基于有限狀態(tài)機的藍(lán)牙控制器設(shè)計在EDA教學(xué)中的應(yīng)用

喬麗萍　王聰華　李淑萍　趙亞妮　劉靜　郭曉軍

【摘要】提出了一種藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)流控制器的VLSI設(shè)計方法。該方法基于有限狀態(tài)機理論，生成和解析藍(lán)牙基帶所要處理的數(shù)據(jù)，完成控制器的邏輯架構(gòu)，此案例可完整體現(xiàn)有限狀態(tài)機的原理與應(yīng)用。實踐證明，該教學(xué)案例能加深電子工程專業(yè)學(xué)生對于時序邏輯電路模塊的理解和認(rèn)識，有效提高學(xué)生應(yīng)用EDA技術(shù)設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的興趣和能力。

【關(guān)鍵詞】基帶控制器；EDA；有限狀態(tài)機

1 引言

在集成電路的設(shè)計過程中，狀態(tài)機是最典型、應(yīng)用最廣泛的電路模塊，在運行速度的高效、執(zhí)行時間的確定性和高可靠性方面都顯現(xiàn)出強大的優(yōu)勢[1]。

有限狀態(tài)機是根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)以及觸發(fā)條件進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的一種機制，包含一組狀態(tài)集、一個起始狀態(tài)、一組輸入符號集、一個映射輸入符號和當(dāng)前狀態(tài)到下一狀態(tài)的輸換函數(shù)的計算模型[2，3]。本文基于有限狀態(tài)機理論，以藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)流控制器作為EDA課程的設(shè)計實例，完整呈現(xiàn)有限狀態(tài)機的工程應(yīng)用。實踐證明，該課程設(shè)計具有綜合性、實用性，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)EDA課程的興趣。通過選用與信息產(chǎn)品聯(lián)系的課題，軟硬件結(jié)合，使學(xué)生了解設(shè)計電子系統(tǒng)的過程，為提高學(xué)生的電子系統(tǒng)設(shè)計能力奠定基礎(chǔ)。

2 藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)流控制器有限狀態(tài)機設(shè)計

作為一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，藍(lán)牙技術(shù)是目前使用較為廣泛的一種短距離無線通信技術(shù)，它以低成本的短距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定的或移動的終端設(shè)備提供廉價的連接服務(wù)[4～5]。選取藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)流控制器模塊開發(fā)作為課題設(shè)計，學(xué)生將所學(xué)有限狀態(tài)機理論應(yīng)用于實際產(chǎn)品的通用模塊開發(fā)之中，與當(dāng)前信息技術(shù)同步，有助于提高學(xué)生的就業(yè)競爭力。

藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)流控制器根據(jù)藍(lán)牙基帶處于的工作信息來對數(shù)據(jù)進行幀包裝。為了滿足生成和解析藍(lán)牙基帶所要處理的數(shù)據(jù)分組，將組成藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)分組的每個部分當(dāng)做一個狀態(tài)，控制后面的功能實現(xiàn)模塊去完成，從而實現(xiàn)藍(lán)牙基帶生成和解析各種數(shù)據(jù)分組的功能，達到基帶數(shù)據(jù)處理的目的?？刂扑{(lán)牙基帶數(shù)據(jù)流處理的狀態(tài)遷移圖如圖1所示。

初始情況下，狀態(tài)機處于IDLE狀態(tài)；當(dāng)藍(lán)牙基帶處于發(fā)送狀態(tài)時，狀態(tài)機從IDLE進入輸出TX狀態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)分組選擇跳轉(zhuǎn)相應(yīng)的狀態(tài)。flag標(biāo)識為高時狀態(tài)機保持TX狀態(tài)。發(fā)送過程結(jié)束，狀態(tài)機從TX跳到IDLE，再進入輸入RX狀態(tài)，同時清空flag標(biāo)識位。對ID數(shù)據(jù)分組的發(fā)送由發(fā)送使能控制，發(fā)送完成ID數(shù)據(jù)分組后，保持TX狀態(tài)。接收過程是輸出過程的逆過程。

在教學(xué)實踐中，EDA課程作為語言類設(shè)計課程，學(xué)生要對提取的藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)流狀態(tài)機應(yīng)用可綜合的Verilog語言編碼實現(xiàn)，并使用Modelsim仿真驗證狀態(tài)機功能.

3 FPGA硬件驗證

為了使學(xué)生完整地掌握數(shù)字電路與系統(tǒng)的EDA設(shè)計流程。該教學(xué)案例通過FPGA驗證平臺對所設(shè)計完成的藍(lán)牙基帶控制器進行進一步的硬件驗證。教學(xué)中所采用的FPGA驗證平臺采用ARM 926EJ-S內(nèi)核處理器的Versatile Platform開發(fā)板，射頻模塊采用NORDIC推出的2.4GH射頻芯片nRF2401。學(xué)生可以通過邏輯分析儀觀測射頻接口信號，測試證明基帶設(shè)計是否可以正確配置射頻芯片，能否正確接收標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)包。正確的FPGA驗證仿真波形圖如下圖2示。

4 結(jié)論

針對通信及電子專業(yè)的本科課程EDA的教學(xué)與實踐，本文提出了本文提出了一種藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)流控制器VLSI設(shè)計方法作為該課程的教學(xué)案例。該案例以有限狀態(tài)機理論為基礎(chǔ)，完成藍(lán)牙基帶控制器的邏輯架構(gòu)，Verilog代碼實現(xiàn)及FPGA硬件驗證，有效體現(xiàn)了有限狀態(tài)機的原理與應(yīng)用，加深學(xué)生對于時序邏輯電路及完整的EDA設(shè)計流程的理解和認(rèn)識。

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國家自然科學(xué)基金（61162025），西藏民族學(xué)院重大項目培育計劃（12myZP02）、西藏民族學(xué)院青年學(xué)人培育計劃（13myQP10）資助項目。