藍牙HCI-UART主控制接口的FPGA設計與實(shí)現

　　摘要：藍牙技術(shù)作為一種短距離的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),具有巨大的發(fā)展潛力,本文意從HCI層進(jìn)行藍牙技術(shù)的應用開(kāi)發(fā)。本文首先介紹了HCI和UART的結構與原理,在分析和比較HCI三種類(lèi)型接口USB、RS-232和UART優(yōu)缺點(diǎn)的基礎,提出了一種基于FPGA采用硬件設計HCI-UART的實(shí)現方式。本設計在Quartus II 9.0集成設計環(huán)境下,采用硬件描述語(yǔ)言Verilog分模塊設計完成,設計經(jīng)過(guò)Modelsim 6.4a仿真與驗證。

　　1 引言

　　藍牙(Bluetooth)是世界級著(zhù)名的計算機和通信領(lǐng)域大公司（愛(ài)立信、IBM、INTEL、諾基亞和東芝等）倡導推出的一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的開(kāi)放式工業(yè)標準，其取自10 世紀丹麥國王哈拉爾德(HaraldBluetooth)的別名，意在形成一個(gè)全球統一的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標準[1]。藍牙技術(shù)消除了設備之間的連線(xiàn)，用無(wú)線(xiàn)連接取代傳統的電線(xiàn)。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字部分組成。模擬部分指藍牙射頻發(fā)射臺，數字部分指主控制器。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)底層嵌入式驅動(dòng)程序、HCI 高層軟件驅動(dòng)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)現協(xié)議(SDP)、電話(huà)控制協(xié)議(TCS)構成[2]。

　　目前，藍牙技術(shù)應用開(kāi)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(hù)應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(kāi)發(fā)方式復雜，開(kāi)發(fā)周期加長(cháng)，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(guò)藍牙硬件模塊實(shí)現，模塊內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(hù)應用程序分別由主機和主控制器來(lái)實(shí)現，主機和主機控制器之間通過(guò)標準的物理總線(xiàn)接口來(lái)連接[3]。由于主機與主控制層在硬件上完全分 離，需通過(guò)HCI 層把藍牙模塊和藍牙主機連接起來(lái)。在實(shí)際應用中，由于高層協(xié)議的復雜性和多樣性，采用這種方式，用戶(hù)不需要考慮底層就可以實(shí)現對通信流程的控制，符合用戶(hù)實(shí)際需求，且開(kāi)發(fā)周期短，可 移植性好，本文的設計也是采用這種方式。

　　2 系統基本原理

　　2.1 UART 基本原理

　　UART(Universal Asynchronous Receive Transmitter)又稱(chēng)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 位數據位、奇偶校驗位(parity，可選)和停止位(Stop，位數可為1，1.5 和2 位)。這種格式是由起始位和停止位來(lái)實(shí)現字符的同步，其中奇偶校驗位的有無(wú)和數據位的長(cháng)度由通信雙方約定。一幀數據傳輸完畢后可以繼續傳輸下一幀數據，也可以繼續保持為高電平，兩幀之間保持高電平，持續時(shí)間可以任意長(cháng)。本設計規定的通信協(xié)議幀格式為：1 位起始位(start，低電平)、8 位數據位（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