摘要：藍牙技術(shù)作為一種短距離的無線通信技術(shù),具有巨大的發(fā)展?jié)摿?本文意從HCI層進行藍牙技術(shù)的應用開發(fā)。本文首先介紹了HCI和UART的結(jié)構(gòu)與原理,在分析和比較HCI三種類型接口USB、RS-232和UART優(yōu)缺點的基礎,提出了一種基于FPGA采用硬件設計HCI-UART的實現(xiàn)方式。本設計在Quartus II 9.0集成設計環(huán)境下,采用硬件描述語言Verilog分模塊設計完成,設計經(jīng)過Modelsim 6.4a仿真與驗證。

　　1 引言

　　藍牙(Bluetooth)是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(shù)的開放式工業(yè)標準，其取自10 世紀丹麥國王哈拉爾德(HaraldBluetooth)的 別名，意在形成一個統(tǒng)一的無線通信技術(shù)標準[1]。藍牙技術(shù)消除了設備之間的連線，用無線連接取代 傳統(tǒng)的電線。藍牙主要有藍牙硬件和藍牙協(xié)議組成，藍牙硬件由模擬部分和數(shù)字部分組成。模擬部分指藍 牙射頻發(fā)射臺，數(shù)字部分指主控制器。藍牙協(xié)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(qū)動程序、HCI 高層軟 件驅(qū)動程序、邏輯鏈路控制適配協(xié)議(L2CAP)、串口仿真協(xié)議(RFCOMM)、業(yè)務發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)、電話控制協(xié) 議(TCS)構(gòu)成[2]。

　　目前，藍牙技術(shù)應用開發(fā)有兩種方式：1）單微控制器方式，所有的藍牙傳輸協(xié)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(xié)議層，開 發(fā)方式復雜，開發(fā)周期加長，成本代價也高；2）雙微控制器方式，底層傳輸協(xié)議一般通過藍牙硬件模塊 實現(xiàn)，模塊內(nèi)部嵌入式的微處理器成為主機控制器，高層傳輸協(xié)議和用戶應用程序分別由主機和主控制器 來實現(xiàn)，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(xié)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(xiàn)對通信流程的控制，符合用戶實際需求，且開發(fā)周期短，可 移植性好，本文的設計也是采用這種方式。

　　2 系統(tǒng)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(fā)送接口[4］，是一種異 步通信傳輸方式。其通信協(xié)議幀格式包括五個部分：空閑狀態(tài)(idle，高電平)、起始位(start，低電平)、 5～8 位數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位(parity，可選)和停止位(Stop，位數(shù)可為1，1.5 和2 位)。這種格式是由起 始位和停止位來實現(xiàn)字符的同步，其中奇偶校驗位的有無和數(shù)據(jù)位的長度由通信雙方約定。一幀數(shù)據(jù)傳輸完畢后可以繼續(xù)傳輸下一幀數(shù)據(jù)，也可以繼續(xù)保持為高電平，兩幀之間保持高電平，持續(xù)時間可以任意長。 本設計規(guī)定的通信協(xié)議幀格式為：1 位起始位(start，低電平)、8 位數(shù)據(jù)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(xié)議幀格式

　　2.2 HCI 基本原理

　　2.2.1 HCI 傳輸層的比較

　　HCI 層位于藍牙高層協(xié)議和低層協(xié)議之間，其目的是實現(xiàn)主機設備與藍牙模塊之間的互操作，即HCI 是藍牙主機與主機控制器間軟硬件接口。HCI 為藍牙硬件中基帶控制器和鏈接管理器提供了命令接口，從 而實現(xiàn)對硬件狀態(tài)注冊器和控制寄存器的訪問，提供了對藍牙基帶的統(tǒng)一訪問模式。 目前，HCI 的傳輸層主要有三種：USB，RS-232，UART。此外，還有一種PC 卡傳輸層，其沒有定義在 藍牙標準中，而是在藍牙SIG 于1999 年8 月發(fā)表的藍牙PC 卡傳輸層1.0 版白皮書中描述的。藍牙沒有規(guī) 定PC 卡傳輸層實現(xiàn)的具體細節(jié)，而是要求制造商提供傳輸驅(qū)動程序，以配合主機上的HCI 驅(qū)動程序[5]。不 同傳輸層對HCI 事件處理沒有影響。

　?。?）USB 傳輸層在藍牙硬件上使用USB 硬件接口（該硬件接口有兩種嵌入方式：一種是作為USB 加/ 解密芯片，另一種是集成到PC 機主板上）[6]。這一種類編碼要求不管使用哪一廠商生產(chǎn)的設備，都能加載 合適的驅(qū)動程序棧；同時它還保證了通過控制終端的HCI 指令和USB 指令有所區(qū)別。其缺點是軟件協(xié)議復 雜，軟件開銷巨大。

　?。?）RS-232 傳輸層：通過位于主機和主控制器之間的物理RS-232 接口實現(xiàn)。事件包和數(shù)據(jù)包通過該 層，但該層并不對它們進行解碼。該傳輸層支持的是主機控制器和不同實體中的主機的通信情況，通信距 離較遠，傳輸層特別規(guī)定了電氣特性，并采用了更為精細的鏈路協(xié)議以應對較高的線路誤碼率，但在硬件 上需要增加電平轉(zhuǎn)換電路。

　?。?）UART 傳輸層跟RS-232 傳輸層類似，也是采用一個UART 的串行通信方式在主控制器與主機之間 進行數(shù)據(jù)傳輸。應用環(huán)境主要是針對主控制器和主機位于同一個電路板上，傳輸層假定UART 通信無線性 錯誤。與其它的相比，UART 傳輸層方式比較靈活，其應用環(huán)境決定其連接錯誤相對較少，可以采用簡單的 復位恢復機制實現(xiàn)失步時的復步。由于主機和主控制器都處于同一塊電路板上，因而傳輸層不需要規(guī)定電 氣信號，可以直接采用TTL、LV－CMOS 等IC 端電壓，應用較多。同時，UART 傳輸層避開了RS-232 傳輸層 所要求的較繁瑣的協(xié)商和同步機制。UART 性能和數(shù)據(jù)吞吐率水平與USB 接口相當，而傳輸協(xié)議卻較為簡單， 減少了軟件開銷，是一種更為經(jīng)濟高效的全硬件解決方案。

　　2.2.2 HCI 分組

　　兩個藍牙設備間進行數(shù)據(jù)通信是通過HCI 分組實現(xiàn)的，HCI 是通過分組的方式來進行信息交換的。HCI 分組有三種類型:指令分組(Command Packet)、事件分組(Event Packet)和數(shù)據(jù)分組(Data Packet)[7]。

　?。?）指令分組

　　只從主機發(fā)向主機控制器，分為鏈路控制指令、鏈路策略指令、主機控制指令與基帶指令、信息參數(shù) 指令、狀態(tài)參數(shù)指令和測試指令。HCI 指令分組由操作碼(OpCode)、參數(shù)總長(Parameter Total Length) 和參數(shù)列表(Parameters)三部分組成[8]。

　?。?）事件分組

　　只從主機控制器發(fā)向主機，用以說明指令分組的執(zhí)行情況，是主機控制器向主機各種事件的分組。 包括通用事件(包括指令完成事件和指令狀態(tài)事件)、測試事件、出錯事件三種。

　　（3）數(shù)據(jù)分組

　　它是在主機和主機控制器間雙向傳輸，一般分為ACL(Asynchronization Connectionless)數(shù)據(jù)分組和 SCO (Synchronization Connection Oriented)數(shù)據(jù)分組兩種[9]。二者之間的區(qū)別在于：ACL 鏈路支持對稱和非對稱傳輸，分組交換和多點連接，適用于傳送數(shù)據(jù)；SCO 鏈路支持對稱傳輸,電路交換和點到點連接， 適用于傳輸語音。

　　3 HCI-UART 的FPGA 設計

　　主機與藍牙模塊之間使用指令——應答的方式進行通信，主機向主機控制器發(fā)送指令分組，主機控制 器執(zhí)行某一指令后，大多數(shù)情況下會返回給主機一個指令完成事件分組，該分組攜帶有指令完成的信息。 如果指令分組參數(shù)有誤，返回的指令狀態(tài)事件分組就會給出相應的錯誤代碼。主機與主機控制器間的數(shù)據(jù) 交換則通過數(shù)據(jù)分組實現(xiàn)。主控制器系統(tǒng)原理框圖如圖2 所示。

　　3.1 UART 的設計

　　UART 的設計主要包括三個部分：發(fā)送器、接收器和波特率發(fā)生器，設計采用分模塊完成[10]。 （1）波特率發(fā)生器：UART 的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送是通過對波特率的設置進行實現(xiàn)的。波特率發(fā)生器采 用分頻器實現(xiàn)，分頻得到一個頻率為波特率16 倍的波特率時鐘clk_baud，分頻數(shù)N 計算公式如（1）所示， 其中clk_sys 表示系統(tǒng)時鐘，baudrate 為UART 的波特率。

　?。?）發(fā)送器模塊：檢測到發(fā)送信號時，裝載數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生奇偶校驗位，按通信協(xié)議幀的格式 的要求依次發(fā)送起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位，并產(chǎn)生各種控制信號。整個發(fā)送過程采用有限狀 態(tài)機實現(xiàn)，分成五個狀態(tài)（空閑idle，發(fā)送起始位send_start，發(fā)送數(shù)據(jù)send_data，發(fā)送奇偶校驗位 send_parity，發(fā)送停止位send_stop），具體過程如圖3 所示。

　　圖3 發(fā)送器狀態(tài)圖

　?。?）接收器模塊：當檢測到接收信號線rxd 上有電平變化時[10]，即通過檢測協(xié)議幀的格式接收數(shù)據(jù)， 如果格式正確則將數(shù)據(jù)存儲起來，否則放棄本次數(shù)據(jù)，同時產(chǎn)生錯誤標志信號。設計實現(xiàn)采用有限狀態(tài)機， 為了保證數(shù)據(jù)接收的正確性，數(shù)據(jù)采集都在時鐘中間時刻完成。接收過程分為五個狀態(tài)（空閑idle，起始 位檢測start_check，接收數(shù)據(jù)rec_data，奇偶校驗位檢測parity_check，停止位檢測stop_check），接 收過程如圖4 所示。

　　圖4 UART 接收器狀態(tài)圖

　　3.2 HCI 的設計

　　藍牙HCI 分組在串行連接傳輸層的成幀是簡單地加一個標識頭（用16 進制表示）：01H 表示指令分組， 02H 表示ACL 數(shù)據(jù)分組，03H 表示SCO 數(shù)據(jù)分組，04HH 表示事件分組。根據(jù)HCI 的基本工作原理與HCI 分組的特點，HCI 的實現(xiàn)主要有四個功能模塊組成，包括HCI 命令處理模塊（command_handle），HCI 事 件處理模塊(event_handle)，HCI 數(shù)據(jù)處理模塊(data_handle)，收發(fā)控制模塊(rec_tra_controller)。其組成框圖 如圖5 所示：

　　圖5 HCI 控制器的組成

　　HCI 接口通信過程包括如下幾個部分：

　　1）藍牙系統(tǒng)初始化（initial）；

　　2）系統(tǒng)準備好后，進入查詢狀況（inquiry）；

　　3）建立數(shù)據(jù)連接（creat_connection）；

　　4）數(shù)據(jù)傳輸(transmit)；

　　5）斷開連接(disconnect)；

　　首先，藍牙主從設備進行初始化；接著藍牙的主設備在范圍內(nèi)用Inquiry 命令分組查找其他的藍牙設 備。然后，主設備會收到對應的藍牙從設備的應答信息,其包括有事件分組包和從機地址包。之后，藍牙 主設備向從設備發(fā)送Create_Connection 的命令分組，然后，主設備會收到一個連接完成的事件分組 Connection_Complete，表示兩機之間已經(jīng)建立了連接。這樣，兩個藍牙設備之間就可以進行數(shù)據(jù)的通信， 即建立連接。當數(shù)據(jù)傳輸完成后，斷開主從設備之間的連接，系統(tǒng)重新復位，一個數(shù)據(jù)傳輸過程就結(jié)束了。

　　4 仿真與驗證

　　本設計采用分模塊設計，在 Quartus II 9.0 下完成設計和綜合，且經(jīng)過Modelsim*a 的仿真驗證。 同時在搭建的硬件通信測試平臺下測試過，證明該設計確實可行。 5 5 結(jié)束語

　　HCI 是實現(xiàn)藍牙協(xié)議棧時必須實現(xiàn)的一個部分。它是藍牙上層協(xié)議控制底層硬件的接口，首先要根據(jù) 具體應用的需要選擇合適的傳輸層，并盡可能的為上層協(xié)議提供友好的API，在硬件實現(xiàn)中，UART 傳輸層具有其他傳輸層無法比擬的優(yōu)點。

　　本文創(chuàng)新在于從工程實際開發(fā)角度出發(fā)，提出了一種基于FPGA 的藍牙HCI-UART 全硬件實現(xiàn)方式，縮 短了開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，具有一定的工程參考價值。