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(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)方式是在FPGA上通過編程的方式實(shí)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(jì)了藍(lán)牙技術(shù)模塊，并在工業(yè)以太網(wǎng)中，較好地實(shí)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jì)輸入、綜合、布局、驗(yàn)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(jì)環(huán)境中。NIOSⅡ的硬件開發(fā)環(huán)境是在 SOPC builder中進(jìn)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(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(jì)工具中，可通過JTAG將應(yīng)用程序下載到SOPC硬件系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試，可在指令集仿真器中對應(yīng)用程序進(jìn)行仿真調(diào)試，也可在ModelSim軟件中進(jìn)行仿真調(diào)試。基于NIOSⅡ的SOPC的軟硬開發(fā)環(huán)境及設(shè)計(jì)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(jìn)入傳統(tǒng)的FPGA硬件開發(fā)流程;在Quartus Ⅱ中進(jìn)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(jì)、調(diào)試等。

藍(lán)牙通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙技術(shù)是一個開放性的、短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，工作在全球通用的2.4GHz ISM頻段，采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，可以用于近距離通過無線連接的方式實(shí)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(shí)現(xiàn)靈活、安全、低成本、小功耗的數(shù)據(jù)和語音通信，實(shí)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(jìn)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(lán)牙無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。本設(shè)計(jì)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(lán)牙模塊，以便在藍(lán)牙通信模塊中實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議并通過藍(lán)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(lán)牙通信模塊的硬件設(shè)計(jì)框圖。

圖2 基于NIOSⅡ軟核的藍(lán)牙通信模塊的硬件設(shè)計(jì)框圖

在通信模塊上使用了AM29LV160的Flash和HY57V461620的SDRAM。將CPU的存儲容量進(jìn)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(shí)現(xiàn)按鍵低電平復(fù)位和上電低電平復(fù)位。

藍(lán)牙模塊的實(shí)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(jī)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(jī)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(diǎn)，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(lán)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(lán)牙芯片的外圍I/O腳提供電壓。CPU 與藍(lán)牙模塊接口電路圖如圖3所示。

圖3 CPU與藍(lán)牙接口的電路圖

基于NIOSⅡ軟核的FPGA芯片的SOPC設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)做了優(yōu)化，用于SOPC集成，最后在FPGA上實(shí)現(xiàn)。為完成設(shè)計(jì)要求，需要對處理器芯片進(jìn)行配置。其SOPC Builder上的配置如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙技術(shù)模塊的SOPC Builder上的配置圖

SOPC設(shè)計(jì)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(jì)、硬件仿真、軟件設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試等。在SOPC Builder中定義了CPU、存儲器接口(FLASH和SDRAM)、標(biāo)準(zhǔn)外圍接口(藍(lán)牙接口)、三態(tài)橋、硬軟件程序下載口和定時器。

軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙通信模塊的軟件設(shè)計(jì)主要集中在NIOS Ⅱ軟核的驅(qū)動開發(fā)和藍(lán)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(lán)牙模塊。藍(lán)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(jì)對模塊初始參數(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)，圖5所示為PS Key設(shè)置界面。

圖5 PS Key設(shè)置界面

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

小結(jié)

藍(lán)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(lán)牙技術(shù)具有低消費(fèi)、低功耗、安全性高等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)在藍(lán)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(kuò)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(lán)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(shí)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。