基于SOPC的藍(lán)牙－以太網(wǎng)語音網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于SOPC的藍(lán)牙－以太網(wǎng)語音網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：基于先進(jìn)的SOPC技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有極大的靈活性，廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)計(jì)中。本文提出的語音網(wǎng)關(guān)，將藍(lán)牙作為短距離無線接入技術(shù)，支持多個(gè)藍(lán)牙終端通過以太網(wǎng)交換分組語音數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)支持的藍(lán)牙終端數(shù)目可以通過配置IIS控制器靈活地調(diào)整。文章系統(tǒng)地介紹了SOPC的開發(fā)流程，IIS控制器IP核，以及基于NiosII軟核的設(shè)計(jì)方法。

1．引言

近年來，隨著藍(lán)牙芯片成本的不斷降低，應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大，所有藍(lán)牙終端設(shè)備接入并享受網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可能性變得越來越大。另一方面，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越廣泛，其中熱點(diǎn)之一即是分組語音技術(shù)。分組語音技術(shù)將語音信號(hào)轉(zhuǎn)化為一定長度和速率的數(shù)字化語音包，以存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行交換和傳輸。藍(lán)牙技術(shù)作為解決“10米”的無線傳輸技術(shù)，必將是無線個(gè)域網(wǎng)（WirelessPersonalNetwork，WPAN）的技術(shù)。結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)和分組語音技術(shù)，可以使支持藍(lán)牙的終端設(shè)備通過安全的無線鏈路，與藍(lán)牙語音網(wǎng)關(guān)建立連接，通過以太網(wǎng)交換到目的藍(lán)牙語音網(wǎng)關(guān)，然后與對(duì)方終端建立無線鏈路，完成語音的遠(yuǎn)距離傳輸。

傳統(tǒng)的藍(lán)牙—以太網(wǎng)適配器通常使用ACL鏈路與藍(lán)牙器件建立連接，將串行接口UART輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)幀，以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)適配[1][2]，這樣僅能傳輸普通數(shù)據(jù)，無法傳輸語音。本文從另一方面入手，研究如何實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并利用網(wǎng)絡(luò)交換語音。設(shè)計(jì)了IIS（Inter-ICSoundBus）控制器IP核，根據(jù)需要接入的藍(lán)牙終端多少，靈活配置IIS控制器個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)藍(lán)牙終端經(jīng)以太網(wǎng)雙向語音通信。

SOPC（SystemonProgrammableChip）是Altera提出的概念，其實(shí)質(zhì)是SOC技術(shù)，與其它的SOC技術(shù)相比，特點(diǎn)在于可編程性，即利用FPGA的可編程性進(jìn)行SOC設(shè)計(jì)。通過將驗(yàn)證好的IP核即知識(shí)產(chǎn)權(quán)核嵌入FPGA中，可以大大縮短開發(fā)周期，同時(shí)提高開發(fā)成功率。在本設(shè)計(jì)中，使用SOPC的優(yōu)勢在于配置靈活，滿足不同接入容量的需求。

2．總體方案

語音網(wǎng)關(guān)由二部分組成：藍(lán)牙模塊和SOPC系統(tǒng)，如圖１所示。

眾所周知，１個(gè)藍(lán)牙終端可以與其它藍(lán)牙終端建立７個(gè)ACL鏈路和１個(gè)SCO鏈路，只有后者能用于傳輸實(shí)時(shí)語音，所以藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的容量取決于內(nèi)部藍(lán)牙模塊的數(shù)目。藍(lán)牙模塊采用CSR公司提供的集成藍(lán)牙基帶和射頻部分的單芯片模塊BluetoothCore3-MultimediaExternal（以下簡稱BC03）。BC03基于Bluecore03芯片，并提供IIS/PCM、SPI、UART/USB、PIO接口。Bluecore03內(nèi)嵌16位RISC微處理器，可作為簡單的嵌入式控制器及藍(lán)牙鏈路控制器，運(yùn)行藍(lán)牙軟件協(xié)議及高層應(yīng)用程序。

SOPC系統(tǒng)主要包括1片F(xiàn)PGA、2片8MbSRAM、1片128MbSDRAM、1片64MbFlash、1片EPCS4串行配置器件（4Mb）和1片以太網(wǎng)控制器LAN91C111。

3．硬件方案

本節(jié)由二部分組成，首先介紹NiosII系統(tǒng)開發(fā)流程，然后是IIS的IP核設(shè)計(jì)。

3.1構(gòu)建NIOSIISOPC系統(tǒng)

NiosII系列嵌入式處理器使用32位的指令集結(jié)構(gòu)（ISA），是建立在代16位Nios處理器基礎(chǔ)上的，可支持64位數(shù)據(jù)操作，定位于廣泛的嵌入式應(yīng)用。NiosII處理器包括三種內(nèi)核：快速的（NiosII/f）、經(jīng)濟(jì)的（NiosII/e）和標(biāo)準(zhǔn)的（NiosII/s）內(nèi)核?？焖傩停∟iosII/f）處理器性能，但比經(jīng)濟(jì)型（NiosII/e）處理器多消耗25%資源[3]。使用Altera的QuartusII軟件、SOPCBuilder工具以及NiosII集成開發(fā)環(huán)境（IDE），可以輕松的完成基于NiosII處理器的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

其中，SOPCbuilder內(nèi)嵌在QuartusII集成環(huán)境中，允許用戶以圖形化方式選擇CPU、存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和用戶定義外設(shè)。本設(shè)計(jì)中，標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)中沒有IIS控制器，所以要單獨(dú)設(shè)計(jì)用戶外設(shè)。SOPCBuilder主要生成兩種文件：一種是.ptf文件，NIosIIIDE根據(jù)它編譯C/C++等軟件；另一種是HDL文件，可以是VHDL語言，也可以是Verilog語言，提供給QuartusII，作為整個(gè)SOPC項(xiàng)目的一部分。QuartusII軟件對(duì)HDL文件進(jìn)行編譯、綜合、布局布線，生成硬件映像文件，然后使用ByteBlaster線纜通過JTAG到開發(fā)板中的Cyclone芯片中，完成硬件平臺(tái)。再利用NiosIIIDE編寫應(yīng)用程序，到Flash中運(yùn)行、調(diào)試。

3.1IIS控制器IP核設(shè)計(jì)

IIS是串行數(shù)字音頻總線，目前很多音頻芯片都提供對(duì)IIS的支持。BC03模塊為了支持雙工通信，設(shè)置了幀同步（WS）、時(shí)鐘（CLK）、和輸入／輸出數(shù)據(jù)線，可以作為master提供幀同步和時(shí)鐘，也可以作為slave接收外部提供的幀同步和時(shí)鐘。

這里使用Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)IIS控制器。為了實(shí)現(xiàn)雙工通信就要分別設(shè)計(jì)接收器和發(fā)送器，它們擁有各自獨(dú)立的緩沖區(qū)，共享Avalon接口，如圖2所示。

顯然，要設(shè)計(jì)IIS控制器，首先得解決采樣、存儲(chǔ)問題。因此，按照IIS時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)前端的接收器，從串行比特流中提取有效語音數(shù)據(jù)組成32bit的并行數(shù)據(jù)，然后，存儲(chǔ)在異步FIFO中，這里設(shè)置FIFO深度為1024，寬度為32bit。然后經(jīng)過Avalon總線加入SOPC系統(tǒng)。

Avalon是Altera公司專門為解決SOPC系統(tǒng)中各外設(shè)互聯(lián)而設(shè)計(jì)的總線接口標(biāo)準(zhǔn)，其與一般總線的不同之處在于可裁剪，指外設(shè)可以選擇Avalon總線標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的子集作為自己的接口信號(hào)，比如時(shí)鐘、地址、數(shù)據(jù)、片選和讀／寫信號(hào)，就可以構(gòu)成一個(gè)基本接口。而本設(shè)計(jì)中，如果采用基本接口，由于語音數(shù)據(jù)的傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CPU的工作速度，造成CPU的長時(shí)間等待，浪費(fèi)資源，所以必須采用流量控制。

Avalon總線中支持流量控制的信號(hào)允許slave對(duì)master發(fā)起的傳輸進(jìn)行約束，即只有當(dāng)slave準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)或者有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，傳輸才開始。為了實(shí)現(xiàn)流量控制，slave可以使用以下信號(hào)中的一個(gè)或多個(gè)：readyfordata、dataavailable和endofpacket。當(dāng)slave沒有準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí)，聲明readyfordata無效；反之，聲明readyfordata有效。當(dāng)slave沒有準(zhǔn)備好要發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，聲明dataavailable無效；反之，聲明dataavailable有效。endofpacket沒有固定的含義，需要通信雙方事先約定，可以表示一幀結(jié)束，或者通知master某個(gè)事件發(fā)生。

4．NiosII軟件設(shè)計(jì)

NiosII系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)字語音數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)幀的轉(zhuǎn)換。軟件運(yùn)行在FPGA芯片內(nèi)的NiosII處理器上，編程可使用匯編語言和C/C++語言，程序基于嵌入式LightweightTCP/IP協(xié)議棧和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)?C/OS-II[4]，它們都集成在NiosIIIDE開發(fā)環(huán)境里。圖3描述了NiosII軟件的數(shù)據(jù)流。

數(shù)據(jù)輸入輸出任務(wù)調(diào)用DMA控制器，與底層的硬件驅(qū)動(dòng)交互。管理任務(wù)和以太網(wǎng)通信任務(wù)各自擁有一個(gè)消息隊(duì)列，前者分析處理數(shù)據(jù)幀中的控制信息，后者建立SOCKET連接并收發(fā)數(shù)據(jù)。DHCP任務(wù)自動(dòng)獲取IP地址，如果超時(shí)而沒有得到響應(yīng)，則分配事先定義的IP地址，無論是哪種方式，此任務(wù)都僅運(yùn)行，終釋放某一信號(hào)量，使其它任務(wù)不被阻塞，然后刪除自己。

由于藍(lán)牙模塊數(shù)目較多，數(shù)據(jù)吞吐量較大，因此為每一個(gè)藍(lán)牙模塊分別設(shè)置接收／發(fā)送緩沖區(qū)來暫存數(shù)據(jù)。每個(gè)緩沖區(qū)大小4K，依次為接收緩沖區(qū)RXBUF0～RXBUFx和發(fā)送緩沖區(qū)TXBUF0～TXBUFx。為了提高系統(tǒng)性能，采用DMA控制器將數(shù)據(jù)從IIS接收器接收數(shù)據(jù)，暫存在接收緩沖區(qū)中；同理，將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)絀IS發(fā)送器也是由DMA控制器完成，這樣大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，使其專注于以太網(wǎng)傳輸。

5．實(shí)際測試及結(jié)論

IISIP核使用Verilog語言描述，在Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP1C20F400C8硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，表1列出了EP1C20F400C8的基本參數(shù)，表2列出了IP核綜合結(jié)果。

本文介紹的基于SOPC的藍(lán)牙－以太網(wǎng)語音網(wǎng)關(guān)具有如下特點(diǎn)：

1)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性。這是本文設(shè)計(jì)的語音網(wǎng)關(guān)的特點(diǎn)，根據(jù)網(wǎng)關(guān)語音通道個(gè)數(shù)配置IIS控制器模塊。由于微處理器采用Altera公司的NiosII，能夠靈活調(diào)配系統(tǒng)資源，并且克服了采用其它處理器中存在的接口速率瓶頸問題，適應(yīng)實(shí)時(shí)語音處理的要求；

2)系統(tǒng)具有很高的集成度。由于NiosII具有豐富的接口資源，而?C/OS-II具有很高可裁剪性，LightweightTCP/IP協(xié)議棧體積非常小，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成化；

3)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。在設(shè)計(jì)硬件和軟件時(shí)都充分考慮了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。硬件采用IIS控制器和DMA控制器完成語音數(shù)據(jù)輸入／輸出，保證了“硬實(shí)時(shí)”；操作系統(tǒng)采用?C/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)保證了“軟實(shí)時(shí)”。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：和傳統(tǒng)的藍(lán)牙以太網(wǎng)適配器不同，本文研究如何通過藍(lán)牙語音數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)分組語音通信；設(shè)計(jì)了IISIP核，根據(jù)系統(tǒng)容量要求，即同時(shí)可以支持的藍(lán)牙終端數(shù)目，配置IIS控制器個(gè)數(shù)，具有高效靈活的特點(diǎn)。

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