蓝牙HCI-UART主控制接口的FPGA设计与实（2） 蓝牙, 接口

yuyang911220

3  HCI-UART 的FPGA 设计
        主机与蓝牙模块之间使用指令——应答的方式进行通信，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。 如果指令分组参数有误，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。

图2
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，按通信协议帧的格式 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， 如果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：

图5 HCI 控制器的组成
HCI 接口通信过程包括如下几个部分：
1）蓝牙系统初始化（initial）；
2）系统准备好后，进入查询状况（inquiry）；
3）建立数据连接（creat_connection）；
4）数据传输(transmit)；
5）断开连接(disconnect)；
         首先，蓝牙主从设备进行初始化；接着蓝牙的主设备在范围内用Inquiry 命令分组查找其他的蓝牙设 备。然后，主设备会收到对应的蓝牙从设备的应答信息,其包括有事件分组包和从机地址包。之后，蓝牙 主设备向从设备发送Create_Connection 的命令分组，然后，主设备会收到一个连接完成的事件分组 Connection_Complete，表示两机之间已经建立了连接。这样，两个蓝牙设备之间就可以进行数据的通信， 即建立连接。当数据传输完成后，断开主从设备之间的连接，系统重新复位，一个数据传输过程就结束了。
4  仿真与验证
        本设计采用分模块设计，在 Quartus II 9.0 下完成设计和综合，且经过Modelsim*a 的仿真验证。 同时在搭建的硬件通信测试平台下测试过，证明该设计确实可行。 5 5 结束语
        HCI 是实现蓝牙协议栈时必须实现的一个部分。它是蓝牙上层协议控制底层硬件的接口，首先要根据 具体应用的需要选择合适的传输层，并尽可能的为上层协议提供友好的API，在硬件实现中，UART 传输层具有其他传输层无法比拟的优点。
        本文创新在于从工程实际开发角度出发，提出了一种基于FPGA的蓝牙HCI-UART 全硬件实现方式，缩 短了开发周期，降低开发成本，具有一定的工程参考价值。