藍牙HCI-UART主控制接口的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)

　　摘要：藍牙技術(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層進行藍牙技術(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)缺點的基礎(chǔ),提出了一種基于FPGA采用硬件設(shè)計HCI-UART的實現(xiàn)方式。本設(shè)計在Quartus II 9.0集成設(shè)計環(huán)境下,采用硬件描述語言Verilog分模塊設(shè)計完成,設(shè)計經(jīng)過Modelsim 6.4a仿真與驗證。

　　1 引言

　　藍牙(Bluetooth)是世界級著名的計算機和通信領(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，意在形成一個全球統(tǒng)一的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。藍牙技術(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。藍牙主要有藍牙硬件和藍牙協(xié)議組成，藍牙硬件由模擬部分和數(shù)字部分組成。模擬部分指藍牙射頻發(fā)射臺，數(shù)字部分指主控制器。藍牙協(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，所有的藍牙傳輸協(xié)議及用戶應(yīng)用程序都集成到一個模塊中，由一個處理器完成。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，成本代價也高；2）雙微控制器方式，底層傳輸協(xié)議一般通過藍牙硬件模塊實現(xiàn)，模塊內(nèi)部嵌入式的微處理器成為主機控制器，高層傳輸協(xié)議和用戶應(yīng)用程序分別由主機和主控制器來實現(xiàn)，主機和主機控制器之間通過標(biāo)準(zhǔn)的物理總線接口來連接[3]。由于主機與主控制層在硬件上完全分 離，需通過HCI 層把藍牙模塊和藍牙主機連接起來。在實際應(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現(xiàn)對通信流程的控制，符合用戶實際需求，且開發(fā)周期短，可 移植性好，本文的設(shè)計也是采用這種方式。

　　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現(xiàn)字符的同步，其中奇偶校驗位的有無和數(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)時間可以任意長。本設(shè)計規(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