通过 UART端口与智能手机通信，自定义的控制命令数据包有6个字节，为大端序（Big—Endian）；nRF24E1 Slave位于无线耳机内，与手机内的无线耳机主设备（nRF24E1 Master）进行无线数据全双工传输，净荷（PAYLOAD）字段包含自定义的空中命令和数据。
　　 4）完成了实验室原型设计。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 课题背景

1.1.1 无线耳机现状

1.1.2 智能手机操作系统现状

1.2 主要工作

1.3 论文的结构安排

第二章 相关技术

2.1 移动电话呼叫控制

2.1.1 手机呼出流程

2.1.2 手机呼入流程

2.1.3 呼叫清除流程

2.2 Nordic无线单片机

2.2.1 nRF24E1芯片简介

2.2.2 nRF24E1芯片架构

2.2.3 ShockBurstTM技术

2.3 Android智能手机操作系统

2.3.1 Android框架概述

2.3.2 Android主要技术特点

2.3.3 Linux设备驱动

第三章 需求分析

3.1 目标和约束

3.2 产品描述

3.2.1 手机平台

3.2.2 无线耳机

3.3 用例场景

3.3.1 鉴权

3.3.2 耳机搜索

3.3.3 接听电话

3.3.4 呼出电话

3.3.5 拒接电话

3.3.6 音频播放、录音

第四章 系统架构设计

4.1 平台选择

4.1.1 智能手机平台

4.1.2 无线耳机系统

4.2 硬件系统框架

4.3 软件系统设计

4.3.1 无线耳机在手机端的软件系统设计

4.3.2 无线耳机软件系统设计

4.4 方案优点

4.5 开发环境

4.5.1 手机开发环境

4.5.2 无线耳机开发环境

第五章 无线耳机在手机端的详细设计

5.1 手机侧详细设计概述

5.2 Android电话系统

5.2.1 Android射频接口层

5.2.2 HP电话管理器

5.2.3 移动电话呼叫控制

5.3 Android音频系统

5.3.1 ACM(Audio Control Manager)

5.3.2 ACM监测机制

5.3.3 多路音频流混频方法

5.3.4 音频应用场景设计

5.3.5 无线耳机模式语音通话场景

5.3.6 无线耳机模式播放器场景

5.3.7 无线耳机模式录音机场景

5.4 Android音频设备驱动程序设计

5.4.1 ALSA架构设计

5.4.2 智能手机音频路由管理

5.4.3 音量和增益设置

5.5 Android串行设备驱动程序设计

5.5.1 Linux串行设备软件架构

5.5.2 nRF24E1串行设备驱动程序设计

5.6 无线耳机主设备固件程序

5.6.1 UART接口数据包定义

5.6.2 nRF24E1 Master初始化

5.6.3 nRF24E1 Master UART模块设计

5.6.4 其他模块设计

第六章 无线耳机详细设计

6.1 无线耳机硬件框架

6.2 无线耳机固件程序设计

6.2.1 闪灯和定时器

6.2.2 数据分组

6.2.3 纠错机制

6.2.4 电源管理

6.2.5 无线耳机状态机

6.2.6 无线耳机开关机

6.2.7 鉴权认证

6.2.8 无线耳机电话控制协议

6.2.9 音频播放、录音流程

第七章 性能测试及结果分析

7.1 实验室测试环境

7.2 测试项目和方法

7.2.1 语音质量测试

7.2.2 无线耳机鉴权测试

7.2.3 电话呼叫测试

7.2.4 电流测试

7.2.5 无线耳机闪灯测试

7.2.6 无线耳机按键测试

7.3 性能分析及发现的问题

7.3.1 PESQ性能分析

7.3.2 鉴权成功率

7.3.3 电话呼叫成功率

7.3.4 其他测试结果

第八章 结束语

8.1 论文工作总结

8.2 未来工作

参考文献

致 谢