基于NiosII的多串口转发通信处理机设计

时间：2021-08-09 22:37:57

关键字：多串口通信 SOPC FPGA NIOS

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[导读]摘要：针对工业控制领域中对多串口通信的需求，采用SOPC技术并利用FPGA的可编程性，给出了一个基于NiosII的30路串口数据转发通信处理机的设计方法，同时定义了相应的数据通信协议，从而实现了30路下位机与上位机的串口通信。实验结果表明，该系统具有相对较高的可靠性和稳定性，并可以根据实际需求灵活改变串口个数，具有良好的可移植性、易实现性和灵活性。

引言

随着电子技术的飞速发展,接口技术显得越来越重要，而且所要监控的工业环境也变的越来越复杂，对多串口通信的需求也随之增加。在多串口应用方面，目前虽然有一种通过PCI扩展主机串口的数量的多串口卡,但其价格高昂，在系统维护、性能、布线等方面存在很大缺陷,且可扩展串口数量也有限;另外，还有一种通过多串口芯片来扩展串口数量的方案，其可扩展的串口数则更有限，而且电路板体积大，功耗高，价格也高。

基于以上原因，本文利用SOPC技术，基于NiosⅡ设计了一个30路串口数据转发通信处理机。该设计方案具有集成度高、体积小、功耗低和速度快等优点，而且还具有用户可编程的特点，可方便实现其功能重构⑵。同时，该方案还可根据实际需求灵活改变串口个数,而且有着相对较好的移植性、易实现性和灵活性,具有潜在推广价值。

1 NiosⅡ软核处理器串行接口

1.1 NiosⅡ软核处理器的特性

本系统是以NiosII软核处理器为核心设计的片上系统，处理器采用Altera公司的第二代用户可配置的通用32位RISC软核处理器，它是Altera公司特有的基于通用FPGA架构的软CUP内核,设计者可以利用其开发工具SOPCBuilder设计构造以NiosII处理器为基础的系统，而且可以根据需要来调整嵌入式系统的特性、性能以及成本，扩展产品的生命周期,避免由于处理器的更新换代带来的损失.

1.2 UART内核

SOPC Builder中提供了具有Avalon接口的UART的IP核，可实现基于FPGA的嵌入式系统与外部器件之间的串行符号流通信。通过UART核可实现RS232协议，并可提供可调的波特率、校验、停止、数据位以及可选的RTS/CTS控制信号，可根据需要配置UART。图1所示为UART内核框图，它有两个用户可视部分:寄存器文件和RS232信号。

2 通信处理机硬件设计

该设计运用了Altera的NiosⅡ软核处理器，借助SOPCBuilder和QuartusII工具，可在EP2C8T144芯片上实现30路串口转发通信处理机的设计。图2所示为30路串口转发通信处理机的硬件设计框图，包括内嵌NiosII软核处理器系统、31个串行接口模块（其中一个串口作为母串口与PC机连接，其他30个串口为子串口与下位机连接）、JTAG调试模块等，通过SOPCBuilder可以根据设计者的需要来配置CPU及各功能模块的参数。

2.1 FPGA内嵌NiosⅡ处理器系统设计

由于NiosII是一个内嵌在FPGA中的软核处理器，其外设定制也就显得比较方便，在QuartusII工具中提供的SOPCBuilder环境下，其定制逻辑的结构框图如图2所示的硬件设计框图中的NiosII处理器系统。该系统定制了31个UART内核,且只用TXD和RXD这两个信号，而没有定制RTS和CTS控制信号。本设计把串口UART0作为母串口，其他串口作为子串口，有1位起始位，8位数据位，1位停止位,无奇偶校验位，串口波特率可以通过编程确定。

NiosII处理器系统的生成除了NiosII软核、片内及片外外设的定制外,还需要对各外设进行基址和中断号的分配、系统复位和异常地址设置。设计中可通过自动分配系统基地址和系统中断向量，来手动分配CPU复位地址为外设EPCS16.CPU溢出地址为片上RAM,CPU调试断点地址为JTAG调试地址，从而由系统报告得知系统是否定制成功，图3所示为NiosII系统定制图。

2. 2 FPGA外围电路设计

在该系统中，外围电路主要包括复位电路、串行接口电路、串行配置电路和存储电路等。限于篇幅，本文主要简单阐述其串行配置电路和串行接口电路。

由于CyloneII系列FPGA芯片主要采用SRAM单元保存配置数据，而SRAM是掉电易失性的，因而每次上电时,FPGA芯片都要重新下载配置数据。该系统采用串行配置器件EPCS16并通过主动串行模式来对FPGA芯片进行配置，其剩余的存储空间用来存储用户程序。EPCS16芯片与FPGA芯片相连的4个引脚分别是DATA、ASDI、nCS和DCLK。

为了与RS232的电压相匹配，在FPGA的I/O引脚和RS232连接器之间需要加电平转换芯片MAX3232,其连接也比较简单,只有两个引脚需要连接。MAX3232的T1IN和R1ONT引脚分别与UART核的TXD和RXD信号相连，R1IN和T1ONT引脚连接到RS232连接器。为了显示通信状态,TXD和RXD信号都将在连接一个发光二极管后通过一个上拉电阻接3.3V电源。

3 系统软件设计

3. 1 通信协议设计

在进行数据通信时,为了确保通信双方能够建立可靠、有效的数据通信,必须先定义好相应的数据通信协议。本文根据系统实际需求来定义与下位机的握手通信协议，其协议帧格式如表1所列。

基于NiosII的多串口转发通信处理机设计

该数据帧有8个字节，传输数据段长度可根据实际需求而定，校验字段为除帧头外的6个字节相加对256取余。需要说明的是，数据帧格式并不惟一，用户可以根据实际需求设计出不同的数据帧格式。

串口通信是按位传送、按字节来接收的「曰，按照表1中定义的数据帧格式的接收过程如下：

(1) 判断当前接收的数据段，如果是一帧开始，则对相关参数进行初始化。接着开始读,直到读到帧起始符0x7E或者读完为止;若没有，则丢掉所读数据。

(2) 如果读到了帧起始符0x7E,系统将设置读状态，该阶段字节数为7,分别对应地址、命令类型、传输数据、校验字;该阶段的处理就是读取7个字节数据。

利用数据帧进行数据传输时，只要将所读取的字节跟定义的数据通信格式比较,就可得到一帧完整的t-i-t

数据。

3.2 串口通信实现程序

系统软件设计是在非操作系统环境下利用软件集成开发工具IDE所提供的硬件抽象层HAL的库函数支持来编写的。系统上电复位后,FPGA芯片从串行配置芯片中加载配置数据，并初始化各串口参数，之后就可进行串口数据的收发。母串口通常以广播的形式给每个子串口发送数据，由下位机来判断是否接收数据;母串口以轮询的方式接收子串口数据。图4所示为母串口数据收发流程图。