基于SOPC的蓝牙以太网语音网关的设计

1． 引言  

近年来，随着蓝牙芯片成本的不断降低，应用进一步扩大，所有蓝牙终端设备接入并享受网络服务的可能性变得越来越大。另一方面，网络应用越来越广泛，其中热点之一即是分组语音技术。分组语音技术将语音信号转化为一定长度和速率的数字化语音包，以存储转发的方式进行交换和传输。蓝牙技术作为解决“最后10米”的无线传输技术，必将是无线个域网（Wireless Personal Network，WPAN）的首选技术。结合蓝牙技术和分组语音技术，可以使支持蓝牙的终端设备通过安全的无线链路，与蓝牙语音网关建立连接，通过以太网交换到目的蓝牙语音网关，然后与对方终端建立无线链路，完成语音的远距离传输。  

传统的蓝牙—以太网适配器通常使用ACL链路与蓝牙器件建立连接，将串行接口UART输出的数据转换成以太网帧，以实现以太网适配，这样仅能传输普通数据，无法传输语音。本文从另一方面入手，研究如何实现语音数据到以太网的协议转换，并利用网络交换语音。设计了IIS（Inter-IC Sound Bus）控制器IP核，根据需要接入的蓝牙终端多少，灵活配置IIS控制器个数，从而实现多个蓝牙终端经以太网双向语音通信。  

SOPC（System on Programmable Chip）是Altera最先提出的概念，其实质是SOC技术，与其它的SOC技术相比，特点在于可编程性，即利用FPGA的可编程性进行SOC设计。通过将验证好的IP核即知识产权核嵌入FPGA中，可以大大缩短开发周期，同时提高开发成功率。在本设计中，使用SOPC的优势在于配置灵活，满足不同接入容量的需求。  

2． 总体方案  

语音网关由二部分组成：蓝牙模块和SOPC系统，如图1所示。  

  
众所周知，１个蓝牙终端可以与其它蓝牙终端建立７个ACL链路和１个SCO链路，只有后者能用于传输实时语音，所以蓝牙网关的容量取决于内部蓝牙模块的数目。蓝牙模块采用CSR公司提供的集成蓝牙基带和射频部分的单芯片模块BluetoothCore3-Multimedia External（以下简称BC03）。BC03基于Bluecore03芯片，并提供IIS/PCM、SPI、UART/USB、PIO接口。Bluecore03内嵌16位RISC微处理器，可作为简单的嵌入式控制器及蓝牙链路控制器，运行蓝牙软件协议及高层应用程序。  

SOPC系统主要包括1片FPGA、2片8Mb SRAM、1片128Mb SDRAM、1片64Mb Flash、1片EPCS4串行配置器件（4Mb）和1片以太网控制器LAN91C111。  

3． 硬件方案  

本节由二部分组成，首先介绍Nios II系统开发流程，然后是IIS的IP核设计。  

3.1 构建NIOS II SOPC系统  

Nios II系列嵌入式处理器使用32位的指令集结构（ISA），是建立在第一代16位Nios处理器基础上的，最高可支持64位数据操作，定位于广泛的嵌入式应用。Nios II处理器包括三种内核：快速的（Nios II/f）、经济的（Nios II/e）和标准的（Nios II/s）内核。快速型（Nios II/f）处理器性能最高，但比经济型（Nios II/e）处理器多消耗25%资源。使用Altera的Quartus II 软件、SOPC Builder 工具以及Nios II 集成开发环境（IDE），可以轻松的完成基于Nios II 处理器的嵌入式系统开发。  

其中，SOPC builder内嵌在Quartus II集成环境中，允许用户以图形化方式选择CPU、存储器、标准外设和用户定义外设。本设计中，标准外设中没有IIS控制器，所以要单独设计用户外设。SOPC Builder主要生成两种文件：一种是.ptf文件，NIos II IDE根据它编译C/C++等软件；另一种是HDL文件，可以是VHDL语言，也可以是Verilog语言，提供给Quartus II，作为整个SOPC项目的一部分。Quartus II软件对HDL文件进行编译、综合、布局布线，生成硬件映像文件，然后使用ByteBlaster线缆通过JTAG下载到开发板中的Cyclone芯片中，完成硬件平台。再利用Nios II IDE编写应用程序，下载到Flash中运行、调试。  

3.1 IIS控制器IP核设计  

IIS是串行数字音频总线，目前很多音频芯片都提供对IIS的支持。BC03模块为了支持双工通信，设置了帧同步（WS）、时钟（CLK）、和输入／输出数据线，可以作为master提供帧同步和时钟，也可以作为slave接收外部提供的帧同步和时钟。  

这里使用Verilog硬件描述语言设计IIS控制器。为了实现双工通信就要分别设计接收器和发送器，它们拥有各自独立的缓冲区，共享Avalon接口，如图2所示。  

显然，要设计IIS控制器，首先得解决采样、存储问题。因此，按照IIS时序标准，设计前端的接收器，从串行比特流中提取有效语音数据组成32 bit的并行数据，然后，存储在异步FIFO中，这里设置FIFO深度为1024，宽度为32 bit。然后经过Avalon总线加入SOPC系统。  
  
Avalon是Altera公司专门为解决SOPC系统中各外设互联而设计的总线接口标准，其与一般总线的不同之处在于可裁剪，指外设可以选择Avalon总线标准信号的子集作为自己的接口信号，比如时钟、地址、数据、片选和读／写信号，就可以构成一个基本接口。而本设计中，如果采用基本接口，由于语音数据的传输速率远远低于CPU的工作速度，造成CPU的长时间等待，浪费资源，所以必须采用流量控制。  

Avalon总线中支持流量控制的信号允许slave对master发起的传输进行约束，即只有当slave准备好接收数据或者有数据要发送时，传输才开始。为了实现流量控制，slave可以使用以下信号中的一个或多个：readyfordata、dataavailable和endofpacket。当slave没有准备好接收数据时，声明readyfordata无效；反之，声明readyfordata有效。当slave没有准备好要发送的数据时，声明dataavailable无效；反之，声明dataavailable有效。endofpacket没有固定的含义，需要通信双方事先约定，可以表示一帧结束，或者通知master某个事件发生。  

4． Nios II软件设计  

Nios II系统软件主要实现蓝牙数字语音数据和以太网帧的转换。软件运行在FPGA芯片内的Nios II处理器上，编程可使用汇编语言和C/C++语言，程序基于嵌入式Lightweight TCP/IP协议栈和实时操作系统?C/OS-II[4]，它们都集成在Nios II IDE开发环境里。图3描述了Nios II软件的数据流。  

  
数据输入输出任务调用DMA控制器，与底层的硬件驱动交互。管理任务和以太网通信任务各自拥有一个消息队列，前者分析处理数据帧中的控制信息，后者建立SOCKET连接并收发数据。DHCP任务自动获取IP地址，如果超时而没有得到响应，则分配事先定义的IP地址，无论是哪种方式，此任务都仅运行一次，最终释放某一信号量，使其它任务不被阻塞，然后删除自己。  

由于蓝牙模块数目较多，数据吞吐量较大，因此为每一个蓝牙模块分别设置接收／发送缓冲区来暂存数据。每个缓冲区大小4K，依次为接收缓冲区RXBUF0～RXBUFx和发送缓冲区TXBUF0～TXBUFx。为了提高系统性能，采用DMA控制器将数据从IIS接收器接收数据，暂存在接收缓冲区中；同理，将以太网数据从发送缓冲区传输到IIS发送器也是由DMA控制器完成，这样大大减轻了CPU的负担，使其专注于以太网传输。  

5． 实际测试及结论  

IIS IP核使用Verilog语言描述，在Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP1C20F400C8硬件平台实现，表1列出了EP1C20F400C8的基本参数，表2列出了IP核综合结果。  

  
本文介绍的基于SOPC的蓝牙－以太网语音网关具有如下特点：  

1) 系统具有很强的灵活性。这是本文设计的语音网关的最大特点，根据网关最大语音通道个数配置IIS控制器模块。由于微处理器采用Altera公司的Nios II，能够灵活调配系统资源，并且克服了采用其它处理器中存在的接口速率瓶颈问题，适应实时语音处理的要求；  
2) 系统具有很高的集成度。由于Nios II具有丰富的接口资源，而?C/OS-II具有很高可裁剪性，Lightweight TCP/IP协议栈体积非常小，可以实现系统的集成化；  
3) 系统具有很强的实时性。在设计硬件和软件时都充分考虑了系统的实时性。硬件采用IIS控制器和DMA控制器完成语音数据输入／输出，保证了“硬实时”；操作系统采用?C/OS-II实时操作系统保证了“软实时”。  

本文作者创新点：和传统的蓝牙以太网适配器不同，本文研究如何通过蓝牙语音数据到以太网的协议转换，实现分组语音通信；设计了IIS IP核，根据系统容量要求，即同时可以支持的蓝牙终端数目，配置IIS控制器个数，具有高效灵活的特点。