基于有限状态机的蓝牙控制器设计在EDA教学中的应用

乔丽萍　王聪华　李淑萍　赵亚妮　刘静　郭晓军

【摘要】提出了一种蓝牙基带数据流控制器的VLSI设计方法。该方法基于有限状态机理论，生成和解析蓝牙基带所要处理的数据，完成控制器的逻辑架构，此案例可完整体现有限状态机的原理与应用。实践证明，该教学案例能加深电子工程专业学生对于时序逻辑电路模块的理解和认识，有效提高学生应用EDA技术设计数字系统的兴趣和能力。

【关键词】基带控制器；EDA；有限状态机

1 引言

在集成电路的设计过程中，状态机是最典型、应用最广泛的电路模块，在运行速度的高效、执行时间的确定性和高可靠性方面都显现出强大的优势[1]。

有限状态机是根据当前状态以及触发条件进行状态转换的一种机制，包含一组状态集、一个起始状态、一组输入符号集、一个映射输入符号和当前状态到下一状态的输换函数的计算模型[2，3]。本文基于有限状态机理论，以蓝牙基带数据流控制器作为EDA课程的设计实例，完整呈现有限状态机的工程应用。实践证明，该课程设计具有综合性、实用性，能够激发学生学习EDA课程的兴趣。通过选用与信息产品联系的课题，软硬件结合，使学生了解设计电子系统的过程，为提高学生的电子系统设计能力奠定基础。

2 蓝牙基带数据流控制器有限状态机设计

作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，蓝牙技术是目前使用较为广泛的一种短距离无线通信技术，它以低成本的短距离无线连接为基础，为固定的或移动的终端设备提供廉价的连接服务[4～5]。选取蓝牙基带数据流控制器模块开发作为课题设计，学生将所学有限状态机理论应用于实际产品的通用模块开发之中，与当前信息技术同步，有助于提高学生的就业竞争力。

蓝牙基带数据流控制器根据蓝牙基带处于的工作信息来对数据进行帧包装。为了满足生成和解析蓝牙基带所要处理的数据分组，将组成蓝牙基带数据分组的每个部分当做一个状态，控制后面的功能实现模块去完成，从而实现蓝牙基带生成和解析各种数据分组的功能，达到基带数据处理的目的。控制蓝牙基带数据流处理的状态迁移图如图1所示。

初始情况下，状态机处于IDLE状态；当蓝牙基带处于发送状态时，状态机从IDLE进入输出TX状态，根据数据分组选择跳转相应的状态。flag标识为高时状态机保持TX状态。发送过程结束，状态机从TX跳到IDLE，再进入输入RX状态，同时清空flag标识位。对ID数据分组的发送由发送使能控制，发送完成ID数据分组后，保持TX状态。接收过程是输出过程的逆过程。

在教学实践中，EDA课程作为语言类设计课程，学生要对提取的蓝牙基带数据流状态机应用可综合的Verilog语言编码实现，并使用Modelsim仿真验证状态机功能.

3 FPGA硬件验证

为了使学生完整地掌握数字电路与系统的EDA设计流程。该教学案例通过FPGA验证平台对所设计完成的蓝牙基带控制器进行进一步的硬件验证。教学中所采用的FPGA验证平台采用ARM 926EJ-S内核处理器的Versatile Platform开发板，射频模块采用NORDIC推出的2.4GH射频芯片nRF2401。学生可以通过逻辑分析仪观测射频接口信号，测试证明基带设计是否可以正确配置射频芯片，能否正确接收标准蓝牙数据包。正确的FPGA验证仿真波形图如下图2示。

4 结论

针对通信及电子专业的本科课程EDA的教学与实践，本文提出了本文提出了一种蓝牙基带数据流控制器VLSI设计方法作为该课程的教学案例。该案例以有限状态机理论为基础，完成蓝牙基带控制器的逻辑架构，Verilog代码实现及FPGA硬件验证，有效体现了有限状态机的原理与应用，加深学生对于时序逻辑电路及完整的EDA设计流程的理解和认识。

参考文献：

[1]王巍，高德远. 有限状态机设计策略[J]. 计算机工程与应用，4（7）：54- 55，1999.

[2]罗宏洋. 状态机在离子注入机中的应用[J]. 电子工业专用设备，38（9）：49- 53，2009.

[3]马洁海，高光来. 可复用的状态模式设计[J]. 内蒙古大学学报（自然科学版），35（5）：576- 582，2004.

[4]XU Liang，YUAN Bin，HE Shuang. Design of novel UWB slot antenna for Bluetooth and UWB applications[J]. Progress In Electromagnetics Research C，37：211-221，2013.

[5]OJAROUDI，NASSER. CPW-FED slot antenna for personal mobile communication service（PCS）and bluetooth applications[J]. Microwave and Optical Technology Letters，2013，55（4）：734-737.

[6]Specification of the Bluetooth System.Version 1.1[S]. Volume 1. 2001，33～177.

国家自然科学基金（61162025），西藏民族学院重大项目培育计划（12myZP02）、西藏民族学院青年学人培育计划（13myQP10）资助项目。