無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)協(xié)議的開(kāi)發(fā)是目前各種無(wú)線(xiàn)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。同時(shí)MAC協(xié)議的開(kāi)發(fā)、調(diào)試和實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)物理層(PHY)的支持。很多MAC協(xié)議的開(kāi)發(fā)者由于沒(méi)有物理層的支持，只能停留在協(xié)議仿真的階段。本文提出了一個(gè)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路收發(fā)信號(hào)(可以與基于802.11b的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)AP以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡通信)的無(wú)線(xiàn)MAC開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)利用現(xiàn)有802.11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的物理層部分(包括天線(xiàn)、射頻芯片、中頻芯片和基帶處理器" title="基帶處理器">基帶處理器)，再加上EPXA1開(kāi)發(fā)板構(gòu)成。利用該平臺(tái)，可以在EPXA1開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行各種MAC協(xié)議的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
　　系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：802.11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡、EPXA1開(kāi)發(fā)板以及兩者之間轉(zhuǎn)接PCB板，如圖1所示。

　　系統(tǒng)中使用的802.11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的PCMCIA接口與筆記本相連。該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡最大的特點(diǎn)是MAC控制芯片和基帶處理芯片以及前端中頻射頻芯片是分離的，只有這樣才能將其MAC芯片替換成EPXA1開(kāi)發(fā)板。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡啟動(dòng)之前必須給基帶處理芯片以及前端中頻、射頻芯片的控制寄存器" title="控制寄存器">控制寄存器設(shè)置合適的值。這是控制邏輯PLCI部分要做的工作。該網(wǎng)卡的主要組成芯片有：
　　(a)HFA3841(Wireless LAN Medium Access Controller)是該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的MAC部分，在本設(shè)計(jì)中，將其替換成筆者的開(kāi)發(fā)板。
　　(b)HFA3861B (Baseband processor)是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的基帶處理器^[3]，在網(wǎng)卡啟動(dòng)過(guò)程中，需要通過(guò)相應(yīng)的串行配置口對(duì)其進(jìn)行配置。
　　(c)HFA3683A (RF/IF converter and synthesizer)芯片進(jìn)行射頻到中頻的變換^[4]，需要通過(guò)相應(yīng)配置口進(jìn)行控制寄存器的配置。
　　(d)HFA3783 芯片進(jìn)行中頻到基帶的變換^[5]，也需要通過(guò)相應(yīng)配置口進(jìn)行寄存器的配置(工作模式和工作頻率等)。
　　Altera公司的EPXA1開(kāi)發(fā)板集成了ARM922T嵌入式微處理器以及相應(yīng)外設(shè)，其外設(shè)中擁有10萬(wàn)等效系統(tǒng)門(mén)的可編程邏輯器件以及相應(yīng)的擴(kuò)展I/O" title="I/O">I/O口，不需要再另外設(shè)計(jì)FPGA電路，更方便了軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)。同時(shí)，Altera公司提供的QuartusII軟件，也提供了對(duì)硬件和軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的良好支持。
　　轉(zhuǎn)接PCB板用于連接EPXA1開(kāi)發(fā)板的擴(kuò)展I/O口和802.11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡上有用的信號(hào)線(xiàn)。板上設(shè)計(jì)了一個(gè)PCMCIA插槽，用來(lái)固定無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，轉(zhuǎn)接板使用了隔離芯片SN74CBTD3384進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和保護(hù)EPXA1開(kāi)發(fā)板，同時(shí)也通過(guò)該板給無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡供電。
2 設(shè)計(jì)過(guò)程
2.1對(duì)802.11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的處理
　　首先拿掉無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的MAC芯片，然后將MAC芯片上與基帶處理器、前端射頻以及中頻芯片相連的線(xiàn)引出，因?yàn)樵诰W(wǎng)卡啟動(dòng)過(guò)程中，需要通過(guò)這些線(xiàn)對(duì)前端芯片進(jìn)行相應(yīng)配置。圖2是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的MAC芯片與其他芯片之間的連接關(guān)系，在設(shè)計(jì)過(guò)程要確保將這些線(xiàn)引出到EPXA1開(kāi)發(fā)板上。

2.2 轉(zhuǎn)接PCB板的設(shè)計(jì)
　　可以參照PCMCIA接口標(biāo)準(zhǔn)，將其中的電源線(xiàn)、地線(xiàn)以及有用的地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)連接到EPXA1的擴(kuò)展I/O口(邏輯高電平為5V)，連接過(guò)程使用了SN74CBTD3384進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換(5V到3.3V的轉(zhuǎn)換)。另外在EPXA1的擴(kuò)展I/O口中，有提供3.3V和5V電源的引腳，可以作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的電源，PCB板上還可以加上測(cè)試引腳，方便硬件的調(diào)試。
2.3 PLCI部分的設(shè)計(jì)
　　整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)架和PLCI所處的位置如圖3所示。PLCI(物理層控制接口)和PLDI(物理層數(shù)據(jù)接口)是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，是利用EPXAl的可編程邏輯實(shí)現(xiàn)的，主要編程語(yǔ)言是Verilog HDL。PLCI是MAC與物理層的控制接口，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)前端芯片(包括HFA3861B、HFA3683以及HFA3783)的控制寄存器的配置，包括產(chǎn)生配置所需的串行數(shù)據(jù)、時(shí)鐘及片選信號(hào)。PLDI是MAC與物理層的數(shù)據(jù)接口，是MAC與PHY交換數(shù)據(jù)的通路；而ARM9嵌入式微處理器則運(yùn)行C語(yǔ)言代碼實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線(xiàn)MAC協(xié)議。ARM9與外圍設(shè)備之間通過(guò)AHB總線(xiàn)連接。
　　在寫(xiě)程序之前，首先要弄清楚各個(gè)控制寄存器的讀寫(xiě)過(guò)程。

　　BBP(基帶處理器)的控制接口是一個(gè)典型的三線(xiàn)接口，即只有時(shí)鐘(SCLK)、數(shù)據(jù)(SD)和片選(CS_BAR)三個(gè)信號(hào)，沒(méi)有單獨(dú)的讀/寫(xiě)使能信號(hào)，而利用了地址的最高位來(lái)標(biāo)識(shí)讀或?qū)懖僮鳌Ｃ看巫x/寫(xiě)操作時(shí)，數(shù)據(jù)線(xiàn)(SD)上先后出現(xiàn)串行的地址和數(shù)據(jù)，其中地址位的MSB(A7)＝1時(shí)為寫(xiě)操作，表明將數(shù)據(jù)寫(xiě)入該地址對(duì)應(yīng)的寄存器中；地址位MSB(A7)＝0時(shí)為讀操作，表面后面的數(shù)據(jù)是從該地址指示的寄存器中讀取出來(lái)的。
　　HFA3683與HFA3783的讀寫(xiě)時(shí)序相同，通過(guò)LE_RF和LE_IF的有效(低有效)來(lái)決定對(duì)哪塊芯片進(jìn)行讀寫(xiě)。
　　DATA線(xiàn)上的串行數(shù)據(jù)是在時(shí)鐘的上升沿寫(xiě)入芯片中的一個(gè)20位的移位寄存器，然后在LE的上升沿寫(xiě)入根據(jù)LSB1和LSB2兩位對(duì)應(yīng)的地址。
　　上述的串行輸出數(shù)據(jù)(SD)和時(shí)鐘(SCLK)由PLCI邏輯產(chǎn)生。各前端芯片利用時(shí)鐘的上升沿來(lái)采集數(shù)據(jù)的，所以數(shù)據(jù)與時(shí)鐘的上升沿要嚴(yán)格對(duì)齊，有足夠的建立時(shí)間和保持時(shí)間。
　　在PLCI的設(shè)計(jì)中，定義了一些寄存器與CPU通信，這些寄存器根據(jù)相應(yīng)芯片讀寫(xiě)時(shí)序的要求，有不同的寬度，例如BBP的寫(xiě)寄存器有17位，低8位為要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，高8位為要寫(xiě)入的寄存器的地址，最高位用來(lái)表明寫(xiě)入操作是否完成。以便啟動(dòng)下一次讀寫(xiě)操作。
　　ESS (Excalibur Stripe Simulator)是一個(gè)Stripe仿真模型，它可以仿真CPU指令的執(zhí)行，并用來(lái)觀察PLD-to-Stripe和Stripe-to-PLD的總線(xiàn)時(shí)序。ADS 1.2 帶的AXD調(diào)試器可以模擬CPU執(zhí)行指令的情況，并觀察每條指令執(zhí)行之后系統(tǒng)的狀態(tài)。
　　通過(guò)AXD Debugger與ESS的結(jié)合，可以觀察一條PLD-to-Stripe或者Stripe-to-PLD總線(xiàn)操作指令執(zhí)行后相應(yīng)總線(xiàn)上的時(shí)序，再結(jié)合ModelSim進(jìn)行仿真，方便了程序的調(diào)試。圖4是ModelSim中對(duì)BBP進(jìn)行配置時(shí)的仿真波形，該波形與要求的BBP的寫(xiě)入邏輯是一致的。

3 系統(tǒng)的啟動(dòng)和驗(yàn)證
　　在啟動(dòng)系統(tǒng)前，還必須寫(xiě)一個(gè)PLCI.C文件，在其中利用c函數(shù)對(duì)PLCI.V中定義的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。
　　//BBP的寫(xiě)操作函數(shù)
　　void BBP_wr(long val)
　　{
　　*BBP_WRITE=val|0x8000;
　　//val的高八位是地址，低八位為數(shù)據(jù)，最高位置1表明為寫(xiě)寄存器操作
　　while(((*BBP_WRITE)&0x10000)==0x10000){}//讀取標(biāo)志位，一直到操作完成
　　}
　　RF以及IF芯片的寫(xiě)操作函數(shù)類(lèi)似。
　　BBP總共有49個(gè)寄存器要進(jìn)行寫(xiě)入操作^[1]。
　　HFA3683有三個(gè)控制寄存器需要寫(xiě)入^[4]，HFA3783有四個(gè)控制寄存器^[5]。后面兩個(gè)芯片共同的寄存器有：模式寄存器M(用于控制芯片的工作模式)、R counter寄存器和A/B counter寄存器(用于控制頻率綜合器的綜合頻率)，R counter和A/B counter的具體值需要對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡工作時(shí)的射頻和中頻頻率進(jìn)行測(cè)量得到。按照802.11b協(xié)議的規(guī)定之一，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡工作時(shí)共有14個(gè)信道^[2]，所以得到的射頻芯片(HFA3683A)工作頻率共有14個(gè)(即有14種不同的R、A、B值)，中頻(HFA3783)芯片的工作頻率有一個(gè)。
　　使用的編程工具是Quartus II，它可以分別編譯硬件部分(PLCI.V主要是或者verilog HDL語(yǔ)言)和軟件部分(PLCI.C)，然后再一起編譯生成.hex文件下載到開(kāi)發(fā)板上。
　　驗(yàn)證過(guò)程：將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡設(shè)置成接收狀態(tài)(RX_PE置高、TX_PE置低、RADIO_PE置低、PE1置高、PE2置高、RESET置高、TR/SW置低)。另外需要設(shè)置好一個(gè)802.11b的AP(Access Point)，將其設(shè)置在一個(gè)固定的工作頻道上，同時(shí)設(shè)置RF/IF Converter 的控制寄存器，使網(wǎng)卡也工作在該頻道上。此時(shí)用邏輯分析儀監(jiān)測(cè)來(lái)自BBP的三個(gè)信號(hào)：RXC、RXD、MD_RDY信號(hào)，可以在邏輯分析儀上得到如圖5所示波形。