基于SOPC數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計

張 燕，任安虎

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

隨著IC設(shè)計與工藝水平的提高，可編程邏輯器件FPGA因其功能強(qiáng)大，設(shè)計靈活，開發(fā)周期短等特點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。片上可編程系統(tǒng)（System On Programmable Chip，SOPC）的設(shè)計方法更是越來越受到重視。SOPC將微處理器、存儲器、定時器、通用I/O接口等系統(tǒng)設(shè)計必需的功能模塊以及用戶設(shè)計的特定功能的模塊集成到一片可編程邏輯器件上，構(gòu)成一個軟、硬件可編程的片上系統(tǒng)。采用NiosⅡ軟核處理器，使設(shè)計具有更大的靈活性。NiosⅡ系列32位RISC嵌入式處理器具有超過200DMIP的性能，在低成本FPGA中實現(xiàn)成本只有35美分，可以在多種系統(tǒng)設(shè)置組合中進(jìn)行選擇，滿足成本和功能要求[1]。這種設(shè)計方式使整個系統(tǒng)的裁減、擴(kuò)充、升級變的容易，可縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)成本，延長產(chǎn)品的生命周期。

1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)一方面采集按鍵的鍵值顯示在數(shù)碼管上，并將鍵值數(shù)據(jù)通過串口送給PC；另一方面通過串口接收由PC發(fā)來的數(shù)據(jù)，將收到的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，由收到的數(shù)據(jù)控制相應(yīng)的發(fā)光二極管亮。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System block diagram

整個系統(tǒng)由Altera支持SOPC的CycloneII高性能、低成本、低功耗的FPGA和一些外圍電路組成。采用了Nios II嵌入式處理器，在FPGA芯片上實現(xiàn)核心控制處理功能。外圍電路主要有串行通信接口，LED數(shù)碼管、發(fā)光二極管，鍵盤，F(xiàn)lash、SRAM存儲器等組成。

2 硬件設(shè)計

利用SOPC技術(shù)結(jié)合VHDL硬件描述語言，在FPGA芯片內(nèi)部設(shè)計硬件控制部分；再加上外圍電路就構(gòu)成了整個系統(tǒng)的硬件電路。FPGA內(nèi)部各模塊利用Altera公司提供的Quartus II開發(fā)軟件和其中集成的SOPC Builder系統(tǒng)開發(fā)工具來設(shè)計。SOPC Builder支持Nios II CPU的配置，并支持設(shè)計者在其提供的IP庫中，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要選擇相應(yīng)的接口模塊，加入到Nios II系統(tǒng)中，將這些設(shè)計在Quartus II中編譯并生成sof格式文件后，下載到FPGA芯片中就形成了SOPC的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺[2]。

2.1 NiosII軟核處理器

本設(shè)計選擇的處理器是Altera公司推出的第二代嵌入式NiosII軟核處理器。Nios II處理器系列是一種面向用戶的，可以靈活定制的通用RISC（精簡指令集架構(gòu)）嵌入式CPU。Nios以軟核的方式提供給用戶，并專為在Altera的FPGA上實現(xiàn)作了優(yōu)化，用于SOPC（片上可編程系統(tǒng)）集成，最后在FPGA上實現(xiàn)。

它的外設(shè)可以靈活選擇或增刪，可以自定制用戶邏輯為外設(shè)，可以允許用戶定制自己的指令集，使用Nios加上外部的Flash、SRAM即可構(gòu)成一個嵌入式處理器系統(tǒng)[3-5]。構(gòu)建的軟核處理器如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟核結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System core structure

2.2 串行通信接口

串行通信接口芯片選用MAX3232，由電平轉(zhuǎn)換芯片完成從LVTTL電平到RS232C電平的轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

圖3 串行通信接口示意圖Fig.3 Serial communication on interface diagram

2.3 LED數(shù)碼管、發(fā)光二極管

8位數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，通過接收的數(shù)據(jù)控制點亮相應(yīng)的二極管。數(shù)碼管顯示譯碼在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)。發(fā)光二極管通過限流電阻直接接在FPGA的I/O口上。

2.4 Flash、SRAM 存儲器、鍵盤

系統(tǒng)片外FLASH選用AM29LV065DU，片外SRAM選用UM611024A；作為運(yùn)行Nios II的FLASH和SRAM。十個按鍵KEY0—KEY9直接與FPGA芯片的I/O口連接。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是利用Altera公司的軟件集成開發(fā)工具Nios II IDE來完成，用C語言進(jìn)行編程[6-7]。系統(tǒng)的軟件主流程圖如圖4所示。接收上位機(jī)PC發(fā)來的數(shù)據(jù)采用中斷方式，中斷方式能很快響應(yīng)提高程序的運(yùn)行效率，如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)主流程圖Fig.4 Main flow diagram of system

圖5 中斷服務(wù)子程序流程圖Fig.5 Interrupt service subroutine flow chart

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用SOPC技術(shù)實現(xiàn)了鍵值采集及顯示，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)給上位機(jī)PC；可以接收從上位機(jī)送來的數(shù)據(jù)并顯示，由接收的數(shù)據(jù)控制點亮相應(yīng)的二極管。在設(shè)計中采用了Nios II軟核處理器。通過實驗證實了系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在實際的應(yīng)用中具有很好的參考價值。

[1]周立功.SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2]張志剛.FPGA與SOPC設(shè)計教程—DE2實踐[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[3]袁海林.基于Nios II的高速圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計 [J].電子器件，2007，30（4）：1229-1331，1336.YUAN Hai-lin.Designing of the high-speed image acquisition system on NiosII[J].Chinese Journal of Electron Devices，2007，30（4）：1229-1331，1336.

[4]石新峰，董蘊(yùn)華，楊航.基于NiosⅡ+uClinux的現(xiàn)代住宅智能家居控制系統(tǒng)研究[J].建筑科學(xué)，2009，25（7）：73-76.SHIXin-feng，DONG Yun-hua，YANG Hang.Intelligent home control system based on the Nios II+uClinu[J].Building Science，2009，25（7）：73-76.

[5]潘松，黃繼業(yè).SOPC技術(shù)實用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[6]史邵春，佟國香.基于SOPC的數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的設(shè)計方法[J].微計算機(jī)信息，2011，27（1）:104-106.SHI Shao-chun，TONG Guo-xiang.Design method of data gathering and displaying system based on SOPC[J].Microconputer Information，2011，27（1）:104-106.

[7]江國強(qiáng).SOPC技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.