當(dāng)前位置:首頁 > 嵌入式 > 嵌入式軟件
[導(dǎo)讀]基于NIOS II的BCMO4藍牙通信模塊的設(shè)計

本設(shè)計采用了Altera公司開發(fā)的第二代低成本的FPGA芯片,在其之上開發(fā)了基于BCM04的NIOSⅡ藍牙通信模塊。該通信模塊能夠代替電纜,有效的應(yīng)用于工作環(huán)境復(fù)雜多變的工業(yè)現(xiàn)場,可實現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備、接入點、手操器等設(shè)備的無線通信

引言
在工業(yè)現(xiàn)場中,大多的通信設(shè)備是通過加裝通信模塊來實現(xiàn)的,而大多的通信模塊的處理器采用ARM核。隨著微電子學(xué)和計算機科學(xué)的迅速發(fā)展,電子系統(tǒng)已經(jīng)從電路板級系統(tǒng)集成發(fā)展成為包括ASIC、FPGA和嵌入式系統(tǒng)的多種模式。SOPC由于集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯模塊,在設(shè)計和應(yīng)有的靈活性及其成本方面有較大的優(yōu)勢。


NIOSⅡ系列處理器是Altera公司的第二代FPGA嵌入式處理器。同前一代軟核的CPU相比,NIOSⅡ的性能得到很大提高,體積更小,其最大處理能力是第一代軟核的三倍。邏輯功能方面具有32位的精簡指令集CPU。實現(xiàn)方式是在FPGA上通過編程的方式實現(xiàn),這是與傳統(tǒng)的CPU的一個根本的差別。本文是在NIOSⅡ軟核的基礎(chǔ)上設(shè)計了藍牙通信模塊,并在工業(yè)以太網(wǎng)中,較好地實現(xiàn)了通信模塊與工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的無線通信。

NIOSⅡ嵌入式處理器概述
NIOSⅡ處理器是Altera公司的第二代用戶可配置的通用32位RSIC軟核微處理器,是Altera公司特有的基于通用FPGA架構(gòu)的軟CPU內(nèi)核。它可以提供:完全的32位指令集、數(shù)據(jù)總線和地址空間;32位通用的目的寄存器;32個外部中斷源;計算64位和128位乘積專用指令;單指令桶形移位器;對多種片上外設(shè)進行訪問,提供片外存儲器和外設(shè)接口;在IDE控制下,硬件輔助調(diào)試模塊可對處理器進行啟動、停止、單步和追蹤操作;基于CNU C/C++工具鏈和Eclipse IDE;所有的NIOSⅡ處理器系統(tǒng)的指令集兼容;具有超過150 DMIPS的性能。


它將設(shè)計輸入、綜合、布局、驗證、編程與配置以及第三方EDA工具接口集成在一個無縫的綜合性設(shè)計環(huán)境中。NIOSⅡ的硬件開發(fā)環(huán)境是在SOPC builder中進行的。SOPC builder是一個自動化的SOPC硬件系統(tǒng)的開發(fā)工具,集成在Quartus Ⅱ軟件內(nèi),Quartus Ⅱ和SOPC builder一起為建立SOPC設(shè)計提供標準化的圖形環(huán)境。Quartus Ⅱ和SOPC builder軟件,可以在很短的時間內(nèi)定義一個完整的硬件系統(tǒng)。SOPC builder 通過SOPC開發(fā)階段的系統(tǒng)定義、集成和驗證的自動化,縮短了產(chǎn)品的市場化時間。


NIOSⅡ軟件開發(fā)環(huán)境被稱為NIOSⅡ集成開發(fā)環(huán)境(Integrated Development Environment,IDE)。它內(nèi)嵌在Quartus Ⅱ設(shè)計工具中,可通過JTAG將應(yīng)用程序下載到SOPC硬件系統(tǒng)中進行調(diào)試,可在指令集仿真器中對應(yīng)用程序進行仿真調(diào)試,也可在ModelSim軟件中進行仿真調(diào)試?;贜IOSⅡ的SOPC的軟硬開發(fā)環(huán)境及設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 基于NIOSⅡ的SOPC軟硬件開發(fā)環(huán)境及流程


首先利用SOPC Builder的界面定制系統(tǒng),產(chǎn)生輸出文件;然后進入傳統(tǒng)的FPGA硬件開發(fā)流程;在Quartus Ⅱ中進行邏輯綜合、布局布線。在軟件流程中,用戶利用NIOSⅡ IDE環(huán)境,建立工程、編譯設(shè)計、調(diào)試等。

藍牙通信模塊的硬件設(shè)計
藍牙技術(shù)是一個開放性的、短距離無線通信技術(shù)標準,工作在全球通用的2.4GHz ISM頻段,采用跳頻擴頻技術(shù),可以用于近距離通過無線連接的方式實現(xiàn)固定設(shè)備以及移動設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互連,在各種數(shù)字設(shè)備之間實現(xiàn)靈活、安全、低成本、小功耗的數(shù)據(jù)和語音通信,實現(xiàn)全方位的數(shù)據(jù)傳輸。


工業(yè)現(xiàn)場中存在多種使用不同方法進行互連的設(shè)備。對有些環(huán)境比較惡劣,布線不方便等因素可以采用藍牙無線通信技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。本設(shè)計中,采用了基于NIOSⅡ軟核的FPGA芯片EP1C12Q240C8作為CPU處理器,并在處理器的外圍拓展了64Mb的SDRAM和16Mb的Flash,配置了50MHz的時鐘、復(fù)位電路、下載口,接入藍牙模塊,以便在藍牙通信模塊中實現(xiàn)通信協(xié)議并通過藍牙模塊發(fā)送測試數(shù)據(jù)或接收控制命令等。圖2為基于NIOSⅡ軟核的藍牙通信模塊的硬件設(shè)計框圖。

圖2 基于NIOSⅡ軟核的藍牙通信模塊的硬件設(shè)計框圖

[!--empirenews.page--]
在通信模塊上使用了AM29LV160的Flash和HY57V461620的SDRAM。將CPU的存儲容量進行了拓展,以便保證在EPA網(wǎng)絡(luò)上的通信協(xié)議的移植和操作系統(tǒng)(Linux、Windows CE)的移植。復(fù)位電路是由10kΩ電阻、10μF電容和按鍵組成的,可實現(xiàn)按鍵低電平復(fù)位和上電低電平復(fù)位。


藍牙模塊的實現(xiàn)采用了CSR公司的單芯片BCM04。BCM04內(nèi)嵌BlueCore04芯片,并提供SPI、UART/USB、PIO、PCM接口。BCM04中自帶8Mb的閃存SST39VF800,工作電壓為2.7~3.6V。在天線和發(fā)射機輸出端之間接入平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。帶通濾波器一般是無源器件,它的作用是濾除接收機不需要的頻帶內(nèi)的信號,為低噪聲放大器(LNA)提供選擇性信號起到減小干擾的作用。BCM04中采用了臺灣ACX公司的集成帶通濾波器+平衡不平衡轉(zhuǎn)換器的器件FB2520,帶通濾波器和平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器集成在一起集成度更高有效的減小了電路板的面積,該器件具有外型小巧,插入損耗低等優(yōu)點,能夠很好地完成平衡到不平衡端的轉(zhuǎn)換和帶通濾波的功能。BCM04中需要3.3V和  1.5V兩種電壓,其中1.5V是為藍牙芯片和帶通濾波器+平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器供電,3.3V為Flash芯片和藍牙芯片的外圍I/O腳提供電壓。CPU與藍牙模塊接口電路圖如圖3所示。

圖3 CPU與藍牙接口的電路圖


基于NIOSⅡ軟核的FPGA芯片的SOPC設(shè)計
NIOSⅡ嵌入式處理器是FPGA生產(chǎn)廠商Altera公司推出的軟核CPU,是一種面向用戶的、可以靈活定制的通用RISC(精簡指令集架構(gòu))嵌入式CPU。NIOSⅡ以軟核方式提供給用戶,并專為Altera的FPGA上實現(xiàn)做了優(yōu)化,用于SOPC集成,最后在FPGA上實現(xiàn)。為完成設(shè)計要求,需要對處理器芯片進行配置。其SOPC Builder上的配置如圖4所示。

圖4 藍牙通信模塊的SOPC Builder上的配置圖


SOPC設(shè)計包括以32位NIOS Ⅱ軟核處理器為核心的嵌入式硬件配置、硬件設(shè)計、硬件仿真、軟件設(shè)計和軟件調(diào)試等。在SOPC Builder中定義了CPU、存儲器接口(FLASH和SDRAM)、標準外圍接口(藍牙接口)、三態(tài)橋、硬軟件程序下載口和定時器。

軟件設(shè)計
藍牙通信模塊的軟件設(shè)計主要集中在NIOS Ⅱ軟核的驅(qū)動開發(fā)和藍牙協(xié)議的轉(zhuǎn)換上。Altera公司提供了包括硬件抽象層中字符模式器件、定時器件、文件子系統(tǒng)、以太網(wǎng)器件、DMA器件和Flash器件,并為每個器件提供一系列統(tǒng)一的初始化函數(shù)和訪問函數(shù)接口。通過對這些接口的讀寫,可完成NIOS Ⅱ軟核的驅(qū)動開發(fā)的開發(fā)。


首先初始化藍牙模塊。藍牙模塊加載了各種協(xié)議層后并不能工作,還需要根據(jù)不同的硬件設(shè)計對模塊初始參數(shù)進行設(shè)置。初始參數(shù)設(shè)置又稱為PSK設(shè)置,可以通過BlueLAB集成開發(fā)環(huán)境或者PS Key設(shè)置軟件來實現(xiàn),圖5所示為PS Key設(shè)置界面。

圖5 PS Key設(shè)置界面


藍牙協(xié)議棧已固化在藍牙芯片中,所以在初始化藍牙模塊后,就可通過藍牙模塊對工業(yè)現(xiàn)場的其他無線設(shè)備進行讀寫,更新藍牙指令。以下程序是實現(xiàn)藍牙串口驅(qū)動的所有函數(shù)指針。


typedef struct _HW_VTBL{
PVOID(*HWInit)(ULONG Identifier,PVOID pMDDCon-text,PHWOBJ pHWObj);
BOOL(*HWIoct1)(PVOID pHead,DWORD dwCode,
PBYTE pBufIn,DWORD dwLenIn,PBYTE pBufOut,DWORD
DwLenOut,PDWORDpdwActualOut);
} HW_VTBL,*PHW_VTBL;
//定義了藍牙仿真串口DDSI函數(shù)的名稱。
Const HW_VTBL BluetoothVTbl={
BluetoothInitSerial,
BluetoothIoctl
};
//用結(jié)構(gòu)變量CTRLVTbl定義了控制端口的DDSI函數(shù)名列表
Const HW_VTBL CTRLVTbl={
CTRLInitSerial,
CTRLDeinit,
CTRLOpen,
CTRLClose,
CTRLIoctl
};


小結(jié)
藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范,它以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ),為固定與移動通信設(shè)備的通信環(huán)境建立了一個特別連接的短程無線技術(shù)。藍牙技術(shù)具有低消費、低功耗、安全性高等特點。本設(shè)計在藍牙技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合了嵌入NIOS Ⅱ軟核的CPU,采用SOPC技術(shù),可裁減、可擴充、可升級,并具備軟硬件在系統(tǒng)中可編程的功能。FPGA芯片在藍牙通信模塊上的使用,使得通信模塊在可根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場實際需要更改CPU的配置成為可能,方便日后系統(tǒng)的軟硬升級,延長了通信模塊的使用壽命,為應(yīng)付工業(yè)現(xiàn)場多變的環(huán)境提供了保證。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點,本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫毥谦F公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險,如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機 衛(wèi)星通信

要點: 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運營商 數(shù)字經(jīng)濟

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學(xué)會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團)股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉