一种基于FPGA核系统的智能429-422信号转换模块的设计

摘要：介绍了一种智能信号转换模块的设计方法。这种智能模块采用了基于FPGA嵌入式软核系统，是基于NiosII软核处理器的架构，可以在模块上完全实现外部总线信号之间相互转换，无需驱动程序或操作系统的干预。同时对用户逻辑设计、用户逻辑集成、固件设计技术等内容进行了详细的介绍。
关键词：现场可编程门阵列；软核；智能

0 引言
    在工业控制等领域的计算机系统中广泛涉及到信号转换等，信号转换模块在系统中承担着在多种信号之间进行翻译转换的任务。随着应用环境复杂性、计算机系统集成度的提高，信号转换模块上需容纳的信号通道的种类与数量也越来越多。频繁、大量的信号转换必然会占用较多的系统资源。随着微电子技术的发展，国外的一些生产厂商如Altera已推出在FPGA上以软核(soft core)方式实现的嵌入式系统。这种嵌入式系统基于NIOS II嵌入式软核处理器，其外设可以灵活选择增删，并允许自定制外设。本文介绍了一种基于NIOSⅡ软核系统的智能429-422信号转换模块的设计。

1 设计原理
    传统的非智能设计的转换模块，在工作时需要有驱动程序的控制，通过与操作系统或用户软件的交互，来实现信号转换的功能，亦即需要接入PCI Bus等系统总线，通过中断提请等方式工作，在转换通道数量多时，必然会影响系统的性能。采用智能设计的信号转换模块一般不需要操作系统的干预，接收到的外部总线信号经过本模块上NIOS II软核系统转换后，即可将数据信号输出。信号转换的工作全部由模块的硬件完成，因而可以实现对整个计算机系统资源的零占用。采用非智能设计与智能设计模块的结构示意框图如图1所示。

2 硬件设计
    429或422总线适配电路已有大量成熟的设计，本文不再赘述，仅重点介绍FPGA内部总线控制逻辑设计以及NiosⅡ软核系统的配置。

2．1 FPGA控制逻辑设计
    集成于FAPGA内部的Nios II CPU需要通过外部总线控制逻辑才能与外部总线进行通信，而Avalon总线是Nios II CPU与外部总线控制逻辑、片外FLASH、SRAM之间交换数据信号的枢纽。Avalon总线是一种协议较为简单的片内总线，在NiosⅡ系统中，外设都是通过Avalon总线与Nios II CPU相接的。Avalon总线接口可以分成两类：Slave和Master，Slave和Master主要区别是对于Avalon总线控制权的掌握。Master接口具有与之相接的Avalon总线的控制权，而Slave接口是被动的。Avalon总线支持自定制外设，用户可将自己的逻辑设计挂接到Avalon总线上。基于NIOSⅡ软核系统的智能429-422信号转换模块设计的详细系统结构框图如图2所示。

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2．1．1 串行总线控制逻辑设计
    为了将用户自定制的串行总线控制逻辑接入NiosⅡ系统，必须将其挂入Avalon总线。串行总线控制逻辑在设计上必须实现两类端口：一类为Avalon总线端口，Avalon总线时序由NiosⅡ系统实现，用户在逻辑设计时可暂不作考虑；另一类为串行总线控制端口。串行总线读操作时序如图3所示，图中给出了操作时各信号的时序保持关系。

    读时序在设计上可以抽象为一个有限状态机，如图4所示。其工作流程为：无数据传输时，状态机停留在空闲状态；若有数据操作请求时，进入“地址有效”的状态；再进入“读信号有效”状态，依次完成“数据读取”、“操作安全间隔”状态(FPGA片外器件要求的两次操作之间的最小间隔)。考虑到异常产生后状态机的稳定性，每个状态都可以在异常产生时返回到默认的“空闲”状态。同时，有些状态作了些等待延时，是为了让控制逻辑与FPGA外部较慢速的器件进行时序匹配。串行总线写操作时序与读操作时序相类似。

2．1．2 429总线控制逻辑设计
    429总线控制逻辑设计和串行总线控制逻辑设计方法与上文所述类似，这里不再重复。

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2．2 NiosIICPU的配置
    需要将自定制外设集成进嵌入式系统。本设计所使用的FPGA是Altera公司的EP2C35，可在Altera公司推出的开发软件Quartus II里对NiosⅡCPU进行配置。操作步骤为：在System contents中新建一个组件，在弹出的Component Editor窗口中的HDL Files栏中导入用户设计好的422接口控制逻辑设计的verilog文件；Signals一栏中，Component Editor已自动解析出导入的verilog文件所包含的端口Name，但用户还需对端口的类型进行指定，串行总线方向的端口须指定为export(相对于Avalon Slave端口而言)类型，Avalon总线方向的端口分别指定为标准的address、write、read、writedata、readdata等信号，如图5所示。

    设置完成后的自定制器件出现在Custom Devices中，可以将自定制的器件加入到Nios Ⅱ系统中，由Nios Ⅱ系统为其自动批定内存地址等资源。编译无误后即可完成NiosII CPU的设置。

3 软件设计
    Nios II嵌入式系统使用Altera公司提供的开发环境Nios Ⅱ IDE，Nios II IDE使用标准的C／C++语言作为编程语言，因此开发入门门槛不高。软件设计时，除了包含指定的system．h，alt_main．h等头文件，用户应针对被集成进入系统的自定制器件编写相应的头件，即将Al-tera提供的基本命令重新封装成用户自定义的软件命令，以使用户的程序更加直观、更具有可读性。

    软件流程图如图6示。在每次上电复位后，智能模块应对整个系统进行重新初始化，包括外设控制字的配置以及缓存初始化等工作。初始化完成后，应首先检查有无接收请求，如有请求，则开始接收、转换数据，并写入发送缓存，然后再判断一次有无接收请求，如无，才转入发送流程。发送完一次数据后，再次检查接收请求。这种做法提高了数据接收事件的优先权，可以保证接收数据不丢失。

4 结束语
    基于NIOSⅡ软核系统的智能429-422信号转换模块采用了智能化的设计技术，对比于非智能信号转换模块，具有零系统资源占用、可配置性强、转换速度快等特点，同时由于无须开发驱动软件，因而明显缩短了研发周期，在工业控制等计算机系统中将会有广泛的应用。