基于ARM+FPGA實現多種類型接口數據傳輸的設計方法

王曉旭

摘 要：【目的】天線實時角度測量設備與天線的控制單元、環形器、信號處理、模擬器等多個外部設備之間存在多種類型的數據傳輸接口，為滿足這些接口在互不干擾的情況下，并行完成高速、準確、無延時的數據傳輸。【方法】硬件電路采用ARM+FPGA架構，以總線方式將ARM與FPGA通過地址線、數據線、讀/寫允許、片選、中斷信號等管腳接口邏輯連接。由ARM處理器實現主控制程序，通過Keil軟件開發，C語言設計。FPGA使用Quartus II開發環境，VHDL語言設計，采用狀態機和FIFO技術實現時序、數據、信號輸出的設計。【結果】該方法不僅滿足了多種類型數據接口并行傳輸的高速率、實時性要求，而且具有可擴展性。【結論】該方法已經在測控產品中應用，效果顯著。

關鍵詞：ARM；FPGA；數據傳輸；接口

中國分類號：TP311? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）06-0016-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.003

Design Method for the Achievement of Multiple Types Interfaces Data Transmission Based on ARM+FPGA

WANG Xiaoxu

（China Electronics Technology Corporation 39th Research Institute， Xi'an 710065， China）

Abstract： [Purposes] There are many types of data transmission interfaces between the antenna real-time angle measurement device and the antenna control unit， circulator， signal processing， simulator and other external devices. In order to meet these interfaces， high-speed， accurate and non-delay data transmission is completed in parallel without interference. [Methods] The hardware circuit adopts ARM + FPGA architecture， and the ARM and FPGA are logically connected by bus through pin interface such as address line， data line， read-write permission， chip selection， interrupt signal and so on. The main control program is implemented by ARM processor， developed by Keil software and designed by C language. FPGA uses Quartus II development environment， VHDL language design， and uses state machine and FIFO technology to achieve timing， data， signal output design. [Findings] The design method not only meets the requirements of high speed rate and real-time of parallel transmission of multiple types of data interfaces， but also has scalability. [Conclusions] The method has been applied in the measurement and control products， and the application effect is remarkable.

Keywords： ARM; FPGA; data transmission; interfaces

0 引言

隨著現代集成電路技術的飛速發展，在微處理器的嵌入式應用中，ARM處理器以小體積、高性能、低功耗、低成本、設計靈活等優點，處于技術領先位置［1］。FPGA屬硬件線路，具有抗干擾性強、數據高速處理能力強、運行快速穩定、擴展性強等優勢。ARM與FPGA各具特色，卻有很強的互補性，不僅可以單獨使用，還可以進行ARM+FPGA綜合設計［2］。ARM+FPGA架構在速度、功能、性價比等方面已實現質的飛躍，因其強大的設計優勢，近幾年被廣泛應用于各種通信、控制及測量設備中。本研究闡述了基于ARM+FPGA架構的天線實時角度測量設備實現多種類型數據傳輸的設計方法。

1 天線實時角度測量設備

天線實時角度測量設備的主要作用是采集并計算天線的實時角度，按不同頻率、不同接口分別傳輸到天線控制單元、信號處理、模擬器、環形器、增程等多個外部設備［3］。其傳輸接口類型分別為：SSI同步串行接口、高速并口、RS422串口等。SSI同步串行接口的頻率有2種，一種為585 Hz與300 Hz可切換，另一種為固定頻率；高速并口的頻率隨外部設備的輸入頻率（PRF）而變化；RS422串口的頻率為固定頻率。其原理示意如圖1所示。

2 硬件設計

天線實時角度測量設備的硬件核心部分分別選用ARM7TDMI-S內核的LPC2294單片機和EP1C6T144的FPGA芯片。以總線方式將ARM單片機與FPGA結合使用，通過地址線、數據線、讀/寫允許、片選、中斷信號等管腳接口邏輯連接，形成“ARM+FPGA”架構的核心控制方式，從而節省了ARM與FPGA芯片的I/O口。ARM是主控芯片，實現主控程序功能，設備流程均由其來完成。FPGA用于擴展功能，在FPGA中設置譯碼器，鎖存器電路。FPGA不僅實現與人機界面、信號處理、增程、模擬器等外部設備接口，而且完成A/D器件的高速數據采樣，并將數據暫存SRAM中。接口邏輯框如圖2所示。

3 程序設計

ARM單片機完成主控程序，基于Keil軟件開發工具，采用C語言設計。FPGA使用Quartus 1I可編程邏輯器件集成開發環境，采用VHDL語言設計［4］。

3.1 主控程序設計

ARM單片機實現主控程序功能，主程序初始化后由FPGA產生的中斷觸發，進入主函數While（1）的死循環中［5］，采集天線軸角的精、粗碼；外時統時間；計算角度；解碼實時時間；RS422串口收、發數據；人機界面顯示信息等以上要執行的命令，均在此循環內部完成，且以觸發中斷的頻率為循環周期。將SSI同步串行接口和高速并口程序設置在優先級更高的外部中斷中，保證數據的準確性和實時性。這種軟件設計方式確保了實時角度數據以多類型、多接口、不同頻率的形式準確無誤地上報給外部設備。

3.2 SSI同步串行接口設計

SSI同步串行接口由4路信號：起始（Start）、時鐘（Clk）、數據（Data）、結束（End）組成，通過FPGA來實現時序輸出，其I/O引腳分別作為Start、Data、Clk、End的輸出端口。采用有限狀態機和FIFO存儲器技術［6］，時鐘頻率由外部10 MHz為基礎頻率，FPGA可根據速度要求變化頻率，時序關系如圖3所示。

3.3 高速并口設計

高速并口由16路數據位（Data0～Data15）、1路使能位（Wen）、1路時鐘位（Clk）、1路應答位（Ack）組成，全部使用FPGA的I/O引腳。通過外部輸入基準脈沖（PRF）下降沿觸發，外部基準脈沖（PRF）頻率一般為585 Hz或300 Hz。時序關系如圖4所示。

3.4 RS422串口

RS422串口通信由ARM單片機自帶的串口功能完成。采用串口0和串口1，外接2路MAX3491串口芯片電路，可同時實現2路RS422串口信號輸入與輸出，從而完成與天線控制單元的數據信息通信［7］。

4 結語

本研究采用“ARM+FPGA”核心架構，ARM為主控芯片，FPGA為擴展芯片，充分利用了ARM與FPGA的自身資源，以總線方式將ARM與FPGA結合使用，實現了高速數據采集、計算，并把多種類型、不同頻率的接口與外部設備之間進行信息交互，完成高速數據傳輸。該設計方案可靠性高、傳輸速率快，保證了數據的實時傳輸，滿足了高速、大容量的數據傳輸場合需要。該設計方法克服了單一使用ARM或FPGA時I/O接口數量有限、難以直接完成多種數據通信的缺陷，具有可擴展性。為了滿足不同類型的接口能夠同時并存，且互不干擾，需要對ARM中斷優先級進行合理排序，優化調配FPGA的時序。該設計方法已經在工程實踐中應用，并取得良好的效果。

參考文獻：

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