基于協(xié)議轉(zhuǎn)化技術(shù)的無線化藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

柴義龍 陳偉利 趙俊欽

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長春 130000）

1 概述

隨著社會的發(fā)展，人們生活中電器設(shè)備的增多，室內(nèi)復(fù)雜的布線設(shè)計(jì)帶來的安全隱患，使實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無線化成為邁向未來智能家居生活的重要一步，同時(shí)減少使用線路線材也是未來社會實(shí)現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)環(huán)保的發(fā)展趨勢。本設(shè)計(jì)針對有線電器設(shè)備通訊連接問題，將基于USB 協(xié)議轉(zhuǎn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本低廉、操作簡易、即插即用的無線化藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)，通過USB 協(xié)議實(shí)現(xiàn)接受數(shù)據(jù)信息并轉(zhuǎn)化為藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)電器設(shè)備通訊無線化，推進(jìn)現(xiàn)代化生活建設(shè)，方便人們的生活。

2 模塊總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)致力于實(shí)現(xiàn)通過USB 協(xié)議轉(zhuǎn)換藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)有線電器的無線化。由于USB 接口協(xié)議具有4 種傳輸模式，每種傳輸方式都有各自特點(diǎn)，不同操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序也不同，因此為簡化模塊設(shè)計(jì)程序，使用高可配置性的FPGA芯片作為主控芯片，其不僅易于維護(hù)、方便移植、升級、擴(kuò)展，同時(shí)FPGA 具有可以隨時(shí)改變邏輯功能，可將各種端接匹配元件整合到器件內(nèi)部，有效降低BOM 成本，有效降低布局布線難度。這里無線化藍(lán)牙模塊采用性能較好的FT601 芯片，其不僅提供支持USB 協(xié)議的接口，而且無需考慮固件設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)程序的編寫，開發(fā)簡易，周期較短，而且其數(shù)據(jù)傳輸速率完全滿足本設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)傳輸方面的需求。數(shù)據(jù)傳輸過程是首先由終端1通過USB 協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)信息到達(dá)接口芯片1，再通過由接口芯片和FPGA 組成的基于FPGA 的協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為符合藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙配對傳輸至終端2，實(shí)現(xiàn)電器設(shè)備通訊數(shù)據(jù)傳輸無線化。

3 USB 接口設(shè)計(jì)

USB 接口設(shè)計(jì)采用FT601 芯片，是FTDI 最新推出的USB3.0 to FIFO interface IC，可實(shí)現(xiàn)USB3.0 與16/32bit 并行IO 接口之間的數(shù)據(jù)傳輸。芯片支持1.8V、2.5V、3.3V 共3 種IO電壓，同時(shí)支持USB3.0、USB2.0 傳輸，支持2 種FIFO 傳輸協(xié)議，通過16bit 或32bit 并行數(shù)據(jù)線和讀寫狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)與CPU/FPGA的數(shù)據(jù)交換，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的大吞吐量操作，另外支持遠(yuǎn)程喚醒功能。整個(gè)USB 通信協(xié)議全部由芯片驅(qū)動(dòng)自行完成，開發(fā)者無須考慮USB 底層固件的編程，能夠明顯降低制板加工工藝，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1]。FT601 芯片結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示[2]。

圖1 FT601 芯片結(jié)構(gòu)示意圖

FT601 芯片主要是通過接口將數(shù)據(jù)傳輸至FPGA，通過在FPGA 和FT601 間接入32 根數(shù)據(jù)線，同時(shí)接入9 根信號線來保障信號的傳輸速率。另外如圖2 所示，設(shè)計(jì)了喚醒電路和復(fù)位電路來解除當(dāng)FT601 芯片沒有進(jìn)行通信時(shí)的低電模式[3]。

圖2 FT601 喚醒電路和復(fù)位電路

4 協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

如圖3 所示，通過無線化藍(lán)牙模塊插入到前端設(shè)備有線電器USB 接口，同時(shí)為了方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的算法，經(jīng)由FT601接口芯片，將根據(jù)USB 協(xié)議接收的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成FPGA 系統(tǒng)可接受的信號，然后進(jìn)入到分布式FIFO 緩存，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后進(jìn)入藍(lán)牙FIFO 緩存，最后按照藍(lán)牙協(xié)議通過藍(lán)牙配對連接藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行輸出。

圖3 協(xié)議轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸鏈路

協(xié)議轉(zhuǎn)換處理流程主要可以分解析、匹配、映射、處理、重組五大部分。軟件定義可編程協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)框架如圖4，該系統(tǒng)由軟件定義控制器、軟件定義協(xié)議解析端口、可編程指令處理模塊、緩存模塊、存儲模塊、軟件定義數(shù)據(jù)重組模塊六大模塊組成[4]。

圖4 協(xié)議轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

軟件定義控制器是通過編程命令實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的的關(guān)鍵模塊，將控制平面與其它模塊平面分開，通過控制平面編程命令語言，實(shí)現(xiàn)對其它各個(gè)模塊的實(shí)時(shí)集中控制，這樣就無需改變設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)框架，只要通過對軟件定義控制器進(jìn)行編程，即可完成對整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

軟件定義協(xié)議解析端口對源數(shù)據(jù)包處理流程如圖5 所示，協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中不包含對數(shù)據(jù)包負(fù)載內(nèi)容的處理，而首先通過抽取一定比特的包頭數(shù)據(jù)并識別數(shù)據(jù)信息類型來實(shí)現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)包解析[5]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)把異構(gòu)協(xié)議部分的數(shù)據(jù)幀頭信息轉(zhuǎn)換為通用描述符[6]結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的協(xié)議簡單化，從而只需處理模塊主要處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后形成的簡易型通用描述符即可。對于協(xié)議無關(guān)的數(shù)據(jù)包解析，只需將協(xié)議轉(zhuǎn)換映射字段以及相關(guān)標(biāo)志信息整合到通用描述符中，從而降低協(xié)議轉(zhuǎn)換難度，提高協(xié)議轉(zhuǎn)換效率。

圖5 數(shù)據(jù)包處理流程

可編程指令處理模塊采用可編程ALU 指令[7]，通過命令語言編程實(shí)現(xiàn)提取關(guān)鍵字段，從而根據(jù)匹配表進(jìn)行匹配操作，匹配成功后通過對通用描述符結(jié)構(gòu)進(jìn)行增加，替換以及刪除等操作處理，完成對該模塊傳入數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換處理過程。

存儲模塊將根據(jù)該模塊固定存儲的已編輯的命令語言和USB 協(xié)議與藍(lán)牙協(xié)議的映射關(guān)系表以及通用描述符關(guān)鍵字段的匹配表，進(jìn)而存儲軟件定義控制器需要的各類控制信息和可編程指令處理模塊需要的數(shù)據(jù)指令信息。

緩存模塊主要用于存儲數(shù)據(jù)包中解析分離出的負(fù)載內(nèi)容，待到數(shù)據(jù)重組并發(fā)送后將清除這些已用緩存數(shù)據(jù)。

軟件定義組據(jù)重組模塊將從緩存模塊中提取出的負(fù)載內(nèi)容和協(xié)議轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)組合為新的數(shù)據(jù)幀并進(jìn)行發(fā)送。

5 藍(lán)牙模塊芯片緩沖設(shè)計(jì)

為保證不同時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)有效性和高度準(zhǔn)確性，如圖6，該模塊設(shè)計(jì)采用FIFO（先進(jìn)先出）隊(duì)列存儲[8]的設(shè)計(jì)方式，如果收到數(shù)據(jù)緩存信號則會利用存儲單元進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)當(dāng)預(yù)存空間滿時(shí)則會停止接收數(shù)據(jù)，反之沒有收到數(shù)據(jù)緩存信號則會丟棄預(yù)先緩存的數(shù)據(jù)，從而避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)雜亂無效的情況，有效提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

圖6 FIFO 控制邏輯圖

6 總結(jié)與展望

本次設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)出價(jià)格低廉、低功耗、小體積、數(shù)據(jù)共傳、便捷萬用的無線化藍(lán)牙控制模塊，減少電器間的線路連接，使室內(nèi)設(shè)計(jì)更加簡約。本設(shè)計(jì)難免存在不妥之處，希望接下來能對之實(shí)施進(jìn)一步有效開發(fā)，切實(shí)實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐相結(jié)合，對之進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，相信隨著藍(lán)牙通訊和無線化技術(shù)的快速發(fā)展，未來電器也將會更加智能、便捷、高效，促進(jìn)人們生活方式的多樣化，實(shí)現(xiàn)更好的無線化環(huán)境將是指日可待。