Crear aplicaciones de audio Bluetooth rentables con MCU de 32 bits

Por Jack Shandle

Colaboración de Electronic Products


Las aplicaciones de audio y de Bluetooth fueron hechas para mutua compatibilidad. La primera década de éxito de Bluetooth en el mercado se debió casi en su totalidad a su integración en los auriculares. Cuando los teléfonos inteligentes invadieron la escena, Bluetooth continuó siendo una elección natural, por ubicarse a la vanguardia en prácticamente cada chipset de los teléfonos inteligentes. A todos nos encanta reproducir música en nuestros teléfonos inteligentes.

Tanto Bluetooth como los teléfonos inteligentes continúan evolucionando, aunque a la inversa de la secuencia normal de los acontecimientos, y las aplicaciones se han quedado en la retaguardia al momento de ponerse a la altura de las circunstancias. Sin embargo, eso está cambiando a medida en que culmina la era en la que un dispositivo Bluetooth maestro debía comunicarse con un Blueetooth esclavo.

Para los ingenieros de diseño, esto significa tener en cuenta numerosos protocolos, conexiones y dispositivos además de la aparición de aplicaciones de audio de vanguardia. Los usuarios de teléfonos inteligente quieren más opciones y Bluetooth está listo.

Punto de partida: el A2DP

Desde hace más de una década, el dispositivo Bluetooth A2DP (Perfil de Distribución de Audio Avanzado) permite alcanzar una cómoda conexión inalámbrica de audio estéreo en una amplia gama de dispositivos. Sin embargo, en la actualidad los consumidores desean usar sus teléfonos inteligentes para controlar el entretenimiento en audio de maneras no pensadas originalmente.

Cuando se combina con perfiles adicionales, tales como el Perfil de Control Remoto de audio/video (AVRCP), los teléfonos inteligentes se pueden utilizar como un mando a distancia inalámbrico para otros dispositivos de audio con tecnología Bluetooth en el hogar, y entonces las aplicaciones pueden resultar bastante complejas.

Si bien están concebidas para ser prácticamente perfectas para el usuario final, estas aplicaciones presentan desafíos significativos para los ingenieros de diseño en cuanto a desarrollo y certificación de software, especialmente cuando se implementa en accesorios que requieran interoperabilidad dentro de un ecosistema.

Los diseñadores tienen dos opciones de arquitectura. En la última década, la arquitectura predominante dependía del módulo para que realizara la mayor parte de las funciones en el software: el emparejamiento, la conexión y la transmisión de audio. En otras palabras, el módulo Bluetooth consistía de un códec de audio con cableado para ejecutar estas funciones. La otra opción basada en la arquitectura es la de ejecutar prácticamente todas las funciones en el software y es aquí donde el MCU de 32 bits entra en juego. Ejecutar la pila de Bluetooth en el software transforma la radio real en una delgada capa de la arquitectura. Esto permite a los diseñadores acceder a la secuencia de datos en cualquier lugar y en cualquier momento, y para un gran número de configuraciones.

El uso simultáneo del perfil de puerto serial (SPP) de Bluetooth y del A2DP (Perfil de Distribución de Audio Avanzado) no es posible para los módulos Bluetooth convencionales. Al admitir el acceso del software a la pila de protocolos de Bluetooth, los diseñadores pueden crear aplicaciones capaces de mantener varios dispositivos conectados a la transmisión de audio para escuchar, y también para realizar el control de la secuencia y de otras funciones que normalmente no se relacionan con el audio. En otras palabras, un flujo de audio y un flujo de control de datos capaces de funcionar simultáneamente sin interrupción para uno o el otro.

Combinar el audio con el control de datos

Un ejemplo sencillo sería una lámpara de escritorio personalizada con un sistema de altavoces que podría permitir a los usuarios controlar los niveles de iluminación desde su teléfono inteligente mientras escuchan música. Una sofisticada extensión de esta aplicación podría permitir el control de un sistema de iluminación, su color, la intensidad, la respuesta a la música, y mucho más, así como la capacidad de controlar el flujo de audio, desde un teléfono inteligente. Al sumar el concepto de "casa inteligente" a la aplicación se amplían las funciones de control a los comandos de termostatos, cafeteras, sistemas de apertura de garajes, y otros dispositivos con Bluetooth con respecto a lo que una vez fuera un códec de audio convencional.

El control Bluetooth tiene una ventaja de seguridad en estas aplicaciones, ya que el flujo de datos puede ser configurado para ser independiente del Internet de los Objetos (IoT). Muy pocas personas están dispuestas a que el simple proceso de controlar su sistema de apertura de garaje quede a merced de las incertidumbres de operar en la Nube, lo que muy probablemente será el caso, por ejemplo, con una solución Wi-Fi inalámbrica.

La combinación del control de audio y de datos en una aplicación que ya tiene varios perfiles funcionando al mismo tiempo expande las posibilidades de la nueva aplicación aún más. En el terreno del entretenimiento en audio, un concepto con habilitación de software denominado "break-in" permite que varios dispositivos puedan controlar la misma secuencia de audio. En una fiesta, por ejemplo, los asistentes podrían tomar turnos para escoger su música favorita a partir de la misma biblioteca de contenido de audio basada en tecnología Bluetooth. Habilitar un modo de "rocola" le permitiría a los usuarios finales agregar sus canciones favoritas a una lista de reproducción. La solución MCU habilita un modo "break-in" para permitir que hasta siete teléfonos inteligentes puedan controlar el mismo sistema de audio con diferentes flujos independientes de audio y de control.

Fusionar el audio y el control

Aunque el SIG Bluetooth ha creado y ratificado más de 30 perfiles, los próximos cuatro serán probablemente los más importantes en las etapas iniciales de la evolución del nuevo entorno de de aplicación Bluetooth de audio y control.
  • Perfil de puerto serial (SPP) : El reemplazo estándar para la transmisión inalámbrica de datos RS-232
  • A2DP (Perfil de Distribución de Audio Avanzado) El perfil más común para la reproducción de contenido de audio multimedia. Transmite el audio a través de códec SBC y puede admitir códecs de compresión MPEG y AAC.
  • Perfil de Control Remoto de Audio y Video (AVRCP) Perfil estandarizado de control remoto de TV, sistema de cine en casa, etc. comúnmente utilizado en conjunto con A2DP Una característica ratificada recientemente es la sincronización de audio, lo que significa que cuando, por ejemplo, el volumen se cambia en el auricular se ajusta también en el sistema que está siendo controlado por el auricular.
  • Perfil de manos libres (HFP) Llamadas telefónicas remotas
En una implementación de software, varios perfiles pueden estar activos al mismo tiempo, lo que le da al diseñador una gran flexibilidad para crear nuevas aplicaciones. En otras palabras, la integración de un flujo de datos con la secuencia de audio permite la creación de sistemas avanzados.

La fase de diseño debe incluir funciones para emular, realizar pruebas y para la certificación (lo cual debe tenerse en cuenta en el caso de Bluetooth). Un sistema de desarrollo completo, por lo tanto, debe ir mucho más allá e integrar la funcionalidad de audio para controlar pantallas, interruptores, ledes, micrófonos y música. También debería incluir la capacidad DSP para las funciones de procesamiento de audio. El aspecto de control del sistema, no sólo en cuanto a la música en sí misma, crea una razón de peso para utilizar un MCU de 32 bits.

Como punto de partida para explicar los aspectos básicos de diseño para crear este tipo de funcionalidad, la figura 1 muestra la ruta de acceso de datos y los elementos principales de un sistema básico de audio Bluetooth.

Si se observa la ilustración desde la perspectiva del nuevo conjunto de aplicaciones de control + audio, el origen es el teléfono móvil, el cual transmite datos codificados (de audio y control) que pueden encontrase encriptados. Los datos finalmente encuentran su camino a la capa de banda base (una radio Bluetooth). El flujo de datos que se dirige hasta la pila de protocolo en el lado receptor puede ser cualquiera de los dispositivos/aparatos inteligentes que se han indicado anteriormente.

La solución de software incluye tanto la pila de perfil múltiple como la capa de aplicaciones que se pueden modificar en el código fuente. La pila maneja el perfil de comunicación y puede interactuar con una variedad de otros elementos de la aplicación, incluyendo decodificadores de audio, filtrado digital, conversión de índice de fuente y funciones de control. Varios decodificadores están disponibles para audio capaces de admitir la transmisión de audio por A2DP Bluetooth, incluyendo SBC, AAC y MP3. Esta solución modular permite al fabricante de dispositivos diferenciar posibles soluciones basadas en las características, los controles y los costos de la memoria.

Imagen de la comunicación Bluetooth básica de Microchip

Figura 1: Comunicación Bluetooth básica (cortesía de Microchip Technology).

Kits de desarrollo de proveedores

La creación de kits de desarrollo y kits de inicio para sistemas en el lado receptor del enlace de comunicaciones es un gran desafío. Si bien facilitan el desarrollo de aplicaciones para los diseñadores, las pruebas de compatibilidad y de interoperabilidad son una cuestión muy importante para cualquier proveedor de MCU que ofrezca estos kits.

Hay numerosas opciones de sistemas operativos móviles, que incluyen Android, IOS de Apple, Windows Embedded de Microsoft, y Blackberry, cada una con numerosas versiones del sistema operativo. Con el fin de garantizar la viabilidad de los productos de usuarios finales, el proveedor de kits debe realizar cientos de pruebas de interoperabilidad y compatibilidad. La garantía de que el diseño podrá aprobar estas pruebas con una mínima o sin ninguna rectificación debe figurar con alta prioridad en la lista de cuestiones a abordar por los diseñadores a la hora de elegir un kit.

Microchip Technology es uno de los principales proveedores en este segmento relacionado con el diseño. En la actualidad utiliza los dispositivos PIC32MX3 y PIC32MX4 en sus kits de desarrollo de audio Bluetooth. La ilustración de la figura 2 muestra la configuración básica del hardware.

Imagen de la configuración básica del hardware de kit Microchip

Figura 2: Configuración básica de hardware de kit de Microchip (cortesía de Microchip Technology).

Un ejemplo concreto es el kit de desarrollo de audio Bluetooth DV320032. Se alimenta por un dispositivo PIC de alcance medio de 32 bits y 100 MHz con hasta 100 E/S y memoria Flash de 512 KB/RAM de 128 KB. El kit básico integra una Tarjeta HCI Bluetooth dependiente que admite un transceptor Bluetooth CSR8811 de Cambridge Silicon Radio (con módulos de menor costo también disponibles). También se incluye una placa DAC dependiente con una DAC de 24 bits y 192 KHz y salida de auriculares, USB host e interfaces de dispositivos, una pantalla LCD a color de 2 pulgadas y funciones de interruptor de control. Para facilitar las tareas del programador, el kit también admite numerosas funciones como la opción de adaptador de autenticación de Apple, una interfaz de depuración y una memoria Flash SPI.

Un módulo de interfaz programable (PIM) que se encuentra en la parte superior del MCU ofrece al programador la opción de cambiar el procesador en sí sin perder valioso tiempo de diseño. También proporciona la flexibilidad para que el diseñador pueda sustituir el MCU estándar por un dispositivo de menor costo o mayor rendimiento en el futuro.

La disponibilidad de firmware siempre es una cuestión clave para los kits de desarrollo. Microchip suministra el firmware que aparece en la Figura 3.

Imagen del firmware disponible para kit de desarrollo de Microchip

Figura 3: El firmware disponible para kit de desarrollo de Microchip (cortesía de Microchip Technology).

Microchip también despliega su kit de inicio basado en su emblemático MCU de 32 bits el PIC32MZ2048ECH144 de 200MHz. El kit de inicio con conectividad integrada DM320006 PIC32MZ puede acoplarse con otro sistema para activar la función Bluetooth. La placa de expansión Multimedia 2 (DM320005-2) incluye un impulsor de gráficos sin controlador, una pantalla WQVGA, un control interruptor de pantalla multitáctil capacitiva proyectada (PCAP), una cámara VGA, Wi-Fi, módulo HCI Bluetooth, códec de audio estéreo de 24 bits basado en el AK4953 AKM de Semiconductor, un acelerómetro de 3 ejes, y un sensor de temperatura. Una capacidad de demostración para trabajar con la estructura de software Harmony MPLAB de Microchip que está siendo integrada para admitir datos Bluetooth y aplicaciones de audio.

¿Cuál es la mejor solución?

Ciertamente, la sofisticación y la complejidad de las aplicaciones Bluetooth de audio y control pueden dejar los desarrolladores un poco sorprendidos en cuanto a cómo iniciar el desarrollo. El dispositivo crítico, por supuesto, es el MCU. Como se mencionó anteriormente, los MCU de 32 bits y sus conjuntos de instrucciones de 32 bits son ideales para combinar audio y control simultáneamente. Para tomar una primera decisión en cuanto al kit a utilizar, los desarrolladores pueden referirse a la Tabla 1, que describe las aplicaciones y la memoria correspondiente y los requerimientos MIPS.

Descripción Requerimientos de recursos MIPS pico
Flash (KB) RAM (KB)
Pila de Bluetooth (A2DP+AVRCP+SPP+AAC) + soporte USB de conexión de audio tipo A Android Open Accessory y audio Samsung con soporte de conexión USB mini-B. 271.734 38.8 ~30
Pila Bluetooth (A2DP y AVRCP+SPP+decodificador AAC) + Gráficos. Esta demostración utiliza un decodificador de audio AAC de la más alta calidad en lugar del decodificador SBC. 251.5 34.9 ~65
Pila de datos Bluetooth (SPP solamente). Esta demostración de datos únicamente sin audio no ofrece soporte USB de audio. 139.6 7.12 ~8
Pila Bluetooth (A2DP y AVRCP+SPP+decodificador AAC) + Gráficos. 190.58 34.6 ~30
Pila de Bluetooth (A2DP+AVRCP+SPP+AAC) + soporte USB de conexión de audio tipo A Android Open Accessory y audio Samsung con soporte de conexión USB mini-B. Esta demostración utiliza un decodificador de audio AAC de la más alta calidad en lugar del decodificador SBC. 332.7 39.7 ~65

Tabla 1: Ejemplos de los requisitos de recursos de la aplicación, incluida la aplicación, la pila Bluetooth y los elementos de pantalla gráfica (cortesía de Microchip Technology).

La primera columna (Descripción) indica qué perfiles de Bluetooth y otras aplicaciones se ejecutan. Son sólo ejemplos con fines de demostración, pero como grupo demuestran que la memoria y el MIPS pico pueden variar significativamente desde la aplicación más simple (Pila de datos Bluetooth únicamente) hasta los más exigentes (múltiples perfiles y descodificador ACC de alta calidad).

Conclusión

Una nueva era de desarrollo Bluetooth que combina datos de control con audio, podrá promover el crecimiento de un gran número de nuevas aplicaciones con múltiples perfiles Bluetooth que serán activados al mismo tiempo, múltiples puntos de control y múltiples conexiones. Estas aplicaciones pueden ser difíciles de desarrollar, sobre todo porque deben aprobar las pruebas Bluetooth de interoperabilidad y compatibilidad. Muchas de estas aplicaciones también hacen que el uso de un MCU de 32 bits sea una necesidad, no estrictamente en cuanto a la profundidad de datos sino para los recursos configurados por instrucción.

Los kits de desarrollo y las soluciones de firmware ofrecidas por los proveedores de chips reducen significativamente el esfuerzo de ingeniería, aunque no existe una solución única. Los desarrolladores deben estar alertas a la hora de elegir la solución adecuada para su aplicación, prestando atención, por un lado a la disponibilidad del firmware, y por el otro al rendimiento del hardware.

Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder a las páginas de información del producto en el sitio web de Digi-Key.

(Nota del Editor: Este artículo se basa en una presentación de Michael Skow, líder del Grupo ingeniería de aplicaciones de la División MCU32 de Microchip Technology. La presentación del Sr. Skow tendrá lugar en la Conferencia MASTERs 2014 de Microchip, que se realizará en agosto en la ciudad de Phoenix, Arizona.)

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