FPGA與MCU自定義并行總線(xiàn)通信設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

戴越，張林，劉廣民，張勇斌，荊奇，沈杰

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)，621900)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，人類(lèi)社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字化和智能化時(shí)代，計(jì)算機(jī)微機(jī)化得到快速發(fā)展，智能化、自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用。其中具有多控制器的嵌入式系統(tǒng)憑借其小型化、功能多樣化的特點(diǎn)得到了不斷的改進(jìn)與發(fā)展[1-2]。多控制器之間的實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信則是保證嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能和穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提[3-4]。比如，在基于單片機(jī)和FPGA的嵌入系統(tǒng)中，單片機(jī)和FPGA需要在彼此之間以及與外部設(shè)備和遠(yuǎn)程中斷之間進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳輸以滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化應(yīng)用的要求[5-6]。為了保證系統(tǒng)可靠性，數(shù)據(jù)通信的高效性和準(zhǔn)確性就顯得尤為重要[7]。

本文主要針對(duì)應(yīng)用于脈沖電源的板上系統(tǒng)進(jìn)行通信方式設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)包含F(xiàn)PGA與單片機(jī)兩種控制器，信號(hào)傳輸過(guò)程具有傳輸距離短，傳輸速率要求高，傳輸可靠性要求高等特點(diǎn)，針對(duì)此特點(diǎn)，本文提出自定義并行總線(xiàn)通信設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與FPGA之間數(shù)據(jù)的高速、可靠傳輸，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要技術(shù)保障。基于該通信方式的脈沖電源系統(tǒng)已經(jīng)使用一年多，未出現(xiàn)任何通信問(wèn)題。

1 系統(tǒng)方案

通信系統(tǒng)的方案對(duì)通信速率，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性起著決定性的作用。通信方式的選擇是系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)，決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議方式，通信總線(xiàn)的選擇，后期軟硬件的設(shè)置等。對(duì)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率，傳輸距離，傳輸可靠性以及系統(tǒng)成本都有著決定性的影響。

1.1 通信方式選擇

現(xiàn)有常用的通信方式主要有兩種：串行通信與并行通信。串行通信是指使用一條數(shù)據(jù)線(xiàn)，將數(shù)據(jù)從低位到高位或從高位到低位由一個(gè)通信系統(tǒng)一位一位地依次傳輸?shù)搅硪粋€(gè)通信系統(tǒng)，每一位數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使用一定的時(shí)間長(zhǎng)度，一般只需少數(shù)幾根傳輸線(xiàn)就能完成多系統(tǒng)之間的信息交換，成本低，適合遠(yuǎn)距離傳輸，但是由于傳輸線(xiàn)較少，存在著傳輸時(shí)間慢，效率較低的不足。并行通信指數(shù)據(jù)的各個(gè)數(shù)據(jù)位同時(shí)在多條數(shù)據(jù)線(xiàn)上進(jìn)行傳輸，與串行總線(xiàn)相反，其通信速度快，通信效率高，多用于需要實(shí)時(shí)、快速的場(chǎng)合，但是傳輸成本較高，不適宜遠(yuǎn)距離通信。并行傳輸和串行傳輸?shù)膮^(qū)別如圖1所示。在系統(tǒng)需要傳輸一個(gè)字節(jié)，并行通信需要8根數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)，而串行通信只需1根數(shù)據(jù)線(xiàn)，但并行傳輸速率約為串行傳輸?shù)?倍[8]。

圖1 并行通信系統(tǒng)與串行通信系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)有硬件設(shè)計(jì)要求，本文所針對(duì)的單片機(jī)與FPGA通信總線(xiàn)基于同一硬件系統(tǒng)，所以?xún)烧咝盘?hào)傳輸距離短，且系統(tǒng)要求較高的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸速率，所以選用應(yīng)并行通信作為系統(tǒng)通信方式。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由三個(gè)模塊組成，包括人機(jī)交互接口(觸摸屏 )、MCU控制單元 (C8051)、FPGA控制單元 (Altera,EP4CE75FE23I7)，如圖2所示。在觸摸屏上可實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖參數(shù)的設(shè)置并傳遞給MCU，同時(shí)觸摸屏也用于接收和實(shí)時(shí)顯示MCU反饋的電流、電壓參數(shù)；MCU一方面與觸摸屏通信完成脈沖電參數(shù)的接收和解析，另一方面以自定義總線(xiàn)的方式進(jìn)行與FPGA之間通信，向FPGA發(fā)送設(shè)置的參數(shù)，同時(shí)接收FPGA反饋的參數(shù)；作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，F(xiàn)PGA既與MCU通信以完成脈沖電參數(shù)的接收和電流、電壓參數(shù)的反饋，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的電路控制。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信框圖

其中，單片機(jī)與FPGA通信基于并行總線(xiàn)的選擇，提出了自定義并行總線(xiàn)。數(shù)據(jù)傳輸共設(shè)有40路IO線(xiàn)，其中8路總線(xiàn)用于控制數(shù)據(jù)傳輸，16路用于單片機(jī)向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)，另16路用于單片機(jī)從FPGA接收數(shù)據(jù)，采用雙向16位傳輸方案，可以滿(mǎn)足更大范圍的數(shù)據(jù)傳輸要求，滿(mǎn)足傳輸?shù)母咝室约昂笃跀?shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪浴⒖煽啃浴＞唧w總線(xiàn)設(shè)置如圖3所示。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與FPGA的異步雙向通信，實(shí)現(xiàn)上位數(shù)據(jù)的發(fā)送及下位數(shù)據(jù)的反饋。

圖3 單片機(jī)與FPGA通信總線(xiàn)示意圖

1.3 系統(tǒng)硬件選擇

1.3.1 單片機(jī)芯片選擇

C8051F040是高度集成的混合信號(hào)SoC級(jí)微控制器芯片，具有與8051單片機(jī)兼容的高速CIP-51微控制器內(nèi)核，除了標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中常用的模擬部件及其它一些數(shù)字外設(shè)部件。

C8051F040單片機(jī)系統(tǒng)控制器的內(nèi)核采用CIP-51微控制器，它與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。CIP-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括5個(gè)16位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、兩個(gè)全雙工UART串行接口、256字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及8個(gè)8位寬的I/O端口。該內(nèi)核采用流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。對(duì)于CIP-51內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。CIP-51共有111條指令。CIP-51工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率25MHz時(shí)，其峰值性能達(dá)到25MIPS。

1.3.2 FPGA 芯片選擇

FPGA的選用選擇Altera品牌，保證低成本應(yīng)用，滿(mǎn)足一定的容量，且芯片性能可以滿(mǎn)足一般的邏輯設(shè)計(jì)要求，在滿(mǎn)足性能要求的同時(shí)選擇性?xún)r(jià)比較高的類(lèi)型，Cyclone IV是一款低成本、低功耗的FPGA結(jié)構(gòu)，所以選擇Altera Cyclone IV系列的EP4CE75F23I7類(lèi)型芯片，選擇配置方式為JTAG，便于實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)程序的實(shí)時(shí)改進(jìn)。

2 通信系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)外圍通信電路及管腳設(shè)計(jì)

通信接口是通信系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外設(shè)及其他系統(tǒng)的通信的保證，單片機(jī)外圍設(shè)置16個(gè)數(shù)據(jù)輸出端口P5.0-P6.7、16個(gè)數(shù)據(jù)接收端口P3.0-P4.7以及8個(gè)通信控制總線(xiàn)端口P7.0-P7.7。

圖4 單片機(jī)外圍管腳設(shè)置

2.2 FPGA外圍通信電路及管腳設(shè)計(jì)

FPGA外圍借口設(shè)置與單片機(jī)相匹配，分別設(shè)置16個(gè)IO口P50-P67用于數(shù)據(jù)接收、16個(gè)IO口P30-P47用于數(shù)據(jù)發(fā)送以及8個(gè)通信控制總線(xiàn)IO口P70-P77。

3 并行通信原理及軟件設(shè)計(jì)

3.1 并行通信數(shù)據(jù)傳輸原理

3.1.1 并行接口輸入數(shù)據(jù)的過(guò)程

外設(shè)將數(shù)據(jù)送到“數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)”，通過(guò)“輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好”狀態(tài)線(xiàn)通知CPU將數(shù)據(jù)從并行總線(xiàn)接口取走，接口先將數(shù)據(jù)鎖存到“輸入緩沖器”，接口在其內(nèi)“狀態(tài)寄存器”的相應(yīng)位置1，便于CPU查詢(xún)和接口向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求之用。CPU從接口將數(shù)據(jù)取走后，通過(guò)“數(shù)據(jù)輸入回答”線(xiàn)通知外設(shè)，已經(jīng)完成當(dāng)前數(shù)據(jù)讀取，可以進(jìn)行下一步動(dòng)作，接口將“數(shù)據(jù)輸入準(zhǔn)備好”、“數(shù)據(jù)輸入回答” 信號(hào)清除，以便外設(shè)輸入下一個(gè)數(shù)據(jù)。

3.1.2 并行接口輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程

與數(shù)據(jù)輸入相似，接口“數(shù)據(jù)輸出緩沖器”為空，“數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)備好”狀態(tài)線(xiàn)送 1，收到CPU 發(fā)送的數(shù)據(jù)，將之復(fù)位清0，數(shù)據(jù)通過(guò)“數(shù)據(jù)輸出”線(xiàn)送到外設(shè)，由“數(shù)據(jù)輸出準(zhǔn)備好”線(xiàn)通知外設(shè)接收數(shù)據(jù)。

3.2 單片機(jī)與FPGA并行通信設(shè)計(jì)

單片機(jī)-FPGA通信程序的主體思路是：數(shù)據(jù)整體打包發(fā)送，即單片機(jī)連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)給FPGA，F(xiàn)PGA接收完所有數(shù)據(jù)之后，以某種方式進(jìn)行校驗(yàn)（求和，或CRC），如果校驗(yàn)成功則視為發(fā)送成功，否則視為發(fā)送失敗，并重新發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)多次發(fā)送失敗后，停止發(fā)送，并通過(guò)串口向上位機(jī)進(jìn)行可視化反饋，提醒用戶(hù)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。同理當(dāng)FPGA向單片機(jī)反饋參數(shù)時(shí)，F(xiàn)PGA也連續(xù)向單片機(jī)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收完所有數(shù)據(jù)后進(jìn)行校驗(yàn)，如果連續(xù)多次都校驗(yàn)失敗，則向上位機(jī)報(bào)警，否則視為發(fā)送成功。

圖5 FPGA外圍管腳設(shè)置

3.2.1 單片機(jī)與FPGA數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)

(1）單片機(jī)發(fā)送——FPGA接收數(shù)據(jù)

單片機(jī)將參數(shù)進(jìn)行打包定義，通過(guò)控制總線(xiàn)通知FPGA開(kāi)始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA接到通知后反饋準(zhǔn)備狀態(tài)。得知FPGA處于接收狀態(tài)，將一個(gè)16位數(shù)據(jù)發(fā)送到并行總線(xiàn)上，其中數(shù)據(jù)高四位作為參數(shù)號(hào)位，用來(lái)說(shuō)明當(dāng)前參數(shù)序號(hào)，便于FPGA判斷接收。串口P5.0-P5.7用于發(fā)送數(shù)據(jù)的低8位，P6.0-P6.7用于發(fā)送數(shù)據(jù)高8位，在完成單次數(shù)據(jù)上傳后通知FPGA開(kāi)始接收，F(xiàn)PGA從總線(xiàn)上完成接收后進(jìn)行處理讀取當(dāng)前參數(shù)號(hào)并完成參數(shù)暫存，然后向單片機(jī)反饋本次接收成功指令。當(dāng)單片機(jī)接受到FPGA反饋后說(shuō)明單次數(shù)據(jù)發(fā)送成功。單片機(jī)判斷是否完成所有數(shù)據(jù)的發(fā)送，如若未完成則繼續(xù)重復(fù)上一步驟發(fā)送，如若完成則發(fā)送校驗(yàn)和到FPGA并通知FPGA完成數(shù)據(jù)發(fā)送。當(dāng)FPGA判斷到接收到最后一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，將接收數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和運(yùn)算，然后與單片機(jī)端發(fā)送的校驗(yàn)和進(jìn)行比較以判斷本輪數(shù)據(jù)傳輸是否成功。

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

成功后FPGA則向單片機(jī)反饋成功指令并完成接收數(shù)據(jù)的定義與幅值，如若校驗(yàn)和對(duì)比異常則說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸異常，F(xiàn)PGA則向單片機(jī)反饋失敗指令，則系統(tǒng)需要重新進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送流程，如果多次失敗系統(tǒng)將會(huì)停止數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)便向上位機(jī)反饋報(bào)警。

(2）FPGA發(fā)送——單片機(jī)接收數(shù)據(jù)

與單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)相似，兩者之間數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)機(jī)控制通過(guò)控制總線(xiàn)P7實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)負(fù)責(zé)16位數(shù)據(jù)，其中P3.0-P3.7為數(shù)據(jù)的低8位，P4.0-P4.7為數(shù)據(jù)高8位。傳輸流程與發(fā)送數(shù)據(jù)相似，均通過(guò)應(yīng)答機(jī)制實(shí)現(xiàn)FPGA與單片機(jī)交流，保證傳輸?shù)耐叫耘c準(zhǔn)確性。 FPGA將數(shù)據(jù)打包完成并上傳至數(shù)據(jù)總線(xiàn)，其中數(shù)據(jù)低4位為參數(shù)號(hào)，高12位為數(shù)據(jù)值。然后通過(guò)將控制總線(xiàn)置1告訴單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)包并進(jìn)行解析暫存，然后通過(guò)控制線(xiàn)通知FPGA已完成當(dāng)前數(shù)據(jù)接收，可進(jìn)行后續(xù)動(dòng)作。FPGA判斷數(shù)據(jù)是否全部發(fā)送完畢，如果未完成則重復(fù)上述操作繼續(xù)發(fā)送，否則則向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)校驗(yàn)和，單片機(jī)端接收校驗(yàn)和之后與通過(guò)已接收數(shù)據(jù)計(jì)算出的校驗(yàn)和進(jìn)行比較，判斷本次數(shù)據(jù)傳輸總流程是否準(zhǔn)確完成。成功完成后單片機(jī)則向FPGA反饋成功指令，同時(shí)完成接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并向觸摸屏反饋用于使用者對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。如若校驗(yàn)和對(duì)比異常則說(shuō)明數(shù)據(jù)傳輸異常，單片機(jī)則向FPGA反饋失敗指令，則系統(tǒng)需要重新進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送流程，如果多次失敗系統(tǒng)將會(huì)停止數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)便向上位機(jī)反饋報(bào)警。

圖7 單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

圖8 FPGA接收數(shù)據(jù)流程圖

3.3 硬件實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

搭建FPGA-單片機(jī)板上系統(tǒng)，該硬件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)FPGA與51單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信過(guò)程。然后基于此硬件系統(tǒng)進(jìn)行單片機(jī)-FPGA收發(fā)實(shí)驗(yàn)，對(duì)單片機(jī)及FPGA通信變量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。首先進(jìn)行單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA接收數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，單片機(jī)共向FPGA發(fā)送4個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)比圖9(a)與圖9(b)可以看出，F(xiàn)PGA接收數(shù)據(jù)與單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)一致，完成單片機(jī)向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程。然后，進(jìn)行FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)PGA端共向單片機(jī)端發(fā)送4個(gè)數(shù)據(jù), 對(duì)比圖9(c)與圖9(d)可以看出，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)與FPGA端發(fā)送數(shù)據(jù)一致，完成FPGA向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程。

圖9 通信實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

4 總結(jié)

本文提出的基于FPGA與單片機(jī)的自定義總線(xiàn)通信系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，單次可完成16位數(shù)據(jù)收發(fā)，具有較高的傳輸效率。采取雙向應(yīng)答機(jī)制進(jìn)行指令反饋保證傳輸可靠性。數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用校驗(yàn)和方式進(jìn)行，校驗(yàn)方法簡(jiǎn)單便捷，且穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性較好。該傳輸流程具有錯(cuò)誤自檢，自動(dòng)重發(fā)，異常報(bào)警等功能，適用性廣，可靠性強(qiáng)，在多控制器的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中具有較高的實(shí)用價(jià)值。