趙慶平，邵 芬，苗曙光

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000)

基于SOPC的射頻模塊控制器的設(shè)計(jì)*

趙慶平，邵 芬，苗曙光

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000)

針對(duì)ISM射頻模塊UTC-903SE，提出一種基于嵌入式軟核的設(shè)計(jì)方法，在FPGA片上系統(tǒng)中構(gòu)建出UTC-903SE控制器IP核以及嵌入式處理器Nios II軟核。通過(guò)FPGA控制無(wú)線射頻模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)，并具有實(shí)時(shí)性，為需要遠(yuǎn)距離采集數(shù)據(jù)的場(chǎng)合提供了方便快捷的方法。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；可編程片上系統(tǒng)；Nios；工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段

隨著微電子工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，簡(jiǎn)稱FPGA)作為可編程邏輯器件得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。可編程片上系統(tǒng)(System on a Programmable Chip，簡(jiǎn)稱SOPC)是一種片上系統(tǒng)(SOC),它是由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能。作為可編程系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)方式比較靈活，可刪減、擴(kuò)展、升級(jí)[1-4]。

由于無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段(簡(jiǎn)稱ISM頻段)前端射頻技術(shù)已經(jīng)是通訊和弱電領(lǐng)域的核心技術(shù)，受到了廣泛的關(guān)注。ISM頻段具有使用不受限制，收發(fā)設(shè)備價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[5]。

1 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)采用的主控芯片是ALTERA公司的cyclone II 系列芯片EP2C35F484C8N。該芯片有3 326個(gè)可配置邏輯單元和475個(gè)用戶引腳，不僅滿足本設(shè)計(jì)的要求，而且有較大的升級(jí)空間。ISM射頻模塊采用杭州威步科技有限公司UTC-903SE模塊。該模塊為UART串行數(shù)據(jù)接口，操作簡(jiǎn)易且適用性廣，實(shí)測(cè)距離可達(dá)1 800～2 000 m，F(xiàn)SK調(diào)制，工作頻率可配置在430～440 MHz，適合多節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)合。

本文實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)相同的上述開(kāi)發(fā)板(取名為A和B)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)射和接收[6-7]。該實(shí)驗(yàn)是將實(shí)時(shí)采集的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)開(kāi)發(fā)板A讀取出來(lái)，按照已設(shè)定的頻率無(wú)線發(fā)送出去，最后在開(kāi)發(fā)板B上接收并顯示出來(lái)。方案的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 射頻模塊控制器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建SOPC系統(tǒng)

在兩個(gè)開(kāi)發(fā)板的FPGA芯片上構(gòu)建SOPC硬件系統(tǒng)，包括FLASH控制器、SDRAM控制器、UTC-903SE模塊、溫度傳感器控制模塊和FIFO模塊。FLASH用于存儲(chǔ)硬件配置和應(yīng)用程序， SDRAM用做數(shù)據(jù)緩存區(qū)，UTC-903SE模塊用于控制射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。構(gòu)建的SOPC硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 方案的總體設(shè)計(jì)

圖2 UTC-903SE模塊

圖3 UTC-903SE 模塊引腳定義

2.2 UTC-903SE模塊

UTC-903SE模塊共有7個(gè)引腳，定義如圖3所示，表1給出了UTC-903SE模塊的接口定義。UTC-903SE模塊與FPGA的引腳連接如圖4所示。

3 射頻模塊控制器的軟件設(shè)計(jì)

Nios II處理器的軟件程序設(shè)計(jì)使用硬件抽象層(Hardware Abstration Layer，簡(jiǎn)稱HAL)系統(tǒng)庫(kù)。HAI系統(tǒng)庫(kù)為程序員提供了應(yīng)用程序與底層硬件交互的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，同時(shí)還為應(yīng)用程序與底層硬件驅(qū)動(dòng)劃分了一條清晰的分界線，從而大大提高了應(yīng)用程序的可復(fù)用性，使得應(yīng)用程序不受底層硬件變化的影響，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件和應(yīng)用程序之間的通信。HAI 應(yīng)用程序接口 (Application Program Interface，簡(jiǎn)稱API)集成了ANSI C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，可以使上層程序像訪問(wèn)C函數(shù)庫(kù)一樣訪問(wèn)系統(tǒng)硬件和軟件[8-9]。程序流程如圖5所示。

表1 UTC-903SE引腳說(shuō)明

圖4 主控芯片與模塊連接示意圖

控制器的發(fā)送代碼為：

void main(void)

{

alt_u8 t[3];

FILE *fp;

while(1)

{

t[0]=IORED_BALTERC_AVDLON_PPO_DETA(WAMDU_D_BCSE);

t[1]=IORED_ELTERA_AVHLON_PIO_DETA(WAMDU_L_BCSE)

fp = fopen("/dev/UTC903SE_UART","r+");

fwrite(t,3,1,fp);

fclose(fp);

圖5 UTC-903C模塊程序流程

}

}

控制器的接收代碼為：

void main(void)

{

aly_u8 r[3];

FILE *fp;

while(1)

{

fp = fopen("/dev/UTC903

SE","r+");

fread(t,3,1,fp);

fclose(fp);

IOWT_ALRERS_AVALOM_PIO_DETA(WENSU_H_BOSE,r[1]);

IOWT_ALRERS_AVALOM_PIO_DETA(WENSU_L_BOSE,r[2]);

printf("r[0]==%xm",r[1]);

printf("r[1]==%xm",r[2]);

}

}

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先由開(kāi)發(fā)板A將采集的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)UTC-903SE模塊發(fā)送出去，然后由開(kāi)發(fā)板B的UTC-903SE模塊接收并通過(guò)串口顯示在顯示器上。經(jīng)測(cè)試，在上位機(jī)中能夠正確顯示出溫度數(shù)據(jù)，改變發(fā)送溫度和發(fā)送距離后，接收系統(tǒng)均能正確反應(yīng)，并在上位機(jī)上顯示出來(lái)，這說(shuō)明控制器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的SOPC Builder和Nios II軟硬件結(jié)合的射頻模塊控制器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)便快捷，移植性強(qiáng)，適用性廣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的無(wú)線模塊控制器方案，易于開(kāi)發(fā)，功能正常，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線接收和發(fā)送。

[1]陳文娟，石江宏，陳凌宇.基于SOPC的高速通信接口設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2010,33(7)：117-124.

[2]陳東明，葉玉堂，蒲亮，等. 基于SOPC可重構(gòu)的圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件,2011，34(2)：232-236.

[3]王培元.基于FPGA的SOPC設(shè)計(jì)[J].襄樊學(xué)院學(xué)報(bào)，2010,31(8):42-44.

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[7]王智超，翁惠輝.基于無(wú)線通信模塊的溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,3(7): 272-274.

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[9]鄭見(jiàn)靈，原亮，較文成，等.基于Nios II的TFT-LCD控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2009(4):192-195.

Design of RF module controller based on SOPC

ZHAO Qing-ping, SHAO Fen, MIAO Shu-guang

(SchoolofPhysicsandElectronicInformation,HuaibeiNormalUniversity,Huaibei235000,China)

The paper puts forward a design method using embedded soft core based on ISM RF module UTC-903SE. It constructs UTC-903SE controller IP core and the embedded processor Nios II soft core on a chip system of FPGA. The design can realize real-time wireless transceiver of data. The design provides a convenient and fast method for many remote data acquisition. The design put forward a simple and fast method for many remote data acquisition.

field programmable gate array; system-on-a-programmable-chip; Nios II； ISM

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41275027)；安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2013Z228)。

2013-09-18

趙慶平(1972-)，男，遼寧錦州人，碩士，淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院講師。

1674-7046(2014)01-0073-04

TP331.2

A