藍(lán)牙HCI-UART主控制接口的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：藍(lán)牙技術(shù)作為一種短距離的無線通信技術(shù),具有巨大的發(fā)展?jié)摿?本文意從HCI層進(jìn)行藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)。本文首先介紹了HCI和UART的結(jié)構(gòu)與原理,在分析和比較HCI三種類型接口USB、RS-232和UART優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ),提出了一種基于FPGA采用硬件設(shè)計(jì)HCI-UART的實(shí)現(xiàn)方式。本設(shè)計(jì)在Quartus II 9.0集成設(shè)計(jì)環(huán)境下,采用硬件描述語言Verilog分模塊設(shè)計(jì)完成,設(shè)計(jì)經(jīng)過Modelsim 6.4a仿真與驗(yàn)證。

1 引言

藍(lán)牙(Bluetooth)是世界級著名的計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域大公司（愛立信、IBM、INTEL、諾基亞和東芝等） 倡導(dǎo)推出的一種無線通信技術(shù)的開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其取自10 世紀(jì)丹麥國王哈拉爾德(HaraldBluetooth)的 別名，意在形成一個(gè)全球統(tǒng)一的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。藍(lán)牙技術(shù)消除了設(shè)備之間的連線，用無線連接取代 傳統(tǒng)的電線。藍(lán)牙主要有藍(lán)牙硬件和藍(lán)牙協(xié)議組成，藍(lán)牙硬件由模擬部分和數(shù)字部分組成。模擬部分指藍(lán) 牙射頻發(fā)射臺，數(shù)字部分指主控制器。藍(lán)牙協(xié)議采用電路及信息包兩種交換方式，主要有射頻(RF)、基帶 (BB)、鏈路管理器(LM)、主接控制接口(HCI，Host CONTROL Interface)底層嵌入式驅(qū)動程序、HCI 高層軟 件驅(qū)動程序、邏輯鏈路控制適配協(xié)議(L2CAP)、串口仿真協(xié)議(RFCOMM)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)、電話控制協(xié) 議(TCS)構(gòu)成[2]。

目前，藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用開發(fā)有兩種方式：1）單微控制器方式，所有的藍(lán)牙傳輸協(xié)議及用戶應(yīng)用程序都 集成到一個(gè)模塊中，由一個(gè)處理器完成。它不一定需要HCI 層，但其涉及到射頻、基帶等硬件協(xié)議層，開 發(fā)方式復(fù)雜，開發(fā)周期加長，成本代價(jià)也高；2）雙微控制器方式，底層傳輸協(xié)議一般通過藍(lán)牙硬件模塊 實(shí)現(xiàn)，模塊內(nèi)部嵌入式的微處理器成為主機(jī)控制器，高層傳輸協(xié)議和用戶應(yīng)用程序分別由主機(jī)和主控制器 來實(shí)現(xiàn)，主機(jī)和主機(jī)控制器之間通過標(biāo)準(zhǔn)的物理總線接口來連接[3]。由于主機(jī)與主控制層在硬件上完全分 離，需通過HCI 層把藍(lán)牙模塊和藍(lán)牙主機(jī)連接起來。在實(shí)際應(yīng)用中，由于高層協(xié)議的復(fù)雜性和多樣性，采 用這種方式，用戶不需要考慮底層就可以實(shí)現(xiàn)對通信流程的控制，符合用戶實(shí)際需求，且開發(fā)周期短，可 移植性好，本文的設(shè)計(jì)也是采用這種方式。

2 系統(tǒng)基本原理

2.1 UART 基本原理

UART(Universal Asynchronous Receive Transmitter)又稱通用型異步接收及發(fā)送接口[4］，是一種異 步通信傳輸方式。其通信協(xié)議幀格式包括五個(gè)部分：空閑狀態(tài)(idle，高電平)、起始位(start，低電平)、 5～8 位數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位(parity，可選)和停止位(Stop，位數(shù)可為1，1.5 和2 位)。這種格式是由起 始位和停止位來實(shí)現(xiàn)字符的同步，其中奇偶校驗(yàn)位的有無和數(shù)據(jù)位的長度由通信雙方約定。一幀數(shù)據(jù)傳輸完畢后可以繼續(xù)傳輸下一幀數(shù)據(jù)，也可以繼續(xù)保持為高電平，兩幀之間保持高電平，持續(xù)時(shí)間可以任意長。 本設(shè)計(jì)規(guī)定的通信協(xié)議幀格式為：1 位起始位(start，低電平)、8 位數(shù)據(jù)位（d0～d7）、1 位奇偶校驗(yàn)位(parity) 和1 位停止位(stop，高電平)，如圖1 所示。

圖1 UART 通信協(xié)議幀格式

2.2 HCI 基本原理

2.2.1 HCI 傳輸層的比較

HCI 層位于藍(lán)牙高層協(xié)議和低層協(xié)議之間，其目的是實(shí)現(xiàn)主機(jī)設(shè)備與藍(lán)牙模塊之間的互操作，即HCI 是藍(lán)牙主機(jī)與主機(jī)控制器間軟硬件接口。HCI 為藍(lán)牙硬件中基帶控制器和鏈接管理器提供了命令接口，從 而實(shí)現(xiàn)對硬件狀態(tài)注冊器和控制寄存器的訪問，提供了對藍(lán)牙基帶的統(tǒng)一訪問模式。 目前，HCI 的傳輸層主要有三種：USB，RS-232，UART。此外，還有一種PC 卡傳輸層，其沒有定義在 藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)中，而是在藍(lán)牙SIG 于1999 年8 月發(fā)表的藍(lán)牙PC 卡傳輸層1.0 版白皮書中描述的。藍(lán)牙沒有規(guī) 定PC 卡傳輸層實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)，而是要求制造商提供傳輸驅(qū)動程序，以配合主機(jī)上的HCI 驅(qū)動程序[5]。不 同傳輸層對HCI 事件處理沒有影響。

（1）USB 傳輸層在藍(lán)牙硬件上使用USB 硬件接口（該硬件接口有兩種嵌入方式：一種是作為USB 加/ 解密芯片，另一種是集成到PC 機(jī)主板上）[6]。這一種類編碼要求不管使用哪一廠商生產(chǎn)的設(shè)備，都能加載 合適的驅(qū)動程序棧；同時(shí)它還保證了通過控制終端的HCI 指令和USB 指令有所區(qū)別。其缺點(diǎn)是軟件協(xié)議復(fù) 雜，軟件開銷巨大。

（2）RS-232 傳輸層：通過位于主機(jī)和主控制器之間的物理RS-232 接口實(shí)現(xiàn)。事件包和數(shù)據(jù)包通過該 層，但該層并不對它們進(jìn)行解碼。該傳輸層支持的是主機(jī)控制器和不同實(shí)體中的主機(jī)的通信情況，通信距 離較遠(yuǎn)，傳輸層特別規(guī)定了電氣特性，并采用了更為精細(xì)的鏈路協(xié)議以應(yīng)對較高的線路誤碼率，但在硬件 上需要增加電平轉(zhuǎn)換電路。

（3）UART 傳輸層跟RS-232 傳輸層類似，也是采用一個(gè)UART 的串行通信方式在主控制器與主機(jī)之間 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用環(huán)境主要是針對主控制器和主機(jī)位于同一個(gè)電路板上，傳輸層假定UART 通信無線性 錯(cuò)誤。與其它的相比，UART 傳輸層方式比較靈活，其應(yīng)用環(huán)境決定其連接錯(cuò)誤相對較少，可以采用簡單的 復(fù)位恢復(fù)機(jī)制實(shí)現(xiàn)失步時(shí)的復(fù)步。由于主機(jī)和主控制器都處于同一塊電路板上，因而傳輸層不需要規(guī)定電 氣信號，可以直接采用TTL、LV－CMOS 等IC 端電壓，應(yīng)用較多。同時(shí)，UART 傳輸層避開了RS-232 傳輸層 所要求的較繁瑣的協(xié)商和同步機(jī)制。UART 性能和數(shù)據(jù)吞吐率水平與USB 接口相當(dāng)，而傳輸協(xié)議卻較為簡單， 減少了軟件開銷，是一種更為經(jīng)濟(jì)高效的全硬件解決方案。

2.2.2 HCI 分組

兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信是通過HCI 分組實(shí)現(xiàn)的，HCI 是通過分組的方式來進(jìn)行信息交換的。HCI 分組有三種類型:指令分組(Command Packet)、事件分組(Event Packet)和數(shù)據(jù)分組(Data Packet)[7]。

（1）指令分組

只從主機(jī)發(fā)向主機(jī)控制器，分為鏈路控制指令、鏈路策略指令、主機(jī)控制指令與基帶指令、信息參數(shù) 指令、狀態(tài)參數(shù)指令和測試指令。HCI 指令分組由操作碼(OpCode)、參數(shù)總長(Parameter Total Length) 和參數(shù)列表(Parameters)三部分組成[8]。

（2）事件分組

只從主機(jī)控制器發(fā)向主機(jī)，用以說明指令分組的執(zhí)行情況，是主機(jī)控制器向主機(jī)報(bào)告各種事件的分組。 包括通用事件(包括指令完成事件和指令狀態(tài)事件)、測試事件、出錯(cuò)事件三種。

（3）數(shù)據(jù)分組

它是在主機(jī)和主機(jī)控制器間雙向傳輸，一般分為ACL(Asynchronization Connectionless)數(shù)據(jù)分組和 SCO (Synchronization Connection Oriented)數(shù)據(jù)分組兩種[9]。二者之間的區(qū)別在于：ACL 鏈路支持對稱和非對稱傳輸，分組交換和多點(diǎn)連接，適用于傳送數(shù)據(jù)；SCO 鏈路支持對稱傳輸,電路交換和點(diǎn)到點(diǎn)連接， 適用于傳輸語音。

3 HCI-UART 的FPGA 設(shè)計(jì)

主機(jī)與藍(lán)牙模塊之間使用指令——應(yīng)答的方式進(jìn)行通信，主機(jī)向主機(jī)控制器發(fā)送指令分組，主機(jī)控制 器執(zhí)行某一指令后，大多數(shù)情況下會返回給主機(jī)一個(gè)指令完成事件分組，該分組攜帶有指令完成的信息。 如果指令分組參數(shù)有誤，返回的指令狀態(tài)事件分組就會給出相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼。主機(jī)與主機(jī)控制器間的數(shù)據(jù) 交換則通過數(shù)據(jù)分組實(shí)現(xiàn)。主控制器系統(tǒng)原理框圖如圖2 所示。

3.1 UART 的設(shè)計(jì)

UART 的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：發(fā)送器、接收器和波特率發(fā)生器，設(shè)計(jì)采用分模塊完成[10]。 （1）波特率發(fā)生器：UART 的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送是通過對波特率的設(shè)置進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。波特率發(fā)生器采 用分頻器實(shí)現(xiàn)，分頻得到一個(gè)頻率為波特率16 倍的波特率時(shí)鐘clk_baud，分頻數(shù)N 計(jì)算公式如（1）所示， 其中clk_sys 表示系統(tǒng)時(shí)鐘，baudrate 為UART 的波特率。