基于NIOSⅡ的声纳主机与显控台之间的RS232通信协议

  声纳设备一般由换能器（信号转换、收发设备）、信号处理主机（DSP等）和显示控制分机（简称显控台）三部分构成。显控台和主机之间的通信非常重要[1]。
    显控台和主机之间的通信距离较远，对通信的可靠性和安全性要求高，但是对通信速度要求不高。所以通信方式可以选择串口通信协议RS232[2]。
    显控台上诸多的旋钮、开关以及指示灯、数码管等设备需要丰富的外围接口。这些接口之间具有复杂的逻辑关系。选用FPGA作为显控台主芯片可以满足这些要求。以ALTERA公司的CycloneⅡ开发板为例，其主芯片EP2C8Q208C最多可提供182个用户I/O口，可以满足外围接口要求[3]。在ALTERA公司提供的硬件开发环境Quartus和片上系统开发环境SoPC下，可以非常方便地进行控制模块的开发。也可以构建NIOSⅡ处理器，以及配置NIOS系统自带的硬核，如串口通信模块UART、储存模块Serial Flash等[4]。
    本文利用FPGA芯片设计了一套显示控制分机系统，并且以声纳训练靶为应用背景编制了串口通信协议。
1 利用SoPC Builder构建显控台的片上系统
    SoPC Builder是ALTERA公司提供的片上系统（SoC）开发工具，它可以配合QuartusII完成FPGA芯片的CPU以及外围设备的配置工作。
1.1 片上系统的构建
    在SoPC Builder的开发环境下，选择ALTERA公司开发的32位RISC 处理器NIOSⅡ。标准型的处理器NIOSⅡ/s可以运行在100 MHz的系统时钟下，运算速度超过50 DMIPS[2]。再构建配套的数据存储器SDRAM、程序存储器Serial Flash、系统地址管理器(System ID Peripheral)、编程调试接口（JTAG_UART）以及数码管（SEG）、显示和旋钮（KNOB）、按键（KEYS）等PIO接口。
1.2 RS232 Serial Port的结构
    对UART的控制主要通过编程寄存器来实现[2]。根据UART的寄存器结构，在SoPC对应的软件开发环境NIOSⅡIDE下建立C语言的结构体UART_ST，代码如下：
/*--------------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;
            …其他状态寄存器
        } 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 显控台与主机之间的通信
    声纳设备有两种工作状态——设置和工作。在这两种状态下，显控台与主机的通信方式有三种，分别如图1～3所示。

    在声纳设备工作之前，操作员在显控台要完成开机与参数设置等动作。此时，开关等外围设备会触发处理器的中断处理程序，完成参数设置和显示。这些参数不仅要在显控台显示，还得通过UART发送到主机（DSP），作为主机信号处理运算的某些参数。因为是通过串口发送，所以这些数据要进行适当的分割与编码，并加上地址信息等。
    在主机（DSP）接收到开始工作的指令后，主机会把处理过程中或者处理后的数据通过UART发送到显控台，方便操作员实时了解设备的工作状态和工作结果。
3 在NIOSⅡIDE上实现串口通信协议
    NIOSⅡIDE是ALTERA公司开发套件中用来进行嵌入式开发的平台。所有软件开发任务都可以在NIOSⅡIDE下完成，包括编辑、编译和调试程序。它支持C/C++语言编程，可以根据SoPC建立的SoC，生成相应makefile，在编译时，又可以根据makefile生成系统头文件system.h，从而把软硬件隔离开来[5]。
3.1 串口通信协议
    在NIOSⅡIDE下用C语言开发通信协议较为方便。由于RS232每帧数据有效数据位为8 bit，所以将unsigned char 作为协议中的基本数据类型。在库文件中，这种数据类型被定义为alt_u8。指令的前4位为0，后4位为指令内容。数据前4位为数据的地址信息，后4位为数据内容。
    显控台与主机所有通信数据和指令分为三种：(1)显控台处理器发送到主机(DSP)的指令，取值范围为0x00～0x0f。典型的如0x00为开始工作指令，0x0f为停止工作指令，0x01~0x07为通信检查指令。(2)显控台处理器发送到主机（DSP）的数据，取值范围为0x1x～0xfx。典型的如0x9x和0xax，分别为多普勒频移的低4位数据和高4位数据。(3)主机(DSP)发送到显控台处理器的数据，取值范围为0x0x～0xfx。典型的如0x5x噪声级别。
3.2 程序设计
    根据以上分析，以声纳训练靶为例，设计C语言程序。框图如图4所示。

    NIOSⅡ嵌入式编程可以直接调用ALTERA的库函数进行操作。例如对PIO的操作函数：IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(BASE,DATA)(写IO函数)，IOWR_
ALTERA_AVALON_PIO_DATA(BASE,DATA)(读IO函数)。也可以构建硬件寄存器的结构，例如UART_ST这样的结构，通过对结构实例化的操作，同样可以方便地编程。本设计中结合了这两种编程的优势，对于结构复杂，操作要求简单的硬件，采用库函数的操作方法，如Flash；对结构较为简单、操作较为细化的硬件，采用寄存器结构化的操作方法，如UART。
    本文利用FPGA芯片构建了声纳设备的显示控制分机。基于ALTERA公司的 NIOSⅡ嵌入式处理器，建立了片上系统，实现了显示控制分机和主机（DSP）之间的RS232通信协议。在以EP2C8Q208C为主芯片的FPGA开发板上，实现了硬件系统的构建和软件编程以及下载。此显示控制分机应用在一体化声靶中，工作稳定可靠。由于片上系统构建的灵活性，所以这种显示控制方案在声纳设备中具有很好的可扩展性，便于维护和升级。
参考文献
[1] 蒋均齐．鱼雷声靶技术研究[D]．长沙：国防科技大学，2006：8-9.
[2] 李金力，刘文怡，彭旭峰.基于FPGA的RS232异步串行口IP核设计[J].电子设计工程，2009，17(8)：31-35.
[3] Altera Corporation.Cyclone II Device Handbook[S].2007(1)：12-34.
[4] 张新喜，许军，杨雨迎，等.基于SoPC技术的战车综合显控终端设计[J].火力与指挥控制，2008，33(增刊)：109-112.
[5] 洪胜峰.基于嵌入式技术的军用车辆车载显控终端的研制[D].青岛：中国海洋大学，2007：25-26.