蓝牙HCI-UART主控制接口的FPGA设计与实现

）UART 传输层跟RS-232 传输层类似，也是采用一个UART 的串行通信方式在主控制器与主机之间 进行数据传输。应用环境主要是针对主控制器和主机位于同一个电路板上，传输层假定UART 通信无线性 错误。与其它的相比，UART 传输层方式比较灵活，其应用环境决定其连接错误相对较少，可以采用简单的 复位恢复机制实现失步时的复步。由于主机和主控制器都处于同一块电路板上，因而传输层不需要规定电 气信号，可以直接采用TTL、LV－CMOS 等IC 端电压，应用较多。同时，UART 传输层避开了RS-232 传输层 所要求的较繁琐的协商和同步机制。UART 性能和数据吞吐率水平与USB 接口相当，而传输协议却较为简单， 减少了软件开销，是一种更为经济高效的全硬件解决方案。

2.2.2 HCI 分组

两个蓝牙设备间进行数据通信是通过HCI 分组实现的，HCI 是通过分组的方式来进行信息交换的。HCI 分组有三种类型:指令分组(Command Packet)、事件分组(Event Packet)和数据分组(Data Packet)[7]。

（1）指令分组

只从主机发向主机控制器，分为链路控制指令、链路策略指令、主机控制指令与基带指令、信息参数 指令、状态参数指令和测试指令。HCI 指令分组由操作码(OpCode)、参数总长(Parameter Total Length) 和参数列表(Parameters)三部分组成[8]。

（2）事件分组

只从主机控制器发向主机，用以说明指令分组的执行情况，是主机控制器向主机报告各种事件的分组。 包括通用事件(包括指令完成事件和指令状态事件)、测试事件、出错事件三种。

（3）数据分组

它是在主机和主机控制器间双向传输，一般分为ACL(Asynchronization Connectionless)数据分组和 SCO (Synchronization Connection Oriented)数据分组两种[9]。二者之间的区别在于：ACL 链路支持对称和非对称传输，分组交换和多点连接，适用于传送数据；SCO 链路支持对称传输,电路交换和点到点连接， 适用于传输语音。

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)