蓝牙HCI-UART主控制接口的FPGA设计与实现

摘要：蓝牙技术作为一种短距离的无线通信技术,具有巨大的发展潜力,本文意从HCI层进行蓝牙技术的应用开发。本文首先介绍了HCI和UART的结构与原理,在分析和比较HCI三种类型接口USB、RS-232和UART优缺点的基础,提出了一种基于FPGA采用硬件设计HCI-UART的实现方式。本设计在Quartus II 9.0集成设计环境下,采用硬件描述语言Verilog分模块设计完成,设计经过Modelsim 6.4a仿真与验证。

1  引言

        蓝牙(Bluetooth)是世界级著名的计算机和通信领域大公司（爱立信、IBM、INTEL、诺基亚和东芝等） 倡导推出的一种无线通信技术的开放式工业标准，其取自10 世纪丹麦国王哈拉尔德(HaraldBluetooth)的 别名，意在形成一个全球统一的无线通信技术标准[1]。蓝牙技术消除了设备之间的连线，用无线连接取代 传统的电线。蓝牙主要有蓝牙硬件和蓝牙协议组成，蓝牙硬件由模拟部分和数字部分组成。模拟部分指蓝 牙射频发射台，数字部分指主控制器。蓝牙协议采用电路及信息包两种交换方式，主要有射频(RF)、基带 (BB)、链路管理器(LM)、主接控制接口(HCI，Host CONTROL Interface)底层嵌入式驱动程序、HCI 高层软 件驱动程序、逻辑链路控制适配协议(L2CAP)、串口仿真协议(RFCOMM)、业务发现协议(SDP)、电话控制协 议(TCS)构成[2]。

        目前，蓝牙技术应用开发有两种方式：1）单微控制器方式，所有的蓝牙传输协议及用户应用程序都 集成到一个模块中，由一个处理器完成。它不一定需要HCI 层，但其涉及到射频、基带等硬件协议层，开 发方式复杂，开发周期加长，成本代价也高；2）双微控制器方式，底层传输协议一般通过蓝牙硬件模块 实现，模块内部嵌入式的微处理器成为主机控制器，高层传输协议和用户应用程序分别由主机和主控制器 来实现，主机和主机控制器之间通过标准的物理总线接口来连接[3]。由于主机与主控制层在硬件上完全分 离，需通过HCI 层把蓝牙模块和蓝牙主机连接起来。在实际应用中，由于高层协议的复杂性和多样性，采 用这种方式，用户不需要考虑底层就可以实现对通信流程的控制，符合用户实际需求，且开发周期短，可 移植性好，本文的设计也是采用这种方式。

2  系统基本原理

2.1 UART 基本原理

         UART(Universal Asynchronous Receive Transmitter)又称通用型异步接收及发送接口[4］，是一种异 步通信传输方式。其通信协议帧格式包括五个部分：空闲状态(idle，高电平)、起始位(start，低电平)、 5～8 位数据位、奇偶校验位(parity，可选)和停止位(Stop，位数可为1，1.5 和2 位)。这种格式是由起 始位和停止位来实现字符的同步，其中奇偶校验位的有无和数据位的长度由通信双方约定。一帧数据传输完毕后可以继续传输下一帧数据，也可以继续保持为高电平，两帧之间保持高电平，持续时间可以任意长。 本设计规定的通信协议帧格式为：1 位起始位(start，低电平)、8 位数据位（d0～d7）、1 位奇偶校验位(parity) 和1 位停止位(stop，高电平)，如图1 所示。

图1 UART 通信协议帧格式

2.2 HCI 基本原理

2.2.1 HCI 传输层的比较

        HCI 层位于蓝牙高层协议和低层协议之间，其目的是实现主机设备与蓝牙模块之间的互操作，即HCI 是蓝牙主机与主机控制器间软硬件接口。HCI 为蓝牙硬件中基带控制器和链接管理器提供了命令接口，从 而实现对硬件状态注册器和控制寄存器的访问，提供了对蓝牙基带的统一访问模式。 目前，HCI 的传输层主要有三种：USB，RS-232，UART。此外，还有一种PC 卡传输层，其没有定义在 蓝牙标准中，而是在蓝牙SIG 于1999 年8 月发表的蓝牙PC 卡传输层1.0 版白皮书中描述的。蓝牙没有规 定PC 卡传输层实现的具体细节，而是要求制造商提供传输驱动程序，以配合主机上的HCI 驱动程序[5]。不 同传输层对HCI 事件处理没有影响。

（1）USB 传输层在蓝牙硬件上使用USB 硬件接口（该硬件接口有两种嵌入方式：一种是作为USB 加/ 解密芯片，另一种是集成到PC 机主板上）[6]。这一种类编码要求不管使用哪一厂商生产的设备，都能加载 合适的驱动程序栈；同时它还保证了通过控制终端的HCI 指令和USB 指令有所区别。其缺点是软件协议复 杂，软件开销巨大。

（2）RS-232 传输层：通过位于主机和主控制器之间的物理RS-232 接口实现。事件包和数据包通过该 层，但该层并不对它们进行解码。该传输层支持的是主机控制器和不同实体中的主机的通信情况，通信距 离较远，传输层特别规定了电气特性，并采用了更为精细的链路协议以应对较高的线路误码率，但在硬件 上需要增加电平转换电路。

（3）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)；

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。