藍牙HCI-UART主控制接口的FPGA設計與實現

　　摘要：藍牙技術作為一種短距離的無線通信技術,具有巨大的發展潛力,本文意從HCI層進行藍牙技術的應用開發。本文首先介紹了HCI和UART的結構與原理,在分析和比較HCI三種類型接口USB、RS-232和UART優缺點的基礎,提出了一種基于FPGA采用硬件設計HCI-UART的實現方式。本設計在Quartus II 9.0集成設計環境下,采用硬件描述語言Verilog分模塊設計完成,設計經過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域大公司（愛立信、IBM、INTEL、諾基亞和東芝等）倡導推出的一種無線通信技術的開放式工業標準，其取自10 世紀丹麥國王哈拉爾德(HaraldBluetooth)的別名，意在形成一個全球統一的無線通信技術標準[1]。藍牙技術消除了設備之間的連線，用無線連接取代傳統的電線。藍牙主要有藍牙硬件和藍牙協議組成，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射臺，數字部分指主控制器。藍牙協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)底層嵌入式驅動程序、HCI 高層軟件驅動程序、邏輯鏈路控制適配協議(L2CAP)、串口仿真協議(RFCOMM)、業務發現協議(SDP)、電話控制協議(TCS)構成[2]。

　　目前，藍牙技術應用開發有兩種方式：1）單微控制器方式，所有的藍牙傳輸協議及用戶應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、基帶等硬件協議層，開發方式復雜，開發周期加長，成本代價也高；2）雙微控制器方式，底層傳輸協議一般通過藍牙硬件模塊實現，模塊內部嵌入式的微處理器成為主機控制器，高層傳輸協議和用戶應用程序分別由主機和主控制器來實現，主機和主機控制器之間通過標準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。在實際應用中，由于高層協議的復雜性和多樣性，采用這種方式，用戶不需要考慮底層就可以實現對通信流程的控制，符合用戶實際需求，且開發周期短，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)又稱通用型異步接收及發送接口[4］，是一種異步通信傳輸方式。其通信協議幀格式包括五個部分：空閑狀態(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實現字符的同步，其中奇偶校驗位的有無和數據位的長度由通信雙方約定。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，持續時間可以任意長。本設計規定的通信協議幀格式為：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 通信協議幀格式