HCI和UART的結構與原理概述及計HCI-UART的設計實現方法

藍牙技術作為一種短距離的無線通信技術,具有巨大的發(fā)展?jié)摿?本文意從HCI層進行藍牙技術的應用開發(fā)。本文首先介紹了HCI和UART的結構與原理,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,設計經過Modelsim 6.4a仿真與驗證。

1 ?引言

藍牙(Bluetooth)是世界級著名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，意在形成一個全球統(tǒng)一的無線通信技術標準[1]。藍牙技術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議組成，藍牙硬件由模擬部分和數字部分組成。模擬部分指藍 牙射頻發(fā)射臺，數字部分指主控制器。藍牙協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)底層嵌入式驅動程序、HCI 高層軟 件驅動程序、邏輯鏈路控制適配協議(L2CAP)、串口仿真協議(RFCOMM)、業(yè)務發(fā)現協議(SDP)、電話控制協 議(TCS)構成[2]。

目前，藍牙技術應用開發(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，底層傳輸協議一般通過藍牙硬件模塊 實現，模塊內部嵌入式的微處理器成為主機控制器，高層傳輸協議和用戶應用程序分別由主機和主控制器 來實現，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 位數據位、奇偶校驗位(parity，可選)和停止位(Stop，位數可為1，1.5 和2 位)。這種格式是由起 始位和停止位來實現字符的同步，其中奇偶校驗位的有無和數據位的長度由通信雙方約定。一幀數據傳輸完畢后可以繼續(xù)傳輸下一幀數據，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)定的通信協議幀格式為：1 位起始位(start，低電平)、8 位數據位（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。

2.2 HCI 基本原理

2.2.1 HCI 傳輸層的比較

HCI 層位于藍牙高層協議和低層協議之間，其目的是實現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 卡傳輸層實現的具體細節(jié)，而是要求制造商提供傳輸驅動程序，以配合主機上的HCI 驅動程序[5]。不 同傳輸層對HCI 事件處理沒有影響。

（1）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的設備，都能加載 合適的驅動程序棧；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。其缺點是軟件協議復 雜，軟件開銷巨大。

（2）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。事件包和數據包通過該 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議以應對較高的線路誤碼率，但在硬件 上需要增加電平轉換電路。

（3）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 進行數據傳輸。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商和同步機制。UART 性能和數據吞吐率水平與USB 接口相當，而傳輸協議卻較為簡單， 減少了軟件開銷，是一種更為經濟高效的全硬件解決方案。