【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 嵌可配置的高速RAM、PLL、LVDS、LVTTL以及硬件乘法累加器等DSP模塊，用FPGA模塊可以很好的解決并行和順序性的矛盾。本系統(tǒng)采用EP1C6Q240C8。這是一種有240個(gè)引腳[13]。 FPGA基本內(nèi)部構(gòu)造及功能分析FPGA是可編程邏輯器件，屬于特殊ASIC芯片的一類，是在PAL、 GAL等可編程邏輯器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同以往的PAL、GAL等相比較:FPGA的規(guī)模比較大，適合于時(shí)序、組合邏輯等電路應(yīng)用場(chǎng)合，可以替代幾十塊甚至上百塊通用分立IC芯片，盡管FPGA以及其它類型的PLD器件的結(jié)構(gòu)各有其特點(diǎn)和用處，但是概括起來它都是由兩大部分組成的: 1. 一個(gè)二維的邏輯塊陣列2．輸入/輸出塊連接邏輯塊的互聯(lián)資源，連線資源由各種長(zhǎng)度的線段組成，也包括用于連接邏輯塊之間，邏輯塊與輸入輸出部分的可編程連接開關(guān)。圖51FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)同樣，還有一個(gè)時(shí)鐘電路用于驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)到每一個(gè)邏輯模塊中的每一個(gè)觸發(fā)器。另外，還可能有額外的邏輯資源，像ALU、存儲(chǔ)器和譯碼器[14]。 可編程邏輯塊陣列可配置邏輯模塊（CLB）包含了FPGA的可編程邏輯。典型的CLB，它包含了用于任意組合邏輯函數(shù)的RAM；還包含了用于鐘控存儲(chǔ)單元的觸發(fā)器和多路選擇器，這樣就便于在模塊中為邏輯電路布線以及模塊內(nèi)部的邏輯電路與外部資源之間的布線連接。這些多路選擇器還允許極性的選擇、復(fù)位輸入和清除輸入選擇。注意，邏輯輸出不需要通過觸發(fā)器。設(shè)計(jì)者可以利用一個(gè)CLB產(chǎn)生簡(jiǎn)單的組合邏輯。正因?yàn)槿绱?，多個(gè)CLB能夠，而且經(jīng)常被連接在一起，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的布爾邏輯。FPGA的這種優(yōu)于CPLD的優(yōu)點(diǎn)，意味著設(shè)計(jì)者能夠用幾個(gè)CLB串聯(lián)在一起來實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯。不幸的是，在一個(gè)FPGA中傳遞時(shí)是全部延時(shí)的總量。因此這個(gè)優(yōu)點(diǎn)也導(dǎo)致了所做的設(shè)計(jì)在速度方面的全面下降[15]。 可編程輸入/輸出塊可配置I/O模塊適用于將信號(hào)傳送到芯片上，然后再將信號(hào)傳出芯片。輸出緩沖器B1有可編程的控制器，它們可以是緩沖器成為三態(tài)或集電極開路狀態(tài)，并且可控制緩沖器的輸出擺率。這些控制端允許FPGA輸出到大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS器件。輸入緩沖器B2能夠被編程為不同的輸出閾值電壓。典型的閾值電壓為TTL或CMOS電平，以便于和TTL或CMOS器件相接口。在每一個(gè)引腳上的輸入和輸出緩沖器的組合以 及它們的可編程性，意味著每一個(gè)I/O模塊都可以被用于一個(gè)輸入信號(hào)、一個(gè)輸出信號(hào)或者一個(gè)雙向信號(hào)[16]。 互連資源FPGA的互連電路與CPLD的完全不同，但它卻非常類似于一個(gè)門陣列ASIC的互連電路。圖52示出了互連資源的可配置邏輯模塊（CLB）結(jié)構(gòu)。每一個(gè)CLB都被連接到與它緊挨著的其他CLB上，如圖中左上角所示CLB。這些連線有時(shí)被稱作短線（注意，為簡(jiǎn)單起見，圖中只畫出了左上角CLB的連線，實(shí)際上，所有四個(gè)CLB都有連線分別與最靠近它們的其他CLB相連。這些連線使得那些因過于復(fù)雜而無法裝入某個(gè)單一CLB的邏輯能夠被分開裝入多個(gè)CLB）[16]。圖52互連資源其他的路徑資源由經(jīng)緯連線所組成。這些連線在到達(dá)開關(guān)矩陣之前經(jīng)過許多CLB。這些開關(guān)矩陣允許信號(hào)從一個(gè)開關(guān)矩陣傳遞到另一個(gè)開關(guān)矩陣，再傳遞到下一個(gè)開關(guān)矩陣，最后連接到CLB。這些CLB可能彼此相互關(guān)聯(lián)，但又互相原理。這種傳遞新好方法的缺點(diǎn)是每一條通過某個(gè)開關(guān)矩陣的路徑都會(huì)導(dǎo)致一個(gè)顯著的延時(shí)。經(jīng)常的情況是，為了通過芯片傳遞信號(hào)，路徑的延時(shí)變得比邏輯門的延時(shí)還要大。第三種類型的路徑資源是長(zhǎng)線，設(shè)計(jì)者可以用它去連接某些條件苛刻的CLB，即這些CLB在芯片上的物理位置彼此相連“甚遠(yuǎn)”，而它們之間的連接又不會(huì)產(chǎn)生太大的延時(shí)。這些長(zhǎng)線通常是從一個(gè)CLB模塊的末端一直通向另一個(gè)CLB模塊，而中間并不與某個(gè)開關(guān)矩陣相連。對(duì)于條件苛刻的路徑邏輯，長(zhǎng)線確保不會(huì)產(chǎn)生顯著的延時(shí)。長(zhǎng)線還可以在芯片當(dāng)中被用作總線[16]。第6章 藍(lán)牙模塊 藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙（Bluetooth）是無線數(shù)據(jù)和語音傳輸?shù)拈_發(fā)式標(biāo)準(zhǔn)，它將各種通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其終端設(shè)備、各種數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)系統(tǒng)、甚至家用電器采用無線方式聯(lián)接起來。它的傳輸距離為10cm10m，如果增加功率或是加上某些外設(shè)便可達(dá)到100m的傳輸距離。它工作于無需許可證的工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)學(xué)頻段（ISM），采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)（FHSS），使用權(quán)向糾錯(cuò)編碼、ARQ，TDD和基帶協(xié)議。，基帶符合速率為1Mb/s。藍(lán)牙支持64kb/s實(shí)時(shí)語音傳輸和數(shù)據(jù)傳輸，語音編碼為CVSD，發(fā)射功率分別為1mw,，并使用全球統(tǒng)一的48比特的設(shè)備識(shí)別碼。由于藍(lán)牙采用無線接口來代替有線電纜連接，具有很強(qiáng)的移植性，并且適用于多種場(chǎng)合，加上該技術(shù)功耗低、對(duì)人體危害小，而且應(yīng)用簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，所以易于推廣[17]。 藍(lán)牙優(yōu)缺點(diǎn)與其他工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，減少了射頻干擾，這使藍(lán)牙技術(shù)比其他系統(tǒng)更穩(wěn)定。藍(lán)牙協(xié)議提供較高的傳輸速率和多種上層應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，與其他無線通信技術(shù)相比，具有低功耗、廉價(jià)等特點(diǎn)。因此，藍(lán)牙被認(rèn)為是最適合構(gòu)建小型數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)之一。藍(lán)牙跳頻技術(shù)可以使多個(gè)微網(wǎng)在近距離內(nèi)同時(shí)存在。在構(gòu)造個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)。，說明它們之間互有優(yōu)劣：1. ，而藍(lán)牙只有1Mbps。但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，藍(lán)牙能增加網(wǎng)絡(luò)整體容量2. 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加，藍(lán)牙的能耗效率能保持不變。相反的是，因節(jié)點(diǎn)增加導(dǎo)致的沖突增大，會(huì)浪費(fèi)能量3. 如果系統(tǒng)之間整體平均吞吐率可以比較的話。這是因?yàn)樵谳^大流量情況下的MAC層和TCP流控機(jī)制的交互作用所致。而在相同情況下，藍(lán)牙中的TCP連接的容量卻能相當(dāng)公平的公布4. ，如語音連接總之，藍(lán)牙自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？梢院艽?，能很好的抗擊節(jié)點(diǎn)間的干擾，有更好的能耗效率，節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用在延遲和吞吐率上能達(dá)到穩(wěn)定持久的性能，實(shí)現(xiàn)如語音和低速數(shù)據(jù)等交互服務(wù)。在構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)藍(lán)牙具有更好的抗干擾性，具有較好的應(yīng)用前景[17]。 藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的目的是使符合該規(guī)范的各種應(yīng)用之間能夠?qū)崿F(xiàn)互操作?；ゲ僮鞯倪h(yuǎn)端設(shè)備需要使用相同的協(xié)議棧，不同的應(yīng)用需要不同的協(xié)議棧。但是，所有的應(yīng)用都要使用藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。完整的藍(lán)牙協(xié)議棧如圖61所示，不是任何應(yīng)用都必須使用關(guān)不協(xié)議，而是可以只使用其中的一列或多列。圖61顯示了所有協(xié)議之間的相互關(guān)系，但這種關(guān)系在某些應(yīng)用中是有變化的完整的協(xié)議棧包括藍(lán)牙專用協(xié)議已經(jīng)非專用協(xié)議。設(shè)計(jì)協(xié)議和協(xié)議棧的主要原則是盡可能利用現(xiàn)有的各種高層協(xié)議，保證現(xiàn)有協(xié)議與藍(lán)牙技術(shù)的融合以及各種應(yīng)用之間的互操作，充分利用兼容藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的軟硬件系統(tǒng)。藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的開發(fā)性保證了設(shè)備制造商可以自由的選用其專用協(xié)議或習(xí)慣使用的公共協(xié)議，在藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上開發(fā)新的應(yīng)用[16]。1. 核心協(xié)議：BaseBand、LMP、L2CAP、SDP2. 電纜替代協(xié)議：RFCOMM3. 電話傳送控制協(xié)議：TCSBinary、AT命令集4. 選用協(xié)議：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCard、vCal、WAE除上述協(xié)議層外，規(guī)范還定義了主機(jī)控制器接口（HCI），它為基帶控制器、連接管理器、硬件狀態(tài)和控制寄存器提供命令接口。在圖61中，HCI位于L2CAP的下層，但HCI也可位于L2CAP上層。藍(lán)牙核心協(xié)議由SIG制定的藍(lán)牙專用協(xié)議組成。絕大部分藍(lán)牙設(shè)備都需要核心協(xié)議，而其他協(xié)議則根據(jù)應(yīng)用的需要而定。總之，電纜替代協(xié)議、電話控制協(xié)議和被采用的協(xié)議在核心協(xié)議基礎(chǔ)上構(gòu)成了面向應(yīng)用的協(xié)議[18]。圖61 藍(lán)牙協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu) 藍(lán)牙芯片 我們選擇ROK 101 007芯片與電腦相連接，它是一款適合于短距離通信的無線/基帶模塊，該藍(lán)牙模塊集成度高，功耗小，可嵌入任何需要藍(lán)牙功能的設(shè)備中。該模塊包括基帶控制器，無線收發(fā)器，閃存等部件，可提供髙至HCI（主機(jī)控制接口）層得功能。此外，該模塊還提供USB/UART和PCM接口，因而能方便的與主機(jī)（host）進(jìn)行通信，另外，該模塊還同時(shí)支持藍(lán)牙語音和數(shù)據(jù)傳輸，且其輸出功率能滿足藍(lán)牙2級(jí)操作的要求[18]。 藍(lán)牙芯片內(nèi)部模塊1. 無線收發(fā)器無線收發(fā)和信號(hào)調(diào)制功能是通過PBA31301/2完成的。~。其最大TXamp。RX數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbit/s，可以最大限度的利用無需認(rèn)證的ISM頻段，可在79個(gè)信道（~）之間快速的跳頻（1600個(gè)信道/秒），使用GFSK調(diào)制方式，通道帶寬為1MHz,頻率偏差在140kHz~175kHz之間，能滿足藍(lán)牙二級(jí)操作，其最大輸出功率為4dBm，且不需要功率控制。安裝天線之后，其傳輸距離可達(dá)10米，符合ISM頻段的FCC和ETSI標(biāo)準(zhǔn)。該模式中的PBA31301/2以Radio ASIC為基礎(chǔ)，且內(nèi)含環(huán)路濾波器（Loop Filter）、壓控振蕩器（VCO）、天線過濾器（Antenna Filter）、RX和TX變換器等六個(gè)操作模塊。利用Radio ASIC可完成信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)；而在環(huán)路濾波器（Loop Filter）、壓控振蕩器（VCO）和Radio ASIC構(gòu)成的鎖相環(huán)中，可以濾除Radio ASIC輸出中誤差電壓的高頻成分和噪聲，從而保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性；交換控制器（Switch）的作用是協(xié)調(diào)接收器（RX）和發(fā)送器（TX）的工作，以保證藍(lán)牙的全雙工傳輸。天線濾波器（Antenna Filter）的作用是對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行帶通濾波。2. 基帶控制器通常使用一個(gè)基于ARM7Thumb的芯片并通過串行口（UART）或（USB）接口來控制無線收發(fā)器。基帶則負(fù)責(zé)處理底層的鏈路層功能。其功能包括：(1)CVSD語音編碼。(2)頭錯(cuò)誤校驗(yàn)（HEC）生成及校驗(yàn)。(3)前向糾錯(cuò)（FEC）生成及校驗(yàn)。(4)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）生成及校驗(yàn)。(5)數(shù)據(jù)擾碼。(6)有效數(shù)據(jù)加密和解密。(7)跳頻序列的選擇。3. 閃存ROK 101 007中的閃存以二進(jìn)制碼得格式存放在藍(lán)牙固件（Firmware）之中，它可以與基帶控制器交換數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)。藍(lán)牙固件包括鏈路管理器（Link Manager）和主機(jī)控制接口（HCI）。4. 時(shí)鐘和電源模塊ROK 101 007 模塊的內(nèi)置時(shí)鐘頻率為13MHz。該時(shí)鐘應(yīng)由一個(gè)晶體振蕩器產(chǎn)生，以保證定時(shí)的精確度在20ppm之內(nèi)。另外，ROK 101 [19]。 藍(lán)牙芯片接口和主要管腳介紹ROK 101 007與主機(jī)或其他設(shè)備互聯(lián)時(shí)，有USB、UART、和PCM語音接口等三種方式。1. USB接口ROK 101 ，通過雙向端口D+和D的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到12Mbps。當(dāng)使用USB接口與主機(jī)通信時(shí)，ROK 101 007是一個(gè)USB從設(shè)備（slave）。與該接口有關(guān)的管腳有：(1)D+（B1），D（B2）:用于數(shù)據(jù)傳輸。(2)Wake_up（B4），Detach（C1）：專用于與筆記本電腦的互聯(lián)。2. UART接口ROK 101 007的UART接口標(biāo)準(zhǔn)符合工業(yè)規(guī)范16C450，它支持的波速率有(單位：bits/s)：300,600,900,1200,1800,2400,4800，9600,19200,38400,57600,115200,230400和460800。該接口中還有128字節(jié)的先入先出（FIFO）緩沖器。與該接口有關(guān)的有四個(gè)管腳，具體如下：(1)TxD(B5),RxD(A5):用于收發(fā)數(shù)據(jù)。(2)RTS(A6),CTS(B6):用于數(shù)據(jù)流控制。3. PCM語音接口標(biāo)準(zhǔn)的PCM語音接口的采樣速率為8kHz。語音編碼可采用CVSD（連續(xù)可變斜率增量調(diào)制）、u律（8bit）或A律（8bit）三種調(diào)制方式。考慮到編碼的健壯性，應(yīng)首先選擇CVSD。與PCM語音接口有關(guān)的管腳信號(hào)有：(1)PCM_SYNC(A3)：用于設(shè)置PCM數(shù)據(jù)的采樣速率。(2)PCM_OUT(A2),PCM_IN(A1):接收或發(fā)送語音編碼信號(hào) [1214]。 藍(lán)牙芯片操作1. 芯片復(fù)位Reset該命令用于復(fù)位藍(lán)牙主控制器、鏈路管理器和無線設(shè)備。在復(fù)位完成后，藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)入待機(jī)模式。該命令完成后，主機(jī)將收到指令完成事件，如果參數(shù)Status=0x00,說明復(fù)位命令成功。另外，主機(jī)還需要設(shè)置藍(lán)牙主控制器的一些參數(shù)，所用到的HCI命令如下：(1)Read_Buffer_Size：該命令用來讀出從主機(jī)到主控制器發(fā)送HCI、 ACI 和SCO數(shù)據(jù)分組的數(shù)據(jù)部分的最大值。(2)Set_Event_Filter：該命令用來通過主機(jī)指定不同的事件過濾器，以便使主控制器只發(fā)送與主機(jī)有關(guān)的事件。(3)Write_Scan_Enable：（只用于從設(shè)備）該命令通過設(shè)置參數(shù)Scan Enable,可將藍(lán)牙設(shè)備置于查詢掃描或呼叫掃描模式。(4)Write_Voice_Setting：用于寫入語音連接的各種參數(shù)設(shè)置值。(5)Write_Authentication_Enable：用于寫入Write Authentication的參數(shù)值，該參數(shù)可用于控制是否有本地設(shè)備在建立連接時(shí)鑒權(quán)遠(yuǎn)程設(shè)備。2. 查詢?cè)O(shè)備（Inquiry）該指令可使藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)入查詢模式，以用于搜索鄰近的藍(lán)牙設(shè)備。每個(gè)應(yīng)答查詢消息的藍(lán)牙設(shè)備都返回一個(gè)查詢結(jié)果事件，以報(bào)告該設(shè)備的藍(lán)牙地址（BD_ADDR）、呼叫掃描模式（Page_Scan_Mode）等參數(shù)。查詢結(jié)束后，主控制器將發(fā)送查詢完成事件（Inquiry_Complete_Event）信號(hào)，事件中的狀態(tài)參數(shù)可用于表示查詢是否成功。3. 建立ACL（異步不鏈接）鏈路（Create_Connection）該指令可使發(fā)起鏈接設(shè)備的鏈路管理器創(chuàng)建與指令參數(shù)BD_ADDR指定的藍(lán)牙設(shè)備之間的相互鏈接。發(fā)起鏈接的設(shè)備開始呼叫進(jìn)程，以建立與處于呼叫掃描模式的其他藍(lán)牙設(shè)備的鏈接。當(dāng)LM確定鏈接已經(jīng)建立起來時(shí)，建立鏈接的兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備的主控制器將分別向各自的主角發(fā)送鏈接完成事件指令（Connecton_Complete_Event）。如果該指令執(zhí)行成功，鏈接完