基于FPGA的接口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

郭鑫 馬俊

摘 要：21世紀(jì)是信息化的世紀(jì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，越來越多的計(jì)算機(jī)采用傳輸速率更快且性能更加優(yōu)良的USB接口，而個人計(jì)算機(jī)上的RS232，正在逐漸被淘汰。但在工業(yè)領(lǐng)域中RS232應(yīng)用仍十分廣泛。本文在此應(yīng)用背景下，研究和設(shè)計(jì)USB與RS232之間的接口轉(zhuǎn)換電路，硬件開發(fā)采用了SOPC設(shè)計(jì)思想，添加不同功能的模塊，構(gòu)建NIOS II系統(tǒng)，在Quartus II中完成硬件開發(fā)，而軟件開發(fā)在NIOS II IDE中完成，利用FPGA平臺，實(shí)現(xiàn)USB與RS232之間的接口轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)上位控制計(jì)算機(jī)與底層設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。

關(guān)鍵詞：USB接口；RS232接口；FPGA；SOPC

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，如今對計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信速度有了更高的要求，因此計(jì)算機(jī)的外圍接口也發(fā)展迅速。由于USB在個人計(jì)算機(jī)上應(yīng)用越來越廣泛，逐漸淘汰了RS232，但目前仍然很多采用RS232串行接口的工業(yè)設(shè)備、儀器儀表領(lǐng)域中，考慮到可行性和成本原因，立即將這些設(shè)備改造成USB接口是不可行的。因此本文選擇在FPGA開發(fā)平臺下實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)RS232接口，通過這樣將計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)的設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)USB與RS232接口的雙向數(shù)據(jù)傳輸，同時也擴(kuò)大了USB的傳輸距離。

一、基于FPGA嵌入式IP的SOPC系統(tǒng)

基于FPGA的嵌入式IP硬核SOPC系統(tǒng)是在FPGA中預(yù)先植入NIOS處理器。為了更好的通用性，必須將常規(guī)的嵌入式處理器集成諸多通用和專用的接口，但這樣又不得不增加芯片的成本和功耗。但如果將ARM或者其他處理器核以IP硬核的方式植入FPGA中，利用FPGA的可編程邏輯資源和可擦除性，按照系統(tǒng)功能需求來添加接口功能模塊，如USB模塊和RS232模塊，既能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)功能，又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低成本和低功耗。這樣使得FPGA靈活的硬件設(shè)計(jì)與處理器的強(qiáng)大軟件功能有機(jī)地結(jié)合在一起，更有效地實(shí)現(xiàn)SOPC系統(tǒng)。

雖然基于FPGA嵌入IP硬核能有效降低系統(tǒng)成本和功耗，但也有不足之處：（1）IP硬核多來自第三方公司。（2）這些IP硬核是預(yù)先植入系統(tǒng)的。（3）設(shè)計(jì)者無法根據(jù)實(shí)際需要改變處理器的結(jié)構(gòu)。（4）無法根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)者的需求在同一FPGA開發(fā)板中集成多個處理器。根據(jù)以上不足，F(xiàn)PGA生產(chǎn)商設(shè)計(jì)了嵌入式系統(tǒng)IP軟核。利用Quartus II和SOPC Builder，對NIOS II及其外圍設(shè)備進(jìn)行模塊構(gòu)建，使得系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)者在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資源占用方面的要求，而且不同于IP硬核，NIOS II軟核在同一FPGA下可以添加多個IP軟核，只要FP

GA的邏輯資源夠用就行。在成本方面，因?yàn)镹IOS II是Altera公司直接提供，因此省下支付第三方廠商的知識產(chǎn)權(quán)費(fèi)用。

二、接口硬件電路設(shè)計(jì)

本文采用的是CH376芯片作為USB接口的芯片。CH376芯片是文件管理控制芯片，用于單片機(jī)系統(tǒng)讀寫U盤或者SD卡中的文件，本文主要用到了CH376芯片的USB設(shè)備方式。其中CH376采用8位并口接口方式連接到FPGA上進(jìn)行控制。

根據(jù)CH376手冊，了解CH376的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出在3.3v電源電壓下USB的外圍電路。本文設(shè)計(jì)的USB電路有一下幾個特點(diǎn)：（1）自供電：5VVCC；（2）傳輸速度：12Mbps；（3）USB芯片：CH376。（4）時鐘電路：12MHz晶振。

接口轉(zhuǎn)換主要思想是在FPGA上面構(gòu)建NIOS II系統(tǒng)平臺，這樣在SOPC Builder中已經(jīng)添加了RS-232模塊，因此串口可以直接連接到FPGA上，只需要保證電氣的相容性即可。在RS-232外圍電路設(shè)計(jì)中，采用了MAX3232芯片來完成RS232總線電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換。

三、基于NIOS II IDE系統(tǒng)軟件開發(fā)

USB分主機(jī)模式和設(shè)備模式，本文主要用到了USB的設(shè)備模式。FPGA開發(fā)板通過USB接口與電腦相連，電腦里面的上位機(jī)來發(fā)送、接收USB數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)FPGA開發(fā)板與電腦的數(shù)據(jù)通信。本論文通過設(shè)計(jì)的USB接口連接到FPGA上，用FP

GA來控制USB芯片的接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣在FPGA NIOS II系統(tǒng)內(nèi)完成USB接口與RS232接口的數(shù)據(jù)交換。基于FPGA的SOPC設(shè)計(jì)思想，在開發(fā)過程中主要使用到了Quartus II9.0、SOPC Builder、NIOS II IDE9.0軟件。

將所做的USB接口、RS232接口通過導(dǎo)線連接到黑金FP

GA開發(fā)板的擴(kuò)展引腳上，同時將USB接口通過USB數(shù)據(jù)線連接到電腦上，RS232接口通過串口線連接到電腦上，通過上位機(jī)串口調(diào)試助手和USB調(diào)試助手來驗(yàn)證調(diào)試轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)是否實(shí)現(xiàn)。

圖1 硬件電路低連接圖

如圖2所示，打開串口調(diào)試助手，串口設(shè)置為COM1，波特率設(shè)置為115200，校驗(yàn)位為NONE，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1。當(dāng)在串口調(diào)試助手中發(fā)送數(shù)據(jù)“西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院”時，數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA，在NIOS II系統(tǒng)內(nèi)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，由USB接收，在USB調(diào)試助手上顯示出來“西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院”。在USB調(diào)試助手中輸入“Southwest jiaotong University”，點(diǎn)擊“Send”，數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA，在NIOS II系統(tǒng)內(nèi)被串口接收，并在上位機(jī)程序串口調(diào)試助手中正確顯示出來。經(jīng)過在上位機(jī)程序USB調(diào)試助手和串口調(diào)試助手中的調(diào)試，能夠完成USB接口轉(zhuǎn)換RS232接口，正常實(shí)現(xiàn)接口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

圖2 USB接口與RS232接口調(diào)試窗口圖

結(jié)論：本文在查詢翻閱國內(nèi)外關(guān)于接口轉(zhuǎn)換的期刊文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，闡述了本文基于FPGA的接口硬件電路設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)和可行性。在闡述了USB接口和RS232接口通信原理后，從3個主要部分入手：首先是自行設(shè)計(jì)外圍硬件電路，通過跳線連接到FPGA上；然后是硬件開發(fā)中實(shí)現(xiàn)將外圍硬件電路USB接口和RS232接口與FPGA連接起來構(gòu)成一個NIOS II系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)硬件電路的開發(fā)；最后是接口電路的軟件開發(fā)，在實(shí)現(xiàn)USB接口、RS232接口與FPGA互連后，主要軟件編程驅(qū)動實(shí)現(xiàn)USB與RS232的接口數(shù)據(jù)通信，完成接口轉(zhuǎn)換。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 孫源.基于FPGA的多功能串行通信測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)：[碩士學(xué)位論文].南京：南京理工大學(xué)控制理論與控制工程，2010