摘要 以時間同步儀的功能為出發(fā)點，設計了基于ARM和FPGA的控制系統，該系統以ARM芯片S3C2440A為控制核心，在FPGA芯片XCS30的輔助控制下，完成了時間同步儀系統的人機交互、參數設定、電文處理、遠程控制等功能。通過鍵盤操作，LED燈和LCD顯示屏，實現了簡潔的人機交互控制界面，并在人機交互模塊的基礎上完成了參數設定模塊的設計。通過以太網控制器實現了電文處理，采用CRC校驗法，在處理過程中對電文進行檢驗，確保電文處理的安全可靠，利用Telnet服務器實現了遠程控制模塊。
關鍵詞 時間同步儀；S3C2440A；FPGA；Telnet

    隨著現代科技的發(fā)展，信息需求不斷增加，衛(wèi)星導航定位系統備受關注，應用也有了更加深入的發(fā)展。為實現衛(wèi)星導航系統高質量的定位、導航和授時服務，地面站與衛(wèi)星之間的時間同步就顯得尤為重要。作為衛(wèi)星導航系統的關鍵型技術和基本性能，時間同步直接影響系統的定位、導航和授時服務。
    文中論述的時間同步儀控制單元設計方案是以ARM9芯片為主控制單元，FPGA芯片作為輔助控制單元。采用這個方案，可以有效簡化時間同步儀控制系統的復雜性，同時提高整個控制系統的靈活性和可靠性。

1 系統的組成和工作原理
    時間同步儀控制單元作為時間同步儀系統的控制中心，采用基于ARM核的32位嵌入式RISC微處理器，設計了微處理器與外圍設備控制端口與數據端口的連接，分別包括了與FPGA-XCS30，LCD顯示器PC4002、以太網MAC控制器DM9000和RS-232收發(fā)器的連接。圖1為時間同步儀控制單元組成框圖。

    (1)網口控制：實現網絡通信，遠程登錄操作控制板，并接收外部的導航電文信息以及發(fā)送導航電文信息。
    (2)串口控制：兩個串行端口，一個用于計算機通過超級終端登錄進行系統調試，另一個用于與發(fā)射單板的通信。LCD顯示控制：顯示信息的緩存。顯示信息包括控制信息、告警信息，完成人機交互。
    (3)鍵盤／按鍵控制：用于通過監(jiān)測并接收鍵盤控制信息，傳遞給ARM處理器。
    (4)系統工作狀態(tài)監(jiān)控：監(jiān)測各單板的插入狀態(tài)、工作溫度及電源供電情況，并對各單板的供電進行控制；通過I2C總線與各單板進行通信，控制其他單板工作狀態(tài)，下發(fā)控制指令。
    (5)ISA總線控制：實現各芯片與ARM處理器之間的通信。

2 系統硬件設計
2．1 ARM微處理器的選擇
    S3C2440A的核心處理器(CPU)是一款由AdvancedRISC Machines公司設計的16／32位ARM920T的RISC處理器。它的特點具體如下：
    (1)ARM920T內核實現了MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結構。這一結構具有獨立16 kB的指令Cache和16 kB的數據Cache。且每個都是由8字長的行組成。
    (2)片上由一個LCD控制器、3個通道的UART、4通道的DMA、2通道的SPI和1通道的IIC-BUS接口。
    (3)支持NAND Flash系統引導、系統管理器。
    (4)支持Thumb／ARM雙指令集，能很好的兼容8位／16位器件，大量使用寄存器，尋址方式靈活簡單，指令執(zhí)行速度更快，效率更高。
    (5)處理器主頻最高可達400 MHz。
    綜上所述，S3C2440A微處理器的工作頻率提高了系統的運行速度，使得處理器可以順利地運行于Windows CE，Linux等操作系統以較為復雜的信息處理，可減少軟件開發(fā)時間；S3C2440A具有強大的內部中端，方便進行TCP／IP的輪詢調用；S3C2440A具有豐富的外圍設備資源，可簡化微微電路中的擴展部分，降低系統的復雜度、減少系統成本。所以選S3C2440A作為該系統的核心處理器。[!--empirenews.page--]
2．2 輔助控制模塊電路設計
    系統使用的FPGA型號為Xilinux公司生產的Spartan XCS30，其完成各個器件與外接設備之間的檢測和監(jiān)控。FPGA XCS30所要實現的功能：接收從鍵盤按鍵模塊傳輸的操作信息，并把接收到的信息發(fā)送到控制芯片進行處理，同時接收從控制芯片生成的狀態(tài)信息，FPGA XCS30還可控制面板上的LED燈顯示。
    FPGA與S3C2440A使用ISA總線連接通信，如圖2所示。在S3C2440A BIOS設置中將“AdditionalISA I／O area 1”設置為“Enabled”，允許使用400h地址以上的ISA I／O空間，CPU可直接對該空間I／O訪問。將“Base Address”設置為“8200h”，“Range(bytes)”設置為“51 2”。在程序資源中可為FPGA分配從8200h起的連續(xù)512個I／O地址。

    FPGA XCS30使用具有主菜單、取消、確認、上、下、左、右和本地控制的8鍵位鍵盤，具有Power(+5)、Power(-5)、Error、Open、Local的5個LED顯示燈。其寄存器地址8244h作為鍵盤和LED共同使用的寄存器地址，對于S3C2440A而言，鍵盤狀態(tài)為讀操作，LED狀態(tài)為寫操作。數據交換使用8 bit I／O讀寫。
2．3 LCD接口電路設計
    在控制單元中，外接設備LCD作為系統人機交換界面，起著重要作用。其顯示包括系統操作菜單、系統運行狀態(tài)和系統工作參數等信息，并且可以實時顯示鍵盤所進行的參數設定，狀態(tài)設定等功能。系統中外接設備LCD使用的是Powertip公司生產的PC4002LRU LCD。

    S3C2440A具有支持LCD的引腳，可以直接與PC4002進行連接，而且其BIOS中已經嵌套配置支持LCD，如圖3所示。在物理鏈接上控制板與LCD通過背板進行信號通信。使用8 bit I／O讀寫進行數據交換。PC4002使用并行端口連接，占用從0X378h開始的8個I／O寄存器，其中0378h作為數據寄存器，0379h作為狀態(tài)寄存器，037A作為控制寄存器。[!--empirenews.page--]
2．4 以太網接口電路設計
    網絡傳輸模塊使用Devicom公司研發(fā)的一款快速以太網控制芯片DM9000A，其內部集成了10／100 MB物理層接口，支持8／16位數據總線，內置16 kB的SRAM，用于收發(fā)緩沖。
    S3C2440A內部沒有集成專用的以太網控制器，所以需要外掛一個以太網控制器。系統采用DM9000A作為以太網的物理層接口。S3C2440A與DM9000A的連接如圖所示。S3C2440A的數據總線LDATA15～LDATA0與DM9000A的SD15～SD0連接；地址線LADDR3與DM9000A的CMD連接；片選DM_CS與DM9000A的CS連接；DM_IOR／DM_IOW分別與DM9000A的IOR／IOW連接；EINT8與DM9000A的INT連接。以太網控制器DM9000A的工作地址為0X30 0，因為S3C2440A的地址線LADDR3與DM9000A的CMD連接，所以對其進行操作時分為以0X300作為地址端口和0X304作為數據端口。
2．5 RS232接口電路設計
    S3C2440A集成了3個串口UART0、1、2，文中用到UART0，UART1，其中UART0作為標準串口通信，與宿主機相連用于系統調試、超級終端控制和文件收發(fā)；UART1與單片機ATMEGA128連接，其作用是傳遞導航電文和狀態(tài)參數給GSG單板。圖4為S3C2440A與RS-232信號連接圖，其中上方的MAX3232SOP作為UART0使用，下方的MAX3232SOP作為UART1使用。

3 系統軟件設計
    系統的軟件部分是在Linux操作系統下實現的。結合控制系統的功能分為人機交互、參數設定、電文處理、遠程控制4個模塊，圖5為軟件設計流程圖。

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    (1)人機交互模塊。通過LCD設備提供系統的操作菜單顯示，利用鍵盤操作完成用戶的直接操作，同時利用機箱前面板上的LED指示燈向用戶顯示系統的工作狀態(tài)。S3C2440A處理器接收從FPGA傳送來的由鍵盤生成的相應控制指令，判斷控制指令并且根據控制指令更改操作菜單、參數設定、狀態(tài)信息。在液晶顯示器上實時顯示系統的狀態(tài)信息和參數信息等，以保證正常的人機交互，如圖6所示。

    (2)參數設定模塊。根據人機交互模塊判斷的控制指令設定系統的工作參數，通過RS-232收發(fā)器完成控制單元與GSG單板進行通信，將保存的導航電文發(fā)送到GSG單板的FPGA中，進行參數設定和改變發(fā)射狀態(tài)。
    (3)電文處理模塊。通過以太網MAC控制器DM9000與外部主機進行網絡通信，接收導航電文，在控制RS-232收發(fā)器與GSG單板進行通信，將收到的導航電文發(fā)送到GSG單板的FPGA中進行調制。如圖7所示為得到GSG產生的在S碼的波形圖。

    (4)遠程控制模塊。遠程控制服務通過網絡完成，用戶可以使用計算機超級終端程序，連接時間同步儀對其進行控制。利用遠程客戶端，經過身份識別后獲得對時間同步儀的控制權，從而進行參數設定、工作狀態(tài)設定等操作。圖8所示為遠程控制界面。

4 結束語
    采用S3C2440A為主控制單元，FPGA為輔助控制單元，實現了時間同步儀控制單元的設計要求：人機交互模塊實現了鍵盤控制，LCD顯示以及多級菜單功能。參數設定模塊通過改變狀態(tài)得到了相應的波形圖結果。電文處理通過注入電文與GSG單板FPGA引出信號比對測試，驗證了電文處理的正確性。遠程控制模塊通過Telnet軟件測試得到了預期的控制結果。