基于有限狀態機的藍牙控制器設計在EDA教學中的應用

喬麗萍　王聰華　李淑萍　趙亞妮　劉靜　郭曉軍

【摘要】提出了一種藍牙基帶數據流控制器的VLSI設計方法。該方法基于有限狀態機理論，生成和解析藍牙基帶所要處理的數據，完成控制器的邏輯架構，此案例可完整體現有限狀態機的原理與應用。實踐證明，該教學案例能加深電子工程專業學生對于時序邏輯電路模塊的理解和認識，有效提高學生應用EDA技術設計數字系統的興趣和能力。

【關鍵詞】基帶控制器；EDA；有限狀態機

1 引言

在集成電路的設計過程中，狀態機是最典型、應用最廣泛的電路模塊，在運行速度的高效、執行時間的確定性和高可靠性方面都顯現出強大的優勢[1]。

有限狀態機是根據當前狀態以及觸發條件進行狀態轉換的一種機制，包含一組狀態集、一個起始狀態、一組輸入符號集、一個映射輸入符號和當前狀態到下一狀態的輸換函數的計算模型[2，3]。本文基于有限狀態機理論，以藍牙基帶數據流控制器作為EDA課程的設計實例，完整呈現有限狀態機的工程應用。實踐證明，該課程設計具有綜合性、實用性，能夠激發學生學習EDA課程的興趣。通過選用與信息產品聯系的課題，軟硬件結合，使學生了解設計電子系統的過程，為提高學生的電子系統設計能力奠定基礎。

2 藍牙基帶數據流控制器有限狀態機設計

作為一種無線數據與語音通信的開放性全球規范，藍牙技術是目前使用較為廣泛的一種短距離無線通信技術，它以低成本的短距離無線連接為基礎，為固定的或移動的終端設備提供廉價的連接服務[4～5]。選取藍牙基帶數據流控制器模塊開發作為課題設計，學生將所學有限狀態機理論應用于實際產品的通用模塊開發之中，與當前信息技術同步，有助于提高學生的就業競爭力。

藍牙基帶數據流控制器根據藍牙基帶處于的工作信息來對數據進行幀包裝。為了滿足生成和解析藍牙基帶所要處理的數據分組，將組成藍牙基帶數據分組的每個部分當做一個狀態，控制后面的功能實現模塊去完成，從而實現藍牙基帶生成和解析各種數據分組的功能，達到基帶數據處理的目的。控制藍牙基帶數據流處理的狀態遷移圖如圖1所示。

初始情況下，狀態機處于IDLE狀態；當藍牙基帶處于發送狀態時，狀態機從IDLE進入輸出TX狀態，根據數據分組選擇跳轉相應的狀態。flag標識為高時狀態機保持TX狀態。發送過程結束，狀態機從TX跳到IDLE，再進入輸入RX狀態，同時清空flag標識位。對ID數據分組的發送由發送使能控制，發送完成ID數據分組后，保持TX狀態。接收過程是輸出過程的逆過程。

在教學實踐中，EDA課程作為語言類設計課程，學生要對提取的藍牙基帶數據流狀態機應用可綜合的Verilog語言編碼實現，并使用Modelsim仿真驗證狀態機功能.

3 FPGA硬件驗證

為了使學生完整地掌握數字電路與系統的EDA設計流程。該教學案例通過FPGA驗證平臺對所設計完成的藍牙基帶控制器進行進一步的硬件驗證。教學中所采用的FPGA驗證平臺采用ARM 926EJ-S內核處理器的Versatile Platform開發板，射頻模塊采用NORDIC推出的2.4GH射頻芯片nRF2401。學生可以通過邏輯分析儀觀測射頻接口信號，測試證明基帶設計是否可以正確配置射頻芯片，能否正確接收標準藍牙數據包。正確的FPGA驗證仿真波形圖如下圖2示。

4 結論

針對通信及電子專業的本科課程EDA的教學與實踐，本文提出了本文提出了一種藍牙基帶數據流控制器VLSI設計方法作為該課程的教學案例。該案例以有限狀態機理論為基礎，完成藍牙基帶控制器的邏輯架構，Verilog代碼實現及FPGA硬件驗證，有效體現了有限狀態機的原理與應用，加深學生對于時序邏輯電路及完整的EDA設計流程的理解和認識。

參考文獻：

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