摘 要： 以ALTERA公司開發的NIOSⅡ為處理器，利用系統硬IP核和自建的模塊構建一個片上系統。在此系統上通過編程實現顯示控制分機與主機的RS232通信。測試證明這種方法靈活，有很好的可擴展性。
關鍵詞： 聲納設備；FPGA；片上系統；RS232通信協議
聲納設備一般由換能器（信號轉換、收發設備）、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議RS232[2]。
顯控臺上諸多的旋鈕、開關以及指示燈、數碼管等設備需要豐富的外圍接口。這些接口之間具有復雜的邏輯關系。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環境Quartus和片上系統開發環境SoPC下，可以非常方便地進行控制模塊的開發。也可以構建NIOSⅡ處理器，以及配置NIOS系統自帶的硬核，如串口通信模塊UART、儲存模塊Serial Flash等[4]。
本文利用FPGA芯片設計了一套顯示控制分機系統，并且以聲納訓練靶為應用背景編制了串口通信協議。
1 利用SoPC Builder構建顯控臺的片上系統
SoPC Builder是ALTERA公司提供的片上系統（SoC）開發工具，它可以配合QuartusII完成FPGA芯片的CPU以及外圍設備的配置工作。
1.1 片上系統的構建
在SoPC Builder的開發環境下，選擇ALTERA公司開發的32位RISC 處理器NIOSⅡ。標準型的處理器NIOSⅡ/s可以運行在100 MHz的系統時鐘下，運算速度超過50 DMIPS[2]。再構建配套的數據存儲器SDRAM、程序存儲器Serial Flash、系統地址管理器(System ID Peripheral)、編程調試接口（JTAG_UART）以及數碼管（SEG）、顯示和旋鈕（KNOB）、按鍵（KEYS）等PIO接口。
1.2 RS232 Serial Port的結構
對UART的控制主要通過編程寄存器來實現[2]。根據UART的寄存器結構，在SoPC對應的軟件開發環境NIOSⅡIDE下建立C語言的結構體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
聲納設備有兩種工作狀態——設置和工作。在這兩種狀態下，顯控臺與主機的通信方式有三種，分別如圖1～3所示。
在聲納設備工作之前，操作員在顯控臺要完成開機與參數設置等動作。此時，開關等外圍設備會觸發處理器的中斷處理程序，完成參數設置和顯示。這些參數不僅要在顯控臺顯示，還得通過UART發送到主機（DSP），作為主機信號處理運算的某些參數。因為是通過串口發送，所以這些數據要進行適當的分割與編碼，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據通過UART發送到顯控臺，方便操作員實時了解設備的工作狀態和工作結果。
3 在NIOSⅡIDE上實現串口通信協議
NIOSⅡIDE是ALTERA公司開發套件中用來進行嵌入式開發的平臺。所有軟件開發任務都可以在NIOSⅡIDE下完成，包括編輯、編譯和調試程序。它支持C/C++語言編程，可以根據SoPC建立的SoC，生成相應makefile，在編譯時，又可以根據makefile生成系統頭文件system.h，從而把軟硬件隔離開來[5]。
3.1 串口通信協議
在NIOSⅡIDE下用C語言開發通信協議較為方便。由于RS232每幀數據有效數據位為8 bit，所以將unsigned char 作為協議中的基本數據類型。在庫文件中，這種數據類型被定義為alt_u8。指令的前4位為0，后4位為指令內容。數據前4位為數據的地址信息，后4位為數據內容。
顯控臺與主機所有通信數據和指令分為三種：(1)顯控臺處理器發送到主機(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)顯控臺處理器發送到主機（DSP）的數據，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位數據和高4位數據。(3)主機(DSP)發送到顯控臺處理器的數據，取值范圍為0x0x～0xfx。典型的如0x5x噪聲級別。
3.2 程序設計
根據以上分析，以聲納訓練靶為例，設計C語言程序。框圖如圖4所示。
NIOSⅡ嵌入式編程可以直接調用ALTERA的庫函數進行操作。例如對PIO的操作函數：IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(BASE,DATA)(寫IO函數)，IOWR_
ALTERA_AVALON_PIO_DATA(BASE,DATA)(讀IO函數)。也可以構建硬件寄存器的結構，例如UART_ST這樣的結構，通過對結構實例化的操作，同樣可以方便地編程。本設計中結合了這兩種編程的優勢，對于結構復雜，操作要求簡單的硬件，采用庫函數的操作方法，如Flash；對結構較為簡單、操作較為細化的硬件，采用寄存器結構化的操作方法，如UART。
本文利用FPGA芯片構建了聲納設備的顯示控制分機。基于ALTERA公司的 NIOSⅡ嵌入式處理器，建立了片上系統，實現了顯示控制分機和主機（DSP）之間的RS232通信協議。在以EP2C8Q208C為主芯片的FPGA開發板上，實現了硬件系統的構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，工作穩定可靠。由于片上系統構建的靈活性，所以這種顯示控制方案在聲納設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核設計[J].電子設計工程，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技術的戰車綜合顯控終端設計[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.