基于NIOSⅡ的聲納主機與顯控臺之間的RS232通信協(xié)議

  聲納設(shè)備一般由換能器（信號轉(zhuǎn)換、收發(fā)設(shè)備）、信號處理主機（DSP等）和顯示控制分機（簡稱顯控臺）三部分構(gòu)成。顯控臺和主機之間的通信非常重要[1]。
    顯控臺和主機之間的通信距離較遠，對通信的可靠性和安全性要求高，但是對通信速度要求不高。所以通信方式可以選擇串口通信協(xié)議RS232[2]。
    顯控臺上諸多的旋鈕、開關(guān)以及指示燈、數(shù)碼管等設(shè)備需要豐富的外圍接口。這些接口之間具有復雜的邏輯關(guān)系。選用FPGA作為顯控臺主芯片可以滿足這些要求。以ALTERA公司的CycloneⅡ開發(fā)板為例，其主芯片EP2C8Q208C最多可提供182個用戶I/O口，可以滿足外圍接口要求[3]。在ALTERA公司提供的硬件開發(fā)環(huán)境Quartus和片上系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境SoPC下，可以非常方便地進行控制模塊的開發(fā)。也可以構(gòu)建NIOSⅡ處理器，以及配置NIOS系統(tǒng)自帶的硬核，如串口通信模塊UART、儲存模塊Serial Flash等[4]。
    本文利用FPGA芯片設(shè)計了一套顯示控制分機系統(tǒng)，并且以聲納訓練靶為應用背景編制了串口通信協(xié)議。
1 利用SoPC Builder構(gòu)建顯控臺的片上系統(tǒng)
    SoPC Builder是ALTERA公司提供的片上系統(tǒng)（SoC）開發(fā)工具，它可以配合QuartusII完成FPGA芯片的CPU以及外圍設(shè)備的配置工作。
1.1 片上系統(tǒng)的構(gòu)建
    在SoPC Builder的開發(fā)環(huán)境下，選擇ALTERA公司開發(fā)的32位RISC 處理器NIOSⅡ。標準型的處理器NIOSⅡ/s可以運行在100 MHz的系統(tǒng)時鐘下，運算速度超過50 DMIPS[2]。再構(gòu)建配套的數(shù)據(jù)存儲器SDRAM、程序存儲器Serial Flash、系統(tǒng)地址管理器(System ID Peripheral)、編程調(diào)試接口（JTAG_UART）以及數(shù)碼管（SEG）、顯示和旋鈕（KNOB）、按鍵（KEYS）等PIO接口。
1.2 RS232 Serial Port的結(jié)構(gòu)
    對UART的控制主要通過編程寄存器來實現(xiàn)[2]。根據(jù)UART的寄存器結(jié)構(gòu)，在SoPC對應的軟件開發(fā)環(huán)境NIOSⅡIDE下建立C語言的結(jié)構(gòu)體UART_ST，代碼如下：
/*--------------UART------------*/
typedef struct
{
    union{
        struct{
            volatile unsigned long int RECEIVE_DATA :8;
            volatile unsigned long int NC:24;
        }BITS;
        volatile unsigned long int WORD;
    }RXDATA;
    union{
        struct{
            volatile unsigned long int TRANSMIT_DATA:8;
            volatile unsigned long int NC:24;           
        }BITS;
        volatile unsigned long int WORD;
    }TXDATA;
    union{
        struct{
            volatile unsigned long int PE:1;
            …其他狀態(tài)寄存器
        } BITS;
        volatile unsigned long int WORD;
    }STATUS;
    union{
        struct{
            volatile unsigned long int IFE:1;
                 …其他控制寄存器
            }BITS;
            volatile unsigned long int WORD;
    }CONTROL;
    union{
        struct{
volatile unsigned long int BAUDRATE_DIVISOR:16;
volatile unsigned long int NC:16;           
        }BITS;
        volatile unsigned  int WORD;
    }DIVISOR;
}UART_ST;
 

2 顯控臺與主機之間的通信
    聲納設(shè)備有兩種工作狀態(tài)——設(shè)置和工作。在這兩種狀態(tài)下，顯控臺與主機的通信方式有三種，分別如圖1～3所示。

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    在聲納設(shè)備工作之前，操作員在顯控臺要完成開機與參數(shù)設(shè)置等動作。此時，開關(guān)等外圍設(shè)備會觸發(fā)處理器的中斷處理程序，完成參數(shù)設(shè)置和顯示。這些參數(shù)不僅要在顯控臺顯示，還得通過UART發(fā)送到主機（DSP），作為主機信號處理運算的某些參數(shù)。因為是通過串口發(fā)送，所以這些數(shù)據(jù)要進行適當?shù)姆指钆c編碼，并加上地址信息等。
    在主機（DSP）接收到開始工作的指令后，主機會把處理過程中或者處理后的數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送到顯控臺，方便操作員實時了解設(shè)備的工作狀態(tài)和工作結(jié)果。
3 在NIOSⅡIDE上實現(xiàn)串口通信協(xié)議
    NIOSⅡIDE是ALTERA公司開發(fā)套件中用來進行嵌入式開發(fā)的平臺。所有軟件開發(fā)任務都可以在NIOSⅡIDE下完成，包括編輯、編譯和調(diào)試程序。它支持C/C++語言編程，可以根據(jù)SoPC建立的SoC，生成相應makefile，在編譯時，又可以根據(jù)makefile生成系統(tǒng)頭文件system.h，從而把軟硬件隔離開來[5]。
3.1 串口通信協(xié)議
    在NIOSⅡIDE下用C語言開發(fā)通信協(xié)議較為方便。由于RS232每幀數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)位為8 bit，所以將unsigned char 作為協(xié)議中的基本數(shù)據(jù)類型。在庫文件中，這種數(shù)據(jù)類型被定義為alt_u8。指令的前4位為0，后4位為指令內(nèi)容。數(shù)據(jù)前4位為數(shù)據(jù)的地址信息，后4位為數(shù)據(jù)內(nèi)容。
    顯控臺與主機所有通信數(shù)據(jù)和指令分為三種：(1)顯控臺處理器發(fā)送到主機(DSP)的指令，取值范圍為0x00～0x0f。典型的如0x00為開始工作指令，0x0f為停止工作指令，0x01~0x07為通信檢查指令。(2)顯控臺處理器發(fā)送到主機（DSP）的數(shù)據(jù)，取值范圍為0x1x～0xfx。典型的如0x9x和0xax，分別為多普勒頻移的低4位數(shù)據(jù)和高4位數(shù)據(jù)。(3)主機(DSP)發(fā)送到顯控臺處理器的數(shù)據(jù)，取值范圍為0x0x～0xfx。典型的如0x5x噪聲級別。
3.2 程序設(shè)計
    根據(jù)以上分析，以聲納訓練靶為例，設(shè)計C語言程序?？驁D如圖4所示。

    NIOSⅡ嵌入式編程可以直接調(diào)用ALTERA的庫函數(shù)進行操作。例如對PIO的操作函數(shù)：IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(BASE,DATA)(寫IO函數(shù))，IOWR_
ALTERA_AVALON_PIO_DATA(BASE,DATA)(讀IO函數(shù))。也可以構(gòu)建硬件寄存器的結(jié)構(gòu)，例如UART_ST這樣的結(jié)構(gòu)，通過對結(jié)構(gòu)實例化的操作，同樣可以方便地編程。本設(shè)計中結(jié)合了這兩種編程的優(yōu)勢，對于結(jié)構(gòu)復雜，操作要求簡單的硬件，采用庫函數(shù)的操作方法，如Flash；對結(jié)構(gòu)較為簡單、操作較為細化的硬件，采用寄存器結(jié)構(gòu)化的操作方法，如UART。
    本文利用FPGA芯片構(gòu)建了聲納設(shè)備的顯示控制分機。基于ALTERA公司的 NIOSⅡ嵌入式處理器，建立了片上系統(tǒng)，實現(xiàn)了顯示控制分機和主機（DSP）之間的RS232通信協(xié)議。在以EP2C8Q208C為主芯片的FPGA開發(fā)板上，實現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的構(gòu)建和軟件編程以及下載。此顯示控制分機應用在一體化聲靶中，工作穩(wěn)定可靠。由于片上系統(tǒng)構(gòu)建的靈活性，所以這種顯示控制方案在聲納設(shè)備中具有很好的可擴展性，便于維護和升級。
參考文獻
[1] 蔣均齊．魚雷聲靶技術(shù)研究[D]．長沙：國防科技大學，2006：8-9.
[2] 李金力，劉文怡，彭旭峰.基于FPGA的RS232異步串行口IP核設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2009，17(8)：31-35.
[3] Altera Corporation.Cyclone II Device Handbook[S].2007(1)：12-34.
[4] 張新喜，許軍，楊雨迎，等.基于SoPC技術(shù)的戰(zhàn)車綜合顯控終端設(shè)計[J].火力與指揮控制，2008，33(增刊)：109-112.
[5] 洪勝峰.基于嵌入式技術(shù)的軍用車輛車載顯控終端的研制[D].青島：中國海洋大學，2007：25-26.