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蓝牙HCI-UART主控制接口的FPGA设计与实现.doc

发布时间：2022-05-31 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.17M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    蓝牙 HCI-UART 主控制接口的 FPGA 设计与实现 摘要：蓝牙技术作为一种短间隔的无线通讯技术,具有巨大的发展潜力,本文意从 HCI 层进行蓝牙技术的应用开发。本文首先容了 HCI 和 UART 的结构与原理,在分析 和比较 HCI 三种类型接口 USB、RS-232 和 UART 优缺点的基础,提出了一种基于 FPGA 采用硬件设计 HCI-UART 的实现方式。本设计在 Quartus II 9.0 集成设计环境下, 采用硬件描述语言 Verilog 分模块设计完成,设计经过 Modelsim 6.4a 仿真与验证。 1 引言 蓝牙(Bluetooth)是世界级著名的计算机和通讯领域至公司（爱立信、IBM、 INTEL、诺基亚和东芝等） 倡导推出的一种无线通讯技术的开放式产业标准，其取 自 10 世纪丹麦国王哈拉尔德(HaraldBluetooth)的 别名，意在形成一个全球同一 的无线通讯技术标准[1]。蓝牙技术消除了设备之间的连线，用无线连接取代 传统 的电线。蓝牙主要有蓝牙硬件和蓝牙协议组成，蓝牙硬件由模拟部分和数字部分组 成。模拟部分指蓝 牙射频发射台，数字部分指主控制器。蓝牙协议采用电路及信息 包两种交换方式，主要有射频(RF)、基带 (BB)、链路治理器(LM)、主接控制接口(HCI， Host CONTROL Interface)底层嵌进式驱动程序、HCI 高层软 件驱动程序、逻辑链 路控制适配协议(L2CAP)、串口仿真协议(RFCOMM)、业务发现协议(SDP)、电话控制 协 议(TCS)构成[2]。 目前，蓝牙技术应用开发有两种方式：1）单微控制器方式，所有的蓝牙传输协 议及用户应用程序都 集成到一个模块中，由一个处理器完成。它不一定需要 HCI 层，但其涉及到射频、基带等硬件协议层，开 发方式复杂，开发周期加长，本钱代 价也高；2）双微控制器方式，底层传输协议一般通过蓝牙硬件模块 实现，模块内 部嵌进式的微处理器成为主机控制器，高层传输协议和用户应用程序分别由主机和 主控制器 来实现，主机和主机控制器之间通过标准的物理总线接口来连接[3]。由
    于主机与主控制层在硬件上完全分 离，需通过 HCI 层把蓝牙模块和蓝牙主机连接 起来。在实际应用中，由于高层协议的复杂性和多样性，采 用这种方式，用户不需 要考虑底层就可以实现对通讯流程的控制，符适用户实际需求，且开发周期短，可 移 植性好，本文的设计也是采用这种方式。 2 系统基本原理 2.1 UART 基本原理 UART(Universal Asynchronous Receive Transmitter)又称通用型异步接收及 发送接口[4］，是一种异 步通讯传输方式。其通讯协议帧格式包括五个部分：空闲 状态(idle，高电平)、起始位(start，低电平)、5～8 位数据位、奇偶校验位(parity， 可选)和停止位(Stop，位数可为 1，1.5 和 2 位)。这种格式是由起 始位和停止位 来实现字符的同步，其中奇偶校验位的有无和数据位的长度由通讯双方约定。一帧 数据传输完毕后可以继续传输下一帧数据，也可以继续保持为高电平，两帧之间保 持高电平，持续时间可以任意长。 本设计规定的通讯协议帧格式为：1 位起始位 (start，低电平)、8 位数据位（d0～d7）、1 位奇偶校验位(parity) 和 1 位停止 位(stop，高电平)，如图 1 所示。 图 1 UART 通讯协议帧格式 2.2 HCI 基本原理
    2.2.1 HCI 传输层的比较 HCI 层位于蓝牙高层协议和低层协议之间，其目的是实现主机设备与蓝牙模块 之间的互操纵，即 HCI 是蓝牙主机与主机控制器间软硬件接口。HCI 为蓝牙硬件中 基带控制器和链接治理器提供了命令接口，从 而实现对硬件状态注册器和控制寄存 器的访问，提供了对蓝牙基带的同一访问模式。 目前，HCI 的传输层主要有三种： USB，RS-232，UART。此外，还有一种 PC 卡传输层，其没有定义在 蓝牙标准中， 而是在蓝牙 SIG 于 1999 年 8 月发表的蓝牙 PC 卡传输层 1.0 版白皮书中描述的。 蓝牙没有规 定 PC 卡传输层实现的具体细节，而是要求制造商提供传输驱动程序， 以配合主机上的 HCI 驱动程序[5]。不 同传输层对 HCI 事件处理没有影响。 （1）USB 传输层在蓝牙硬件上使用 USB 硬件接口（该硬件接口有两种嵌进方 式：一种是作为 USB 加/ 解密芯片，另一种是集成到 PC 机主板上）[6]。这一种类 编码要求不管使用哪一厂商生产的设备，都能加载 合适的驱动程序栈；同时它还保 证了通过控制终真个 HCI 指令和 USB 指令有所区别。其缺点是软件协议复 杂，软 件开销巨大。 （2）RS-232 传输层：通过位于主机和主控制器之间的物理 RS-232 接口实现。 事件包和数据包通过该 层，但该层并不对它们进行解码。该传输层支持的是主机控 制器和不同实体中的主机的通讯情况，通讯距 离较远，传输层特别规定了电气特性， 并采用了更为精细的链路协议以应对较高的线路误码率，但在硬件 上需要增加电平 转换电路。 （3）UART 传输层跟 RS-232 传输层类似，也是采用一个 UART 的串行通讯方式 在主控制器与主机之间 进行数据传输。应用环境主要是针对主控制器和主机位于同
    一个电路板上，传输层假定 UART 通讯无线性 错误。与其它的相比，UART 传输层 方式比较灵活，其应用环境决定其连接错误相对较少，可以采用简单的 复位恢复机 制实现失步时的复步。由于主机和主控制器都处于同一块电路板上，因而传输层不 需要规定电 气信号，可以直接采用 TTL、LV－CMOS 等 IC 端电压，应用较多。同时， UART 传输层避开了 RS-232 传输层 所要求的较繁琐的协商和同步机制。UART 性能 和数据吞吐率水平与 USB 接口相当，而传输协议却较为简单， 减少了软件开销， 是一种更为经济高效的全硬件解决方案。 2.2.2 HCI 分组 两个蓝牙设备间进行数据通讯是通过 HCI 分组实现的，HCI 是通过分组的方式 来进行信息交换的。HCI 分组有三种类型:指令分组(Command Packet)、事件分组 (Event Packet)和数据分组(Data Packet)[7]。 （1）指令分组 只从主机发向主机控制器，分为链路控制指令、链路策略指令、主机控制指令 与基带指令、信息参数 指令、状态参数指令和测试指令。HCI 指令分组由操纵码 (OpCode)、参数总长(Parameter Total Length) 和参数列表(Parameters)三部分组 成[8]。 （2）事件分组 只从主机控制器发向主机，用以说明指令分组的执行情况，是主机控制器向主 机报告各种事件的分组。 包括通用事件(包括指令完成事件和指令状态事件)、测试 事件、出错事件三种。
    （3）数据分组 它是在主机和主机控制器间双向传输，一般分为 ACL(Asynchronization Connectionless)数据分组和 SCO (Synchronization Connection Oriented)数据分 组两种[9]。二者之间的区别在于：ACL 链路支持对称和非对称传输，分组交换和多 点连接，适用于传送数据；SCO 链路支持对称传输,电路交换和点到点连接， 适用 于传输语音。 3 HCI-UART 的 FPGA 设计 主机与蓝牙模块之间使用指令——应答的方式进行通讯，主机向主机控制器发 送指令分组，主机控制 器执行某一指令后，大多数情况下会返回给主机一个指令完 成事件分组，该分组携带有指令完成的信息。 假如指令分组参数有误，返回的指令 状态事件分组就会给出相应的错误代码。主机与主机控制器间的数据 交换则通过数 据分组实现。主控制器系统原理框图如图 2 所示。 3.1 UART 的设计
    UART 的设计主要包括三个部分：发送器、接收器和波特率发生器，设计采用分 模块完成[10]。 （1）波特率发生器：UART 的数据接收和发送是通过对波特率的设 置进行实现的。波特率发生器采 用分频器实现，分频得到一个频率为波特率 16 倍 的波特率时钟 clk_baud，分频数 N 计算公式如（1）所示， 其中 clk_sys 表示系 统时钟，baudrate 为 UART 的波特率。 （2）发送器模块：检测到发送信号时，装载数据，根据数据产生奇偶校验位， 按通讯协议帧的格式 的要求依次发送起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，并产 生各种控制信号。整个发送过程采用有限状 态机实现，分成五个状态（空闲 idle， 发送起始位 send_start，发送数据 send_data，发送奇偶校验位 send_parity，发 送停止位 send_stop），具体过程如图 3 所示。
    图 3 发送器状态图 （3）接收器模块：当检测到接收信号线 rxd 上有电平变化时[10]，即通过检 测协议帧的格式接收数据， 假如格式正确则将数据存储起来，否则放弃本次数据， 同时产生错误标志信号。设计实现采用有限状态机， 为了保证数据接收的正确性， 数据采集都在时钟中间时刻完成。接收过程分为五个状态（空闲 idle，起始 位检 测 start_check，接收数据 rec_data，奇偶校验位检测 parity_check，停止位检测 stop_check），接 收过程如图 4 所示。
    图 4 UART 接收器状态图 3.2 HCI 的设计 蓝牙 HCI 分组在串行连接传输层的成帧是简单地加一个标识头（用 16 进制表 示）：01H 表示指令分组， 02H 表示 ACL 数据分组，03H 表示 SCO 数据分组，04HH 表示事件分组。根据 HCI 的基本工作原理与 HCI 分组的特点，HCI 的实现主要有四 个功能模块组成，包括 HCI 命令处理模块（command_handle），HCI 事 件处理模 块(event_handle)，HCI 数据处理模块(data_handle)，收发控制模块 (rec_tra_CONTROLler)。其组成框图 如图 5 所示：
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