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1． 引言 近年來，隨著藍牙芯片成本的不斷降低，應用進一步擴大，所有藍牙終端設備接入并享受網絡服務的可能性變得越來越大。另一方面，網絡應用越來越廣泛，其中熱點之一即是分組語音技術。分組語音技術將語音信號轉化為一定長度和速率的數字化語音包，以存儲轉發的方式進行交換和傳輸。藍牙技術作為解決“最后10米”的無線傳輸技術，必將是無線個域網（Wireless Personal Network，WPAN）的首選技術。結合藍牙技術和分組語音技術，可以使支持藍牙的終端設備通過安全的無線鏈路，與藍牙語音網關建立連接，通過以太網交換到目的藍牙語音網關，然后與對方終端建立無線鏈路，完成語音的遠距離傳輸。 傳統的藍牙—以太網適配器通常使用ACL鏈路與藍牙器件建立連接，將串行接口UART輸出的數據轉換成以太網幀，以實現以太網適配，這樣僅能傳輸普通數據，無法傳輸語音。本文從另一方面入手，研究如何實現語音數據到以太網的協議轉換，并利用網絡交換語音。設計了IIS（Inter-IC Sound Bus）控制器IP核，根據需要接入的藍牙終端多少，靈活配置IIS控制器個數，從而實現多個藍牙終端經以太網雙向語音通信。 SOPC（System on Programmable Chip）是Altera最先提出的概念，其實質是SOC技術，與其它的SOC技術相比，特點在于可編程性，即利用FPGA的可編程性進行SOC設計。通過將驗證好的IP核即知識產權核嵌入FPGA中，可以大大縮短開發周期，同時提高開發成功率。在本設計中，使用SOPC的優勢在于配置靈活，滿足不同接入容量的需求。 2． 總體方案 語音網關由二部分組成：藍牙模塊和SOPC系統，如圖1所示。 眾所周知，１個藍牙終端可以與其它藍牙終端建立７個ACL鏈路和１個SCO鏈路，只有后者能用于傳輸實時語音，所以藍牙網關的容量取決于內部藍牙模塊的數目。藍牙模塊采用CSR公司提供的集成藍牙基帶和射頻部分的單芯片模塊BluetoothCore3-Multimedia External（以下簡稱BC03）。BC03基于Bluecore03芯片，并提供IIS/PCM、SPI、UART/USB、PIO接口。Bluecore03內嵌16位RISC微處理器，可作為簡單的嵌入式控制器及藍牙鏈路控制器，運行藍牙軟件協議及高層應用程序。 SOPC系統主要包括1片FPGA、2片8Mb SRAM、1片128Mb SDRAM、1片64Mb Flash、1片EPCS4串行配置器件（4Mb）和1片以太網控制器LAN91C111。 3． 硬件方案 本節由二部分組成，首先介紹Nios II系統開發流程，然后是IIS的IP核設計。 3.1 構建NIOS II SOPC系統 Nios II系列嵌入式處理器使用32位的指令集結構（ISA），是建立在第一代16位Nios處理器基礎上的，最高可支持64位數據操作，定位于廣泛的嵌入式應用。Nios II處理器包括三種內核：快速的（Nios II/f）、經濟的（Nios II/e）和標準的（Nios II/s）內核。快速型（Nios II/f）處理器性能最高，但比經濟型（Nios II/e）處理器多消耗25%資源。使用Altera的Quartus II 軟件、SOPC Builder 工具以及Nios II 集成開發環境（IDE），可以輕松的完成基于Nios II 處理器的嵌入式系統開發。 其中，SOPC builder內嵌在Quartus II集成環境中，允許用戶以圖形化方式選擇CPU、存儲器、標準外設和用戶定義外設。本設計中，標準外設中沒有IIS控制器，所以要單獨設計用戶外設。SOPC Builder主要生成兩種文件：一種是.ptf文件，NIos II IDE根據它編譯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Quartus II，作為整個SOPC項目的一部分。Quartus II軟件對HDL文件進行編譯、綜合、布局布線，生成硬件映像文件，然后使用ByteBlaster線纜通過JTAG下載到開發板中的Cyclone芯片中，完成硬件平臺。再利用Nios II IDE編寫應用程序，下載到Flash中運行、調試。 3.1 IIS控制器IP核設計 IIS是串行數字音頻總線，目前很多音頻芯片都提供對IIS的支持。BC03模塊為了支持雙工通信，設置了幀同步（WS）、時鐘（CLK）、和輸入／輸出數據線，可以作為master提供幀同步和時鐘，也可以作為slave接收外部提供的幀同步和時鐘。 這里使用Verilog硬件描述語言設計IIS控制器。為了實現雙工通信就要分別設計接收器和發送器，它們擁有各自獨立的緩沖區，共享Avalon接口，如圖2所示。 顯然，要設計IIS控制器，首先得解決采樣、存儲問題。因此，按照IIS時序標準，設計前端的接收器，從串行比特流中提取有效語音數據組成32 bit的并行數據，然后，存儲在異步FIFO中，這里設置FIFO深度為1024，寬度為32 bit。然后經過Avalon總線加入SOPC系統。 Avalon是Altera公司專門為解決SOPC系統中各外設互聯而設計的總線接口標準，其與一般總線的不同之處在于可裁剪，指外設可以選擇Avalon總線標準信號的子集作為自己的接口信號，比如時鐘、地址、數據、片選和讀／寫信號，就可以構成一個基本接口。而本設計中，如果采用基本接口，由于語音數據的傳輸速率遠遠低于CPU的工作速度，造成CPU的長時間等待，浪費資源，所以必須采用流量控制。 Avalon總線中支持流量控制的信號允許slave對master發起的傳輸進行約束，即只有當slave準備好接收數據或者有數據要發送時，傳輸才開始。為了實現流量控制，slave可以使用以下信號中的一個或多個：readyfordata、dataavailable和endofpacket。當slave沒有準備好接收數據時，聲明readyfordata無效；反之，聲明readyfordata有效。當slave沒有準備好要發送的數據時，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，可以表示一幀結束，或者通知master某個事件發生。 4． Nios II軟件設計 Nios II系統軟件主要實現藍牙數字語音數據和以太網幀的轉換。軟件運行在FPGA芯片內的Nios II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Lightweight TCP/IP協議棧和實時操作系統?C/OS-II[4]，它們都集成在Nios II IDE開發環境里。圖3描述了Nios II軟件的數據流。 數據輸入輸出任務調用DMA控制器，與底層的硬件驅動交互。管理任務和以太網通信任務各自擁有一個消息隊列，前者分析處理數據幀中的控制信息，后者建立SOCKET連接并收發數據。DHCP任務自動獲取IP地址，如果超時而沒有得到響應，則分配事先定義的IP地址，無論是哪種方式，此任務都僅運行一次，最終釋放某一信號量，使其它任務不被阻塞，然后刪除自己。 由于藍牙模塊數目較多，數據吞吐量較大，因此為每一個藍牙模塊分別設置接收／發送緩沖區來暫存數據。每個緩沖區大小4K，依次為接收緩沖區RXBUF0～RXBUFx和發送緩沖區TXBUF0～TXBUFx。為了提高系統性能，采用DMA控制器將數據從IIS接收器接收數據，暫存在接收緩沖區中；同理，將以太網數據從發送緩沖區傳輸到IIS發送器也是由DMA控制器完成，這樣大大減輕了CPU的負擔，使其專注于以太網傳輸。 5． 實際測試及結論 IIS IP核使用Verilog語言描述，在Altera公司Cyclone系列FPGA芯片EP1C20F400C8硬件平臺實現，表1列出了EP1C20F400C8的基本參數，表2列出了IP核綜合結果。 本文介紹的基于SOPC的藍牙－以太網語音網關具有如下特點： 1) 系統具有很強的靈活性。這是本文設計的語音網關的最大特點，根據網關最大語音通道個數配置IIS控制器模塊。由于微處理器采用Altera公司的Nios II，能夠靈活調配系統資源，并且克服了采用其它處理器中存在的接口速率瓶頸問題，適應實時語音處理的要求； 2) 系統具有很高的集成度。由于Nios II具有豐富的接口資源，而?C/OS-II具有很高可裁剪性，Lightweight TCP/IP協議棧體積非常小，可以實現系統的集成化； 3) 系統具有很強的實時性。在設計硬件和軟件時都充分考慮了系統的實時性。硬件采用IIS控制器和DMA控制器完成語音數據輸入／輸出，保證了“硬實時”；操作系統采用?C/OS-II實時操作系統保證了“軟實時”。 本文作者創新點：和傳統的藍牙以太網適配器不同，本文研究如何通過藍牙語音數據到以太網的協議轉換，實現分組語音通信；設計了IIS IP核，根據系統容量要求，即同時可以支持的藍牙終端數目，配置IIS控制器個數，具有高效靈活的特點。 |
