龔 敬，孟令軍，嚴(yán) 帥，尹維漢

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

片上可編程系統(tǒng)（System on Programmable Chip，SoPC）是Altera公司提出的一種靈活、高效的SoC解決方案，將處理器、緩存、存儲(chǔ)器、I/O口、高速總線等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一個(gè)FPGA器件上，構(gòu)成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)[1]。采用SoPC技術(shù)可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，縮小尺寸，降低總體系統(tǒng)成本，克服多芯片集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的一些困難，通過提高芯片集成的系統(tǒng)功能以獲得更高的系統(tǒng)性能，減少電路板面積，降低制造成本。本文采用的方法充分利用了SoPC的特性和優(yōu)勢(shì)，合理地選擇所需處理器和外設(shè)接口控制模塊，既保證了處理速度，又最大程度地降低了系統(tǒng)成本。

1 工作原理

本文采用基于大規(guī)模FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件上主要由控制計(jì)算機(jī)、USB接口單元、FPGA和外圍接口電路等部分組成。軟件上，Nios II主控制軟件采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，部分外圍邏輯模塊使用VHDL程序設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的模塊功能劃分清楚明確，并且各個(gè)功能模塊之間的耦合性極小，因此模塊可以實(shí)現(xiàn)切割測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)整合后可以達(dá)到較高的可靠性，縮短了開發(fā)周期。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)主控器件為一個(gè)基于FPGA的32位嵌入式CPU系統(tǒng)，由Altera公司的EP2C35和SRAM等芯片構(gòu)成，各功能模塊在它的控制下協(xié)同工作。其中嵌入式CPU是一個(gè)Nios II內(nèi)核，它與外設(shè)控制接口、核外邏輯單元構(gòu)成一個(gè)完整的SoPC系統(tǒng)，處理器根據(jù)需要添加各種嵌入式外設(shè)，可以較為容易地在硬件方面實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)外設(shè)的管理，控制計(jì)算機(jī)與脈沖發(fā)生器之間的數(shù)據(jù)通信則由一個(gè)USB接口單元實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文包括硬件電路設(shè)計(jì)、SoPC系統(tǒng)搭建和Nios II軟件設(shè)計(jì)3個(gè)層次。

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要由EP2C35，SRAM，EPCS等芯片和相應(yīng)的外圍接口電路構(gòu)成。

2.1.1 主機(jī)與各功能部分之間的通信

脈沖發(fā)生器由USB接口單元與主機(jī)連接，以FPGA作為控制中心，通過USB接口單元實(shí)現(xiàn)FPGA與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。USB接口單元采用FT245芯片，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與FPGA芯片之間的并行通信，最大傳輸速度可達(dá)到1 Mbyte/s。

2.1.2 脈沖信號(hào)模擬模塊

脈沖信號(hào)模擬部分主要產(chǎn)生各種特定的數(shù)字脈沖信號(hào)，包括4種脈沖波形：第1種為72位不歸零碼，共1路，它在中斷信號(hào)和移位脈沖信號(hào)的時(shí)序控制下按位輸出固定數(shù)碼，可以手動(dòng)設(shè)置輸出，默認(rèn)狀態(tài)為01，23，45，67，89，AB，CD，EF，0F，其中中斷信號(hào)頻率為40 Hz，脈寬為7 ms，移位脈沖是周期為12 μs，8位一組，每組間隔96 μs的信號(hào)；第2種為特定頻率的規(guī)則脈沖信號(hào)，共1路，頻率為256 kHz，占空比50%，需產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)范圍為0～216個(gè)；第3種為特定頻率的不規(guī)則脈沖信號(hào)，共2路，每路均包括兩通道脈沖信號(hào)，頻率為500 Hz，脈沖寬度為6 μs，兩通道脈沖信號(hào)間時(shí)間間隔為0.5 μs的整數(shù)倍，最大為1 ms，發(fā)送脈沖的個(gè)數(shù)范圍為0～216個(gè)；第4種為可變頻率的不規(guī)則脈沖信號(hào)，共6路，頻率為1～75 kHz，平均分為6擋，脈沖寬度為2 μs，發(fā)送脈沖個(gè)數(shù)范圍為0～224個(gè)?？梢酝ㄟ^計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)修改各種輸出脈沖信號(hào)的路數(shù)、頻率和個(gè)數(shù)。圖2為脈沖信號(hào)模擬模塊原理框圖。

計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)設(shè)置產(chǎn)生相應(yīng)個(gè)數(shù)和頻率參數(shù)的各路脈沖信號(hào)，并通過以下步驟實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)輸出：1）通過USB接口單元向脈沖信號(hào)模擬模塊發(fā)送復(fù)位指令，復(fù)位FPGA；2）計(jì)算機(jī)通過USB接口單元發(fā)送脈沖參數(shù)，F(xiàn)PGA接收并暫存入一數(shù)組中，經(jīng)校驗(yàn)無(wú)誤后，通過Nios II內(nèi)核相應(yīng)的I/O口輸出脈沖參數(shù)給相應(yīng)的脈沖產(chǎn)生模塊，各數(shù)字量脈沖產(chǎn)生模塊輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)。如果與發(fā)送的參數(shù)不一致，則需要向上位機(jī)返回重發(fā)命令請(qǐng)求，重新執(zhí)行步驟1）～2）。

2.2 SoPC系統(tǒng)搭建

Nios II嵌入式內(nèi)核是系統(tǒng)的核心模塊，包括CPU核、JTAG控制接口、EPCS控制接口以及與外圍模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的I/O控制接口，為了滿足程序代碼存儲(chǔ)特性的需求，存儲(chǔ)器采用EPCS16和SRAM芯片。圖3是CPU模塊的部分截圖，其中包括部分芯片與FT245通信的I/O控制接口和SRAM控制接口。

2.3 Nios II主程序

系統(tǒng)的主程序采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)。相比VHDL語(yǔ)言來說，代碼更優(yōu)化、系統(tǒng)更方便維護(hù)和升級(jí)。主程序的流程是：上電后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，在上位機(jī)界面設(shè)置好各參數(shù)值后，參數(shù)值以數(shù)據(jù)包的形式下發(fā)至FT245，并暫時(shí)存儲(chǔ)至FT245內(nèi)部的緩存器中。程序進(jìn)入等中斷請(qǐng)求的狀態(tài)，如果沒有中斷請(qǐng)求信號(hào)到來則繼續(xù)等待，如果有中斷請(qǐng)求到來則讀FT245中的數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)至一數(shù)組中進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)、解包，解包后的數(shù)據(jù)如正確無(wú)誤則下發(fā)至CPU核各I/O端口，從而控制其相應(yīng)的數(shù)字脈沖產(chǎn)生模塊產(chǎn)生所需數(shù)字脈沖信號(hào)。數(shù)據(jù)分發(fā)完成后再次進(jìn)入等待命令的狀態(tài)，如此循環(huán)進(jìn)行。流程如圖4所示。

3 上位機(jī)控制軟件

上位機(jī)軟件是數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的主控軟件及數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件主要實(shí)現(xiàn)地面計(jì)算機(jī)與信號(hào)發(fā)生器之間的通信、數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)顯示、接口檢測(cè)、信號(hào)發(fā)生器工作狀態(tài)檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理等功能，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的中間媒介。本軟件采用VB進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以在Windows 7/XP操作系統(tǒng)上運(yùn)行。圖5是上位機(jī)軟件的功能模塊圖。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際測(cè)試后，各項(xiàng)功能指標(biāo)均滿足任務(wù)要求。圖6為脈沖信號(hào)模擬模塊產(chǎn)生的1路特定頻率規(guī)則脈沖信號(hào)，其中上位機(jī)軟件中的個(gè)數(shù)設(shè)置為8個(gè)。圖7為可變頻率不規(guī)則脈沖信號(hào)，其中個(gè)數(shù)設(shè)置為5個(gè)，頻率為1 kHz。圖8為特定頻率不規(guī)則脈沖信號(hào),兩脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔設(shè)置為1.5 μs，個(gè)數(shù)為2個(gè)。圖9為不歸零碼測(cè)試波形，其中CH1為中斷信號(hào)，CH2為移位脈沖信號(hào)，CH3不歸零碼信號(hào)。

經(jīng)過測(cè)試和試驗(yàn)，完全滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。各脈沖信號(hào)精度要求以及達(dá)標(biāo)情況見表1。

5 小結(jié)

本系統(tǒng)采用SoPC技術(shù)，利用Nios II嵌入式軟核CPU軟硬件系統(tǒng)可編程及可在線調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，將所需模塊控制接口集成至Nios II處理器系統(tǒng)中。根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的不同命令來產(chǎn)生不同頻率和個(gè)數(shù)的數(shù)字脈沖信號(hào)，通過示波器觀察所產(chǎn)生的各種脈沖信號(hào)，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了可選通道、可變頻率和個(gè)數(shù)可控?cái)?shù)字脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。

表1 精度參數(shù)要求

[1]SOPC（片上可編程系統(tǒng)）靈活、高效的解決之道[EB/OL].[2010-08-06].http：//www.dianzi9.cn/SOPC/200808/12-6483.html.

[2]倪亮，吳麗敏，趙鵬飛.基于SOPC基本信號(hào)產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技，2011，24（1）：89-92.

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

[4]張擁軍，趙雪峰，朱維樂.基于FPGA平臺(tái)的DVB-T發(fā)射端的實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2004，28（11）：61-63.