MBM02在蓝牙耳机中的应用

引言
针对不同的应用场合，各种功能高度集成的蓝牙模块日益增多。日立万胜模块MBM02就是这样一款集成了射频电路、基带电路、晶振和不平衡变压器(Balun)的通用蓝牙模块。使用MBM02开发蓝牙设备可以使结构更加紧凑、设计更加简洁。

日立万胜模块简介
MBM02模块符合蓝牙V1.1标准，发射功率设计为2.5mW(4dbm)，工作电压为3±0.3V，该模块为11.5mm×11.5mm的正方形，厚度仅为1.8mm，对于蓝牙耳机这样对体积和重量要求都很高的移动设备来说极为适合。
整个模块结构如图1所示，BlueCore2-External蓝牙芯片为模块的。该芯片内部拥有自己的MCU，集成了射频和基带控制电路，并提供了丰富的外围接口，包括UART、USB、PCM和12个PIO、AIO、SPI等。要注意的是USB和UART口必须分开使用。PCM接口用于语音信号的传输，PIO接口是通用的I/O口，可以接入按钮和指示灯，SPI接口一般用于调试，这里可用于对Flash中的软件代码进行升级。
模块内置了16MHz的晶振，为芯片提供工作时钟，一块4M Flash用于存放代码。从图1中还可以看到，模块集成了不平衡变压器和带通滤波器，这样在使用模块时就可以直接外接微带天线。另外，模块还内置了一个稳压电路为Balun等提供1.8V的工作电压。因此，从整个模块结构来看，只要扩展电源控制电路及相应的外围接口电路即可完成一些简单蓝牙设备的硬件开发。

蓝牙耳机的设计
总体结构
使用MBM02开发蓝牙耳机主要包括这样几个部分：功能按键和状态指示、PCM编解码和电源的提供及监测电路。硬件总体结构如图2所示。
功能按键和状态指示电路
主要考虑如何使用模块的PIO口，模块开放了PIO0~PIO7共8个输入/输出口，在设计中使用情况如下：
PIO7~PIO4用于扩展四个功能按键，控制接听与挂机、音量增大、音量减小、睡眠模式与待机模式的转换控制。
PIO3~PIO2接LED指示灯用于状态指示，表示当前所处状态是匹配模式还是连接待机模式。
PIO1、PIO0为复用的I/O口，既可以控制内部功放也可以作为一般I/O口使用。由于蓝牙耳机的通信距离一般保持在3~5m，不需要打开内部功放，所以此处使用PIO1作为一般I/O口来控制PCM编解码器的打开和关闭，PIO0保留。
PCM编解码电路
PCM编解码器通过13bit的双向脉冲编码调制接口直接与蓝牙模块相连，模块通过这个接口发送和接收数字语音信号。PCM接口主要由四路信号组成：PCM_SYNC为8KHz的同步信号，PCM_CLK为256KHz的连续时钟信号，PCM_IN接收经过编码的麦克风语音信号，PCM_OUT将接收到的远端蓝牙传来的数字语音信号送给编解码器，经解码驱动扬声器输出。此处使用了Motorola的MC145483编解码芯片作为PCM编解码器，这是一块13bit的线性脉冲编码调制芯片，可以提供高质量的语音通信，而且外围电路简单，通过调节相应的电阻比值即可改变麦克风和扬声器的增益大小。
电源电路
电源电路由稳压电路和电压监测电路构成，如图3所示。由于模块内置了1.8V的稳压电路，这里只需添加3V的稳压电路。本文采用3.6V或4.2V的锂电池供电，经XC6209稳压成3V后输出供给整个耳机工作。电压监测电路主要起保护作用，正常情况下，XC61C输出与输入相同，不影响耳机的工作。当锂电池电压过低时，为防止锂电池过度放电，XC61C输出低电平送给稳压芯片的使能端CE，关闭XC6209，切断对耳机的供电，达到保护的目的。为了减小耳机体积和成本，对锂电池的充电管理电路单独做在充电器中。
蓝牙耳机是一种使用电池供电的移动设备，当建立语音连接时平均电流为33.5mA，可达60mA，待机时平均电流为47mA。为了延长耳机的使用时间，必然要限度地降低整个电路的功率损耗，除了选用低功耗器件外，本文还采取了以下几个措施：
1. 蓝牙耳机在不工作时尽量处于休眠模式而不是待机模式，有电话时，通过软件设置唤醒耳机进入工作状态，处于休眠模式时电流可以控制在mA级，大大延长了电池的使用时间。
2. 使用PIO1控制编解码器的打开与关闭，见图2。在没有语音连接时，编解码器一直是不工作的，当需要建立语音连接时，通过软件对PIO1置高电平激活编解码器，然后建立SCO进行通话。
3. 改变麦克风的偏置。通过电阻RK接在麦克风和编解码器的VAG上，如图4所示，由VAG提供偏置，而不是由VREG分压引入，这样，编解码器不工作时，麦克风上没有电流通过。
4. 通过软件控制PIO3、PIO2口的输出电平来控制占空比。在不影响LED指示的情况下，尽可能延长灯灭的时间，并且在灯亮时采用快速脉冲控制，如图5所示，利用人眼的视觉效应感觉灯在200ms期间也是一直亮着的，以减小在LED上的损耗。
工作过程
当耳机通上电源后，匹配模式指示灯开始闪烁，打开蓝牙手机进行设备查找，找到设备后输入PIN码，匹配成功则连接模式指示灯开始闪烁，此时耳机即处于待机模式，可以正常工作了。当有来电时，耳机中也会传来与手机同步的振铃音，按下接听按键，在耳机和手机之间就会建立起SCO链路传输语音，语音的传输速率为64kbit/s，接听结束后，手机和耳机任意一方均可挂断拆除SCO链路，耳机恢复待机模式。
结语
使用MBM02开发的蓝牙耳机，在双面布线和板载天线的场合，所需的PCB大小可以控制在28mm×35mm以内。这种高集成度的蓝牙模块使工程技术人员可以根据不同的应用场景快速开发蓝牙设备，减小设备体积。■

参考文献
[1]. MC145483 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC145483_1081040.html.
[2]. XC6209 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/XC6209_1135177.html.
[3]. XC61C datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/XC61C_727244.html.
[4]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[5].Bluetooth SIG., Specification of the Bluetooth System Core Version 1.1 [S], February, 2001，https://www.bluetooth.com
[6]. Hitachi Maxell, Maxell Bluetooth Module Application Note, https://www.maxell.co.jp
[7].CSR, BlueCore2-External Data Sheet, https://www.csrsupport.com
[8] .Motorola, MC145483, https://e-www.motorola.com