王 斌，許偉杰

（中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所（上海研究站），上海200032）

聲納設(shè)備一般由換能器（信號(hào)轉(zhuǎn)換、收發(fā)設(shè)備）、信號(hào)處理主機(jī)（DSP等）和顯示控制分機(jī)（簡(jiǎn)稱顯控臺(tái)）三部分構(gòu)成。顯控臺(tái)和主機(jī)之間的通信非常重要[1]。

顯控臺(tái)和主機(jī)之間的通信距離較遠(yuǎn)，對(duì)通信的可靠性和安全性要求高，但是對(duì)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(tái)上諸多的旋鈕、開(kāi)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(fù)雜的邏輯關(guān)系。選用FPGA作為顯控臺(tái)主芯片可以滿足這些要求。以ALTERA公司的CycloneⅡ開(kāi)發(fā)板為例，其主芯片EP2C8Q208C最多可提供182個(gè)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(kāi)發(fā)環(huán)境Quartus和片上系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境SoPC下，可以非常方便地進(jìn)行控制模塊的開(kāi)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(chǔ)存模塊 Serial Flash等[4]。

本文利用FPGA芯片設(shè)計(jì)了一套顯示控制分機(jī)系統(tǒng)，并且以聲納訓(xùn)練靶為應(yīng)用背景編制了串口通信協(xié)議。

1 利用SoPC Builder構(gòu)建顯控臺(tái)的片上系統(tǒng)

SoPC Builder是ALTERA公司提供的片上系統(tǒng)（SoC）開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境下，選擇ALTERA公司開(kāi)發(fā)的32位RISC處理器NIOSⅡ。標(biāo)準(zhǔn)型的處理器NIOSⅡ/s可以運(yùn)行在100 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下，運(yùn)算速度超過(guò)50 DMIPS[2]。再構(gòu)建配套的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM、程序存儲(chǔ)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(duì)UART的控制主要通過(guò)編程寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。根據(jù)UART的寄存器結(jié)構(gòu)，在SoPC對(duì)應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境NIOSⅡIDE下建立C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體UART_ST，代碼如下：

2 顯控臺(tái)與主機(jī)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(tái)與主機(jī)的通信方式有三種，分別如圖1～3所示。

圖1 設(shè)置狀態(tài)下NIOSⅡ處理器與顯控臺(tái)通信

圖2 設(shè)置狀態(tài)下NIOSⅡ處理器通過(guò)UART與主機(jī)(DSP)通信

圖3 工作狀態(tài)NIOSⅡ處理器通過(guò)UART與主機(jī)(DSP)通信

在聲納設(shè)備工作之前，操作員在顯控臺(tái)要完成開(kāi)機(jī)與參數(shù)設(shè)置等動(dòng)作。此時(shí)，開(kāi)關(guān)等外圍設(shè)備會(huì)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(tái)顯示，還得通過(guò)UART發(fā)送到主機(jī)（DSP），作為主機(jī)信號(hào)處理運(yùn)算的某些參數(shù)。因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)串口發(fā)送，所以這些數(shù)據(jù)要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆指钆c編碼，并加上地址信息等。

在主機(jī)（DSP）接收到開(kāi)始工作的指令后，主機(jī)會(huì)把處理過(guò)程中或者處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)UART發(fā)送到顯控臺(tái)，方便操作員實(shí)時(shí)了解設(shè)備的工作狀態(tài)和工作結(jié)果。

3 在NIOSⅡIDE上實(shí)現(xiàn)串口通信協(xié)議

NIOSⅡIDE是ALTERA公司開(kāi)發(fā)套件中用來(lái)進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。所有軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)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(yǔ)言編程，可以根據(jù)SoPC建立的SoC，生成相應(yīng) makefile，在編譯時(shí)，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(kāi)來(lái)[5]。

3.1 串口通信協(xié)議

在NIOSⅡIDE下用C語(yǔ)言開(kāi)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(kù)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(tái)與主機(jī)所有通信數(shù)據(jù)和指令分為三種：(1)顯控臺(tái)處理器發(fā)送到主機(jī)(DSP)的指令，取值范圍為0x00～0x0f。典型的如0x00為開(kāi)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(tái)處理器發(fā)送到主機(jī)（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(jī)(DSP)發(fā)送到顯控臺(tái)處理器的數(shù)據(jù)，取值范圍為0x0x～0xfx。典型的如0x5x噪聲級(jí)別。

3.2 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，以聲納訓(xùn)練靶為例，設(shè)計(jì)C語(yǔ)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(kù)函數(shù)進(jìn)行操作。例如對(duì)PIO的操作函數(shù)：IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(BASE,DATA)(寫(xiě) 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(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)例化的操作，同樣可以方便地編程。本設(shè)計(jì)中結(jié)合了這兩種編程的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作要求簡(jiǎn)單的硬件，采用庫(kù)函數(shù)的操作方法，如Flash；對(duì)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、操作較為細(xì)化的硬件，采用寄存器結(jié)構(gòu)化的操作方法，如UART。

圖4 程序框圖

本文利用FPGA芯片構(gòu)建了聲納設(shè)備的顯示控制分機(jī)?；贏LTERA公司的 NIOSⅡ嵌入式處理器，建立了片上系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了顯示控制分機(jī)和主機(jī)（DSP）之間的RS232通信協(xié)議。在以EP2C8Q208C為主芯片的FPGA開(kāi)發(fā)板上，實(shí)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(jī)應(yīng)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(kuò)展性，便于維護(hù)和升級(jí)。

[1]蔣均齊.魚(yú)雷聲靶技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，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(jì)[J].電子設(shè)計(jì)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(chē)綜合顯控終端設(shè)計(jì)[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(chē)輛車(chē)載顯控終端的研制[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2007：25-26.