利用CAP实现超宽带流媒体访问控制器

在医疗过程中，要取出病患喉咙里的异物或插入呼吸管，医生往往得使用所谓的喉镜。喉镜是一种检视病患喉咙的仪器，由一个手柄和一个压舌板组成，如图1所示。为便于检查喉咙，这种仪器的形状必须符合人体工学，而且易于操作。使用时，医生把仪器插入病患口腔，然后抬起下端并轻柔地往上推进。这种方法可能会对病患的门牙造成伤害，引起一些并发症。此外，大约有20% 的病患会出现呼吸困难的意外现象，因而无法使用仪器。

　　解决这些问题的一个方案是在压舌板的顶端嵌入一个微型相机，以扩大喉镜的视野范围 (图2)。目前市面上的这类系统中，微型相机是经由电缆与监视器相连接的，而这种电缆对于手术室或急救车而言的确是一大障碍。鉴于此，喉镜和相机之间若采用无线连接将会使操作更方便。要保证图像质量且避免失真，传输应该以数字方式进行。为了便于医生正确诊断，目标物的移动应该无延迟地出现在屏幕上，这意味着视频信号不一定会通过压缩电路或大量的层堆叠。由于这类仪器要求大带宽 (对与NTSC质量的图像为166Mbit/s) 和近场操作距离 (1～10m)，所以 UWB正是理想的传输媒介。

　　相机架构

　　视频传感器是CMOS类型的。为了补偿传输线路上数据率的波动，并让视频帧可以重复传输，图像在传送给UWB MAC之前将被捕获在帧内存储。UWB MAC和微控制器之间一条紧密连接的微控制器总线 (Amba 主总线) 可让大部分UWB 功能 (比如信标产生) 由软件支持。这个 UWB 单元包含了UWB 收发器 (UWB PHY) 和UWB 流媒体访问控制器。

　　由于这个相机单元由电池供电，故必须尽量把功耗降至最小，以保证每次电池充电后系统的工作时间至少达2个小时。电池充电系统也由微控制器控制。

　　UWB流MAC的主要原理

　　UWB 网络管理所需的用户数据 (主要是视频内容) 和图表都保存在存储器中。该存储器可以置于 MAC ASIC内部;也可以位于 MAC 器件之外。UWB MAC 利用同步数据流，把来自数据源的连续数据流传送到目的地 (显示器)。要达此目的，业界开发出一种结合了快速用户数据路径和调度器的概念。快速用户数据路径按照 ECMA-368 标准所定义的UWB协议对数据流进行格式化;而调度器则由固件控制，根据UWB MAC时序要求，把数据包发送到UWB PHY。这样一来，在相机端的 MAC 和显示器端的 MAC 之间的非时间关键功能，如网络管理和资源协调等，都可在微控制器的固件中执行。

　　快速用户数据路径和调度器需要以硬件执行。固件除了提供典型的MAC层功能性之外，还可为点到点传输提供简单的链路控制功能性，比如断开与显示器的连接以及规定所需的带宽。

　　固件信标处理

　　UWB 传输会被组织成为多个超帧 (super frame) (见图5)，而每一个超帧也分为信标周期 (Beacon Period, BP) 和有效载荷。信标和有效载荷占用了超帧256个媒体访问时隙。

　　从信标周期结束开始，固件会处理接收到的信标，并计算下一个超帧中自己的信标。

　　图3显示了设备A和B在两个超帧期间的信标处理，图中水平轴为从左到右的时间线。两个设备都会在每个超帧的信标周期发送信标。在超帧 [n-1] 的有效载荷被发送期间，设备A的固件就会处理由设备B所发送的信标信息单元 (Beacon Information Element, IE)。当超帧 [n-1] 完成发送时，固件也完成了设备B的信息，并在超帧 [n] 中设备A的信标信息单元内出现。

　　由于 MAC 程序可被视为一个实时线程 (thread)，因此与应用的通信使用了一个请求和响应队列。

　　图 4所示为设备 A 和 B 之间的一个通信周期。设备 A 的应用程序发出请求，然后其固件在 SF [n-1] 内产生信标 IE 请求，接着，该请求便在 SF[n] 的 BP 内被发送。设备 B 接收到这个信标并计算它在数据周期 SF[n] 的答案。最后，设备 A就可以解释 (interpret) SF[n+1] 接收到的信标。

　　实现方案

　　概述

　　由于这种设备是电池供电的，因此功耗是一个大问题。如“相机架构”一节所述，MAC 的架构需要调度器和微控制器之间紧密连接。CMOS传感器由I2C总线控制，而电池管理则需要A/D转换器和脉宽调制 (PWM)。由于所有东西都得集中在喉镜的手柄中，故部件数目应该减至最少。这样看来，标准单元ASIC是一个明显的选择;不过，大批量并不一定意味着低开发成本。鉴于这些原因，爱特梅尔基于ARM的微控制器 CAP，带有掩膜可编程定制逻辑，综合了高集成度、低一次性开支 (NRE)、低部件成本和低功耗，正是这种应用的理想选择。

　　下面一节将介绍适合爱特梅尔CAP架构的UWB MAC实现方案。这款UWB MAC采用了用户金属可编程模块实现，通过一个6层AHB阵列与ARM9 AHB连接。

 

　　为了充分利用价廉的大容量存储器，数据和UWB管理 (见“UWB 流 MAC 的主要原理”一节) 所用的 RAM 位于 CAP 外部，通过 EBI 接口连接。对此，CAP9 架构的多层 AHB阵列可提供极好的支持，它允许 AHB 总线主控设备在金属可编程模块中实现。当经由外部总线接口 (EBI) 从外部的大容量存储器存取数据时，MAC 就成为总线主设备。对于不能延时存取的存储器，比如信标帧产生，便会使用CAP上的 SRAM。