32비트 MCU로 만드는 저비용 Bluetooth 오디오 응용 제품

Bluetooth와 오디오 응용 제품은 서로를 위해 만들어졌습니다. 초기 10년의 Bluetooth 시장 성공은 거의 전적으로 오디오 헤드셋과의 통합에 기인한 것이었습니다. 스마트폰이 출시됐을 때도 거의 모든 스마트폰 칩셋에 처음부터 자리를 잡은 Bluetooth는 여전히 인기였습니다. 사람들은 스마트폰으로 음악 듣는 것을 정말 좋아합니다.

Bluetooth와 스마트폰은 계속해서 발전했지만 자연스런 흐름과는 정반대로 응용 제품은 이에 따라오지 못했습니다. 하지만 하나의 Bluetooth 마스터가 다른 하나의 Bluetooth 슬레이브 장치에 전달하는 시대가 빨리 끝나감에 따라 이러한 양상도 달라지고 있습니다.

설계 엔지니어에게 이는 곧 다중 프로토콜, 다중 연결, 다중 장치 및 오디오 응용 제품의 새 시대가 열리는 것을 의미합니다. 스마트폰 사용자는 다양한 선택을 원하고 Bluetooth는 이를 위한 준비가 되어 있습니다.

출발점: A2DP

Bluetooth 고급 오디오 분배 프로파일(A2DP)로 지난 십여 년 간 광범위한 장치에 편리한 무선 스테레오 오디오가 가능했습니다. 하지만 이제 소비자는 스마트폰을 사용하여 애초에 상상했던 것과는 다른 방식으로 오디오 엔터테인먼트를 제어하고 싶어합니다.

오디오/비디오 원격 제어 프로파일(AVRCP) 등 추가적인 프로파일과 결합하면 스마트폰은 가정 내 다른 Bluetooth 오디오 장치에 대한 무선 원격 제어기로 사용될 수 있고 응용 제품은 상당히 정교할 수 있습니다.

최종 사용자가 끊김 없이 사용할 수 있도록 고안된 이 응용 제품은 소프트웨어 개발 및 인증 측면에서, 특히 에코시스템 내 상호 운용성을 필요로 하는 부속품에서 구현될 경우 설계 엔지니어에게 큰 난관이었습니다.

아키텍처와 관련하여 설계자는 두 가지 선택을 할 수 있습니다. 지난 십년간 주로 사용된 아키텍처는 모듈이 하드웨어에서 페어링, 연결 및 오디오 스트리밍 등 대부분의 기능을 수행하는 것이었습니다. 즉 Bluetooth 모듈은 이러한 기능을 실행하도록 하드와이어된 오디오 코덱이었습니다. 아키텍처 관련 또 다른 선택은 거의 모든 기능을 소프트웨어에서 실행하는 것입니다. 32비트 MCU는 이 경우에 필요합니다. 소프트웨어에서 Bluetooth 스택을 구현하면 실제 라디오를 아키텍처 내 매우 얇은 층으로 변환시킵니다. 이를 통해 설계자는 언제 어디서든 대량의 구성에 대해 데이터 스트림을 액세스할 수 있습니다.

Bluetooth의 직렬 포트 프로파일(SPP) 및 고급 오디오 분배 프로파일(A2DP)을 동시에 사용하는 것은 기존 Bluetooth 모듈에서는 할 수 없는 일입니다. Bluetooth 프로토콜 스택에서 소프트웨어 액세스를 활성화함으로써 설계자는 듣기 및 스트림 제어 등 오디오와 보통 관련 없는 다른 기능을 위해 오디오 스트림에 대한 다중 장치 연결을 유지하는 응용 제품을 만들 수 있습니다. 즉 오디오 스트림 및 제어 데이터 스트림이 서로에 대한 간섭 없이 동시에 작동한다는 것을 의미합니다.

오디오와 데이터 제어 결합

이를 잘 보여주는 예로 책상 램프 및 스피커 시스템 결합이 있는데 이를 통해 사용자는 음악을 들으면서 스마트폰 핸드셋으로 조도를 제어할 수 있습니다. 이 응용 제품을 고차원적으로 확장하면 색, 강도, 음악에 대한 반응 등 조명 시스템과 오디오 스트림을 스마트폰 핸드셋으로 제어할 수 있습니다. 응용 제품에 '스마트 홈' 개념을 추가함으로써 온도 조절기, 커피메이커, 차고문 개폐기 및 기타 Bluetooth로 활성화되는 가전 제품으로 한때 오디오 코덱으로 사용됐던 Bluetooth의 제어 측면을 확장합니다.

이러한 응용 제품에서 데이터 스트림은 사물 인터넷(IoT)과 독립적으로 구성될 수 있기 때문에 Bluetooth 제어는 보안 측면에서 우수합니다. 차고문 개폐기를 제어하는 단순한 공정을 클라우드에서 작동시키는 불확실성(예를 들어 Wi-Fi 솔루션의 경우)에 노출시키고 싶은 사람은 많지 않을 것입니다.

이미 다중 프로파일이 동시에 작동 중인 응용 제품에 오디오와 데이터 제어를 결합시킴으로써 새 응용 제품을 더 많이 확장하게 됩니다. 오디오 엔터테인먼트 부문에서는 소프트웨어로 활성화되는 개념인 '침입'을 통해 여러 개의 핸드셋이 동일한 오디오 스트림을 제어할 수 있습니다. 파티에서 사람들이 돌아가면서 동일한 Bluetooth로 활성화된 오디오 콘텐츠 라이브러리에서 자신이 제일 좋아하는 음악을 선택할 수 있습니다. '주크박스' 모드를 활성화시켜 최종 사용자가 재생 목록에 자신이 제일 좋아하는 음악을 추가할 수 있습니다. MCU 솔루션은 '침입' 모드를 활성화시켜 최대 7대의 스마트폰을 통해 동일한 오디오 시스템을 서로 다른 독립적인 오디오 스트림 및 제어로 제어할 수 있습니다.

오디오를 제어에 결합

Bluetooth SIG는 30개가 넘는 프로파일을 생성하고 승인했지만 다음의 4개가 Bluetooth 오디오 + 제어의 새 응용 제품 장의 초기 발전에 가장 중요해질 것입니다.

• 직렬 포트 프로파일(SPP) — 무선 RS-232 데이터 전송의 표준 교체
• 고급 오디오 분배 프로파일(A2DP) — 가장 일반적인 멀티미디어 오디오 스트리밍용 프로파일. SBC 코덱을 통해 오디오를 스트리밍하고 MPEG 및 AAC 압축 코덱을 지원할 수 있음.
• 오디오 비디오 원격 제어 프로파일(AVRCP) — TV, 홈 시어터 등을 위한 표준 원격 제어 프로파일. 일반적으로 A2DP와 함께 사용. 오디오 동기화, 즉 예를 들어 핸드셋의 볼륨이 변경될 때 핸드셋이 제어하는 시스템에도 조정되는 기능이 최근 인증됨.
• 핸즈프리 프로파일(HFP) — 원격 통화

소프트웨어 구현 시 여러 프로파일이 동시에 활성화될 수 있어 설계자에게 새 응용 제품을 만들 수 있는 상당한 유연성을 제공합니다. 즉 데이터 스트림과 오디오 스트림을 통합함으로써 고급 시스템을 만들 수 있습니다.

설계 단계에는 에뮬레이션, 테스트 및 인증(Bluetooth 인증 포함) 절차가 포함되어야 합니다. 따라서 전체 개발 시스템은 오디오에서 더 나아가 디스플레이, 버튼, LED, 마이크 및 음악 제어를 위한 기능을 통합하게 됩니다. 또한 오디오 처리 기능을 위한 DSP 기능을 포함할 수 있습니다. 단순히 음악뿐 아닌 시스템의 제어 측면에서 32비트 MCU를 사용해야 할 필요성이 생깁니다.

이러한 유형의 기능을 만드는 설계의 기본을 설명하기 위한 출발점으로 그림 1은 기본 Bluetooth 오디오 시스템의 데이터 경로 및 1차 요소를 나타냅니다.

이 그림을 새로운 오디오 + 제어 응용 제품 세트 측면에서 바라보면 소스 쪽은 암호화할 수 있는 인코딩된 데이터(오디오 및 제어)를 스트리밍하는 휴대 전화입니다. 데이터는 기저대역층(Bluetooth 라디오)에 도달합니다. 데이터 스트림은 싱크 쪽의 프로토콜 스택까지 처리되는데 싱크는 위에서 설명한 어떠한 장치/스마트 응용 제품도 될 수 있습니다.

소프트웨어 솔루션에는 다중 프로파일 스택 및 소스 코드에서 수정될 수 있는 응용 제품 층이 포함됩니다. 스택은 프로파일 통신을 처리하고 오디오 디코더, 디지털 필터링, 소스 변환 속도 및 제어 기능 등 여러 추가적인 응용 제품 요소와 상호 작용할 수 있습니다. SBC, AAC 및 MP3 등 Bluetooth A2DP 오디오 스트리밍을 지원하는 오디오에 대해 여러 디코더를 사용할 수 있습니다. 이 모듈식 솔루션을 통해 장치 제조업체는 기능, 제어 및 메모리 비용에 따라 잠재적인 솔루션을 차별화할 수 있습니다.



판매업체 개발 키트

통신 링크의 싱크 쪽의 시스템을 위한 개발 및 시험용 키트를 개발하는 것은 주요한 작업입니다. 설계자의 응용 제품 개발을 쉽게 해주지만 호환성과 상호 운용성 테스트는 이러한 키트를 제공하는 MCU 판매업체의 가장 중요한 문제입니다.

Android, Apple의 IOS, Microsoft의 Embedded Windows 및 Blackberry 등 여러 모바일 OS 옵션이 있는데 각 OS마다 여러 버전이 있습니다. 최종 사용자 제품의 성공을 위해서는 키트 판매업체가 수백 번의 호환성 및 상호 운용성 테스트를 수행해야 합니다. 설계가 이 테스트를 최소한의 재작업 또는 재작업 없이 통과할 수 있도록 하는 것이 설계자가 키트를 선택할 때 우선적으로 고려해야 할 사항입니다.

Microchip Technology는 이 설계 분야를 다루는 회사 중 하나입니다. 현재 PIC32MX3 및 PIC32MX4 장치를 Bluetooth 오디오 개발 키트에 사용하고 있습니다. 그림 2는 기본 하드웨어 구성을 나타냅니다.



구체적인 예로 이 회사의 DV320032 Bluetooth 오디오 개발 키트를 들 수 있습니다. 이 키트는 최대 100I/O 및 512KB 플래시/128KRAM을 갖춘 100MHz의 중간 범위 32비트 PIC 장치에서 구동됩니다. 이 기본 키트는 Cambridge Silicon Radio의 CSR8811 Bluetooth 트랜시버를 지원하는 Bluetooth HCI 도터 기판을 통합합니다(저비용 모듈도 있음). 또한 24비트 192KHz DAC 및 헤드폰 출력, USB 호스트 및 장치 인터페이스, 2인치 컬러 LCD 디스플레이 및 버튼 제어 기능을 갖춘 DAC 도터 기판도 포함합니다. 개발자의 작업 편이를 위해 키트는 또한 Apple 인증 어댑터 옵션, 디버깅 인터페이스 및 SPI 플래시 메모리 등 여러 기능을 구동합니다.

MCU 상단에 위치한 프로그래밍 가능 인터페이스 모듈(PIM)을 통해 개발자에게 귀중한 설계 시간을 허비하지 않으면서 프로세서 자체를 교체하는 옵션이 제공됩니다. 또한 설계자에게는 향후에 표준 MCU를 저비용 또는 고성능 장치로 교체할 수 있는 유연성을 제공합니다.

펌웨어 가용성은 개발 키트에 있어 항상 중요한 문제입니다. Microchip은 그림 3과 같이 펌웨어를 제공합니다.



또한 Microchip은 주력 상품인 32비트 MCU인 200MHz PIC32MZ2048ECH144에 기반한 보다 고급형 시험용 키트도 제공합니다. DM320006 PIC32MZ 내장형 연결 시험용 키트는 다른 시스템과 결합하여 Bluetooth 기능을 활성화시킬 수 있습니다. 멀티미디어 확장 기판 2(DM320005-2)에는 컨트롤러 없는 그래픽 드라이브, 4.3인치 WQVGA 디스플레이, 프로젝트 정전 용량 방식 터치(PCAP) 다중 터치 버튼 제어, VGA 카메라, Wi-Fi, Bluetooth HCI 모듈, AKM 반도체 AK495324를 기반으로 하는 비트 스테레오 오디오 코덱 , 3축 가속도계 및 온도 센서가 포함됩니다. Bluetooth 데이터 및 오디오 응용 제품을 지원할 수 있도록 Microchip의 MPLAB 하모니 소프트웨어 프레임워크로 작동할 수 있는 데모 기능을 통합 중입니다.

어떤 솔루션이 맞을까요?

Bluetooth 오디오 + 제어 응용 제품의 정교함과 복잡성으로 인해 개발자에게 어떻게 개발을 시작해야 할지 다소 혼란을 줄 수는 있습니다. 핵심 장치는 물론 MCU입니다. 위에서 언급한 바와 같이 32비트 MCU 및 32비트 명령 세트는 오디오와 제어를 동시에 결합하는 데 이상적입니다. 어떤 키트를 써야할지 가늠하기 위해 개발자는 응용 제품과 해당 메모리 및 MIPS 요구 사항을 설명한 표 1을 참조할 수 있습니다.

설명	리소스 요구 사항		피크 MIPS
	플래시(KB)	RAM(KB)
Bluetooth 스택(A2DP+AVRSPP+SBC) + Android 오픈 액세서리 오디오 A유형 USB 연결 지원 및 미니 B USB 연결 지원을 갖춘 삼성 오디오.	271.734	38.8	~30
Bluetooth 스택(A2DP+AVRCP+SPP+AAC 디코더) + 그래픽. 이 데모는 SBC 디코더의 자리에 보다 품질이 높은 AAC 오디오 디코더를 사용합니다.	251.5	34.9	~65
Bluetooth 데이터 스택(SPP만). 오디오가 포함되지 않은 이 데이터 전용 데모는 USB 오디오 지원을 제공하지 않습니다.	139.6	7.12	~8
Bluetooth 스택(A2DP+AVRCP+SPP+SBC 디코더) + 그래픽.	190.58	34.6	~30
Bluetooth 스택(A2DP+AVRCP+SPP+AAC) + Android 오픈 액세서리 오디오 A 유형 USB 연결 지원 및 미니 B USB 연결 지원을 갖춘 삼성 오디오. 이 데모는 SBC 디코더의 자리에 보다 품질이 높은 AAC 오디오 디코더를 사용합니다.	332.7	39.7	~65

표 1: 응용 제품, Bluetooth 스택 및 그래픽 디스플레이 요소를 포함한 응용 제품 리소스 요구 사항 예시(Microchip Technology 제공).

첫 번째 열(설명)은 작동되는 Bluetooth 프로파일 및 기타 응용 제품을 나타냅니다. 데모용 예시이지만 전체적으로 보면 가장 단순한 응용 제품(Bluetooth 데이터 스택만)에서 가장 까다로운 제품(다중 프로파일 및 고품질 ACC 디코더)에 이르기까지 메모리와 피크 MIPS가 상당히 달라질 수 있다는 점을 보여줍니다.

결론

데이터 제어와 오디오를 결합하는 Bluetooth 개발의 새 시대는 동시에 활성화되는 다중 Bluetooth 프로파일, 다중 제어점 및 다중 연결을 갖춘 여러 새 응용 제품의 성장을 지원할 것입니다. 이러한 응용 제품은 특히 Bluetooth 상호 운용성 및 호환성 테스트를 거쳐야 하기 때문에 개발하기 어려울 수 있습니다. 또한 이러한 응용 제품 중 많은 제품은 데이터 깊이보다는 명령 세트 리소스를 위해 32비트 MCU의 사용을 필수로 하고 있습니다.

실리콘 판매업체가 제공하는 개발 키트 및 펌웨어 솔루션은 엔지니어링 노력을 상당히 경감시켜 주지만 모든 경우에 적용되는 단 하나의 솔루션이 있는 것은 아닙니다. 개발자는 펌웨어 가용성 및 하드웨어 성능에 유의하면서 응용 제품에 적합한 솔루션을 주의 깊게 선택해야 합니다.

여기에서 설명한 다른 부품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 페이지에 액세스하십시오.

(편집자 주: 이 기사는 Microchip Technology의 MCU32 부서 응용 제품 엔지니어링 그룹 책임자인 Michael Skow의 발표를 바탕으로 작성되었습니다. Skow는 8월에 아리조나 피닉스에서 개최될 Microchip의 2014 MASTERs Conference에서 프레젠테이션을 진행할 예정입니다.)