CN110096468A - 一种基于fpga架构手机模块及其与手机的连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于FPGA架构手机模块及其与手机的连接方法，手机模块包括FPGA模块，FPGA模块通过I/O接口连接有多种功能模块，FPGA模块通过SPI接口与手机的CPU连接通信，实现了手机外设功能模块的扩张，FGPA I/O口多，并且可以灵活配置，利用FPGA模块的I/O口模拟各种常规接口，可以连接各种外设模块，极大地拓展手机外加模块的功能，并且模块与手机之间的接口也非常简单，使得手机可以支持更多的功能。解决了现有手机模块与手机依靠CPU通信，由于CPU的外围接口有限，导致功能模块难以扩展的问题；功能模块更新换代，只需要对手机模块的软硬件进行升级，而手机只需要软件升级，极大缩短手机开关周期，降低手机新功能、新外围设备的调试难度、开发的时间，从而节省开发成本。

Description

一种基于FPGA架构手机模块及其与手机的连接方法

技术领域

本发明涉及通信设备，特别涉及一种基于FPGA架构手机模块及其与手机的连接方法。

背景技术

现在手机的电池容量越来越大、功能要求越来越多，主板上的布局空间变得更加紧张。尤其是受全面屏、刘海屏、双前摄的冲击，手机额头部分的天线禁空区越来越小，WIFI/BT/GPS天线、分级天线受周围器件的干扰越来越大。把更多的、不常用的模块移出手机本体，放到外加的手机模块上，是解决这个问题的很好方法。目前已有的手机配套模块，基本都是单个功能模块。每个模块都只有一两个功能，如摄像模块、充电模块等，模块的集成度很低。

现有的手机模块的与手机主机之间的通信依然是依靠CPU或者电源模块。由于CPU的外围接口有限，如I2C接口，即使目前最高端的CPU，留给外围设备自由使用的I2C也不超过5组。每一组I2C上挂的外围设备过多又会导致外设寻址冲突或者等待时间太长，I2C被拉死的风险加大。可用的SPI接口就更少，大部分CPU只会留一两组给外围设备用。所以基于现有的CPU架构无法支持更多的外围设备，这样就极大地限制了手机的功能拓展和应用。

另一方面，CPU的开发周期比较长，一般都需要2-3年的时间，配套的软件开发周期也比较长。而外围传感器、摄像头等功能芯片的更新换代周期都比较短，并且智能手机的功能拓展非常快。这样导致CPU和配套软件很难跟上外围设备、功能的高速发展。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明目的是提供一种基于FPGA架构手机模块及其与手机的连接方法，能够集成更多的功能，提高手机模块功能的多样性，同时降低手机新功能、新外围设备的调试难度，减少开发时间，从而节省开发成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于FPGA架构手机模块，包括FPGA模块，FPGA模块通过I/O接口连接有多种功能模块，FPGA模块通过SPI接口与手机的CPU连接通信；利用FPGA模块的I/O口模拟各种常规接口，通过FPGA来控制多种手机外设功能模块，再通过SPI接口完成CPU与FPGA的通信，这样极大拓展了手机模块的功能。

进一步，手机模块和手机之间的SPI接口通过手机的Type-C接口来实现，SPI接口有SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_SCLK、SPI_CS四组信号，在手机中设置两个高速双路开关，一个开关用来控制USB_DP/USB_DM和SPI_MISO/SPI_MOSI信号的选择，另一个开关用来控制USB_SBU1/USB_SBU2和SPI_SCLK/SPI_CS信号的选择；通过Type-C接口的CC1和CC2引脚判断插入的数据线类型；通过软件在手机中设置触发开关动作，如果检测到模块数据线插入，开关一把SPI_MISO/SPI_MOSI信号与TYPE-C连接器的D+/D-引脚导通，同时开关二把SPI_SCLK/SPI_CS信号与TYPE-C连接器的SBU1/SBU2引脚导通，完成SPI通信的连接。

进一步，连接有CAM卡和投影仪，所述FPGA模块采用带高速接口和内部集成有ISP的FPGA，通过FPGA来完成图形数据的处理，FPGA通过高速接口将图形数据传回到手机CPU中。

进一步，所述FPGA模块采用自带ROM和RAM的FPGA，或者在手机模块中外接ROM和RAM，用来存储FPGA的驱动、参数和临时数据。

进一步，所述功能模块包括收音机、传感器、数字电视、拓展摄像头和投影仪。

进一步，所述传感器包括红外遥控传感器、温度传感器、TOF距离传感器和湿度传感器，通过FPGA模块的I/O口模拟出I2C接口，实现对传感器的控制。

一种手机模块与手机连接方法，当用户想使用手机模块的某个功能模块时，连接数据线检测建立手机和手机模块的数据通信，将SPI_MISO/SPI_MOSI信号与TYPE-C连接器的D+/D-引脚导通，将SPI_SCLK/SPI_CS信号与TYPE-C连接器的SBU1/SBU2引脚导通，完成SPI通信的连接，打开手机模块的功能模块，通过FPGA模块对功能模块进行控制。

进一步，手机上设置有用于控制连接手机模块的开关，通过开关控制手机是否连接手机模块。

本发明的技术效果：

本发明基于FPGA架构手机模块，包括FPGA模块，FPGA模块通过I/O接口连接有多种功能模块，FPGA模块通过SPI接口与手机的CPU连接通信，实现了手机外设功能模块的扩张，FGPA I/O口多，并且可以灵活配置，利用FPGA模块的I/O口模拟各种常规接口，可以连接各种外设模块，极大地拓展手机外加模块的功能，并且模块与手机之间的接口也非常简单，使得手机可以支持更多的功能。解决了现有手机模块与手机依靠CPU通信，由于CPU的外围接口有限、手机内部结构空间有限，导致功能模块难以扩展的问题。

手机模块和手机之间的SPI接口通过手机的Type-C接口来实现，不需要额外增加连接器，结构简单、连接方便。

FPGA模块的驱动软件保存在ROM中，能够通过SPI接口进行升级，如果需要扩展手机新功能，只需简单的软件升级，无需修改硬件。只升级手机的软件、对应的FPGA软件，即可实现。

如果某个功能模块要更新换代，或者想额外增加新的功能，只需要对手机模块的软硬件进行升级，而手机只需要软件升级，从而快速完成功能升级或者增加新功能，极大缩短手机开关周期，降低手机新功能、新外围设备的调试难度、开发的时间，从而节省开发成本。

并且能使手机能更好地匹配外围设备的升级和新功能的拓展，从而在手机本体硬件、外观不做任何改动的基础上实现手机产品的升级。

附图说明

图1是FPGA架构手机模块系统框图

图2是手机模块和手机通过SPI接口连接的原理图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明基于FPGA架构手机模块，包括FPGA模块，FPGA模块通过I/O接口连接有多种手机外设的功能模块，FPGA模块通过SPI接口与手机的CPU连接通信。

利用FPGA模块的I/O口模拟出各种常规接口，如I2C接口等。通过FPGA来控制多种手机外设功能模块，再通过SPI接口完成CPU与FPGA的通信，这样极大拓展了手机模块的功能。功能模块包括收音机、红外遥控传感器、温度传感器、TOF距离传感器、湿度传感器、数字电视、拓展摄像头、投影仪等。

收音机：进入智能机时代后，还在用手机来听FM的用户数量急剧较少，可以考虑把耳机挪到模块上，通过FGPA来控制收音机。

传感器：现在主流的红外遥控传感器、温度传感器、TOF距离传感器、湿度传感器等传感器基本都是I2C接口，可以用FPGA的I/O口模拟出I2C接口，实现对传感器的控制。FGPA的特点就上I/O口比较多，并且可以灵活配置。这种架构能支持的传感器数量的非常巨大。如果有更新的传感器出来，只需要简单修改模块的软硬件就能实现。

数字电视：如果把数字电视放在手机上，天线和数字电视芯片都需要占很大的空间，也会导致手机的成本、尺寸的急剧上升。考虑到只有部分用户和部分地区会用到数字电视功能，这样也会造成功能的浪费。将该模块放到模块上，可以通过FPGA来完成管理，针对像素比较高的数字电视，需要考虑用高速接口。

拓展摄像头：手机考虑到厚度的影响，不能将摄像头的镜头做大，从而影响拍照效果。

投影仪：可以通过SPI接口，将图像从GPU传输到投影仪中，而投影仪的其他控制操作，完成可以通过FPGA来完成。如果要实时传输高速的视频信号，可以借助额外的HDMI接口。投影仪是体积较大的模块，如果放在主机上，对手机的尺寸会有很大的影响。所以将投影仪外接在手机模块上是一个非常好的选择。

所述FPGA模块采用自带ROM和RAM的FPGA，或者在手机模块中外接ROM和RAM，用来存储FPGA的驱动、参数和临时数据；普通的传感器都挂在FPGA上，可以直接与FPGA通信，等FGPA管理完成后，再将数据或者中断传出到手机CPU。

针对CAM和投影仪这些图形数据处理比较多的外围设备，采用带高速接口的FPGA，或者内部集成相机用图像处理器ISP(Image Signal Processor)的FPGA来完成图像处理，FPGA通过高速接口将数据传回手机CPU中。

如果外围设备有更新换代，或者有新的智能机功能出现，只需要升级手机模块的硬件和FPGA的程序，手机主机的软件只需要做很小的修改，通过软件补丁的方法即可实现与新设备的匹配。

如图2所示，手机模块和手机之间的SPI接口通过手机的Type-C接口来实现，不需要额外增加连接器，SPI接口共有四组信号，分别上SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_SCLK、SPI_CS。用两个高速双路开关，一个开关用来控制USB_DP/USB_DM和SPI_MISO/SPI_MOSI的选择，另一个开关用来控制USB_SBU1/USB_SBU2和SPI_SCLK/SPI_CS的选择。通过Type-C接口的CC1和CC2来判断插入的数据线类型，通过软件在手机做一个专门的触发开关动作。如果检测到模块数据线插入，开关一把SPI_MISO/SPI_MOSI与TYPE-C连接器的D+/D-导通，同时开关二把SPI_SCLK/SPI_CS与TYPE-C连接器的SBU1/SBU2导通，完成SPI通信的连接。

将更多的非用户必须要用的功能移到模块到，从而使手机的成本、尺寸、外观更有竞争力；当用户想使用手机模块的某个功能时，打开手机上的开关，或者连接数据线自己检测建立起手机和手机模块的数据通信。将SPI_MISO/SPI_MOSI与TYPE-C连接器的D+/D-导通，将SPI_SCLK/SPI_CS与TYPE-C连接器的SBU1/SBU2导通，完成SPI通信的连接；打开手机模块功能后，主要靠FPGA来完成模块的控制。

通过FPGA模块的I/O模拟I2C接口，或者采用PFGA的高速接口，或者直接用I/O控制，实现将数据传回手机的CPU，也可以将CPU的数据传输到外围功能模块，完成相关功能的操作。

最后应该说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于FPGA架构手机模块，其特征在于：包括FPGA模块，FPGA模块通过I/O接口连接有多种功能模块，FPGA模块通过SPI接口与手机的CPU连接通信；利用FPGA模块的I/O口模拟各种常规接口，通过FPGA来控制多种手机外设功能模块，再通过SPI接口完成CPU与FPGA的通信，这样极大拓展了手机模块的功能。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA架构手机模块，其特征在于：手机模块和手机之间的SPI接口通过手机的Type-C接口来实现，SPI接口有SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_SCLK、SPI_CS四组信号，在手机中设置两个高速双路开关，一个开关用来控制USB_DP/USB_DM和SPI_MISO/SPI_MOSI信号的选择，另一个开关用来控制USB_SBU1/USB_SBU2和SPI_SCLK/SPI_CS信号的选择；通过Type-C接口的CC1和CC2引脚判断插入的数据线类型；通过软件在手机中设置触发开关动作，如果检测到模块数据线插入，开关一把SPI_MISO/SPI_MOSI信号与TYPE-C连接器的D+/D-引脚导通，同时开关二把SPI_SCLK/SPI_CS信号与TYPE-C连接器的SBU1/SBU2引脚导通，完成SPI通信的连接。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA架构手机模块，其特征在于：连接有CAM卡和投影仪，所述FPGA模块采用带高速接口和内部集成有ISP的FPGA，通过FPGA来完成图形数据的处理，FPGA通过高速接口将图形数据传回到手机CPU中。

4.根据权利要求2所述的基于FPGA架构手机模块，其特征在于：所述FPGA模块采用自带ROM和RAM的FPGA，或者在FPGA模块中外接ROM和RAM，用来存储FPGA的驱动、参数和临时数据；FPGA模块的驱动软件保存在ROM中，能够通过SPI接口进行升级。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于FPGA架构手机模块，其特征在于：所述功能模块包括收音机、传感器、数字电视、拓展摄像头和投影仪。

6.根据权利要求5所述的基于FPGA架构手机模块，其特征在于：所述传感器包括红外遥控传感器、温度传感器、TOF距离传感器和湿度传感器，通过FPGA模块的I/O口模拟出I2C接口，实现对传感器的控制。

7.一种权利要求2所述的手机模块与手机连接方法，其特征在于：当用户想使用手机模块的某个功能模块时，连接数据线检测建立手机和手机模块的数据通信，将SPI_MISO/SPI_MOSI信号与TYPE-C连接器的D+/D-引脚导通，将SPI_SCLK/SPI_CS信号与TYPE-C连接器的SBU1/SBU2引脚导通，完成SPI通信的连接，打开手机模块的功能模块，通过FPGA模块对功能模块进行控制。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：手机上设置有用于控制连接手机模块的开关，通过开关控制手机是否连接手机模块。