基于Nios II軟核的衛星地球站ODU監控終端設計

楊仕東，黃建國，李 力

（電子科技大學自動化工程學院，四川 成都 611731）

0 引 言

由于經緯度與海拔關系，衛星通信地球站ODU基本設置因地而異，氣象條件也會影響信號接收（或發送）質量，若設備需要在不同的頻段使用，那更是需要不一致的發射與接收頻點。如果各個地區的地球站都采用訂制生產的方式，不僅耗費極大人力財力，也對其維護帶來極大的困難。所以ODU的工作狀態應是可調控的。為了對ODU的工作狀態進行設置，該文設計了此終端[1]。

通過在FPGA中嵌入Nios II軟核來處理數據，控制不同模塊的動作。相對于其他的處理器，Nios II軟核主要有以下3個優勢：（1）靈活性。通過將CPU、外設、存儲器接口和定制硬件外設進行組合，達到每一新設計的特殊要求。（2）低成本。通過將Nios II嵌入到低成本的cyclone II FPGA中，此時FPGA不僅可以具有諸如Intel，ARM等處理器的功能，還可以完成系統邏輯設計的任務。（3）功能強大的開發工具。通過Quartus II中的SOPC Builder可以在幾分鐘內搭建一個系統，通過使用Nios II集成開發環境（IDE），加速了軟件的開發。

1 系統總體設計

系統總體結構如圖1所示，Nios II控制模塊作為該設計的核心模塊，控制著系統的各個模塊的動作；通信模塊完成ODU與監控終端的通信，實現兩者之間的數據交換；人機界面完成對ODU工作狀態的相關參數的設置和顯示；故障判斷是對通信控制模塊讀回的數據進行判斷后定位ODU的故障位置。

2 Nios II控制模塊

Nios II處理器具有完善的開發軟件，Quartus開發軟件中提供的SOPC Builder開發工具，設計人員使用它生成Nios II處理器。然后根據需要，從SOPC Builder的通用外設和接口庫中添加設備，而且可以利用軟件中的用戶邏輯接口向導，將自制的外設添加在Nios II處理器系統中，給其分配地址空間、DMA、中斷等資源并生成相應的硬件驅動模塊。能直接向應用程序提供可使用的接口，配置完成后通過Generate進行系統模塊的生成，并同時自動產生每個模塊的HDL文件和一些必要的邏輯來協調系統中各部件的工作。

圖1 系統總體結構框圖

Nios II控制模塊完成以下功能：

（1）識別按鍵模塊的按鍵信息。輸入端口向Nios II CPU核發出中斷請求后，CPU核響應中斷請求后接受按鍵模塊送來的按鍵值。

（2）根據按鍵值進行相應的操作。例如，使能通信模塊發送不同的數據。

（3）完成參數的計算。通信模塊傳遞過來的部分數據需經過計算后才能進行顯示和修改。

2.1 Nios II系統硬件設計

該文在SOPC Builder中主要添加了以下組件：

2.1.1 Nios II CPU核

Nios II CUP核有快速的（Nios ii/f）、經濟的（Nios ii/e）和標準的（Nios ii/s）3 種，每種都針對不同的性能范圍和成本。為節約CPU核所占FPGA的資源，該設計選擇經濟的。

2.1.2 PIO組件

SOPC Builder提供的PIO組件可以完成像控制Led、從開關或鍵盤輸入采集數據、控制顯示設備、與片外器件通信等任務。

PIO組件可以通過SOPC Bulider配置向導來設置不同的功能。該設計中的PIO設置了如下3種不同的工作方式：（1）輸入中斷方式；（2）輸入非中斷方式；（3）輸出方式。

2.1.3 JTAG UART核

SOPC Build中提供的JTAG UART核實現基于FPGA的嵌入式系統與主機之間的串行通信。該設計添加這個組件主要為了方便調試。

2.2 基于Nios II的軟件設計

該設計的軟件部分是針對Nios II處理器，該處理器具有完善的軟件開發套件，包括編譯器、集成開發環境（IDE）、JTAG 調試器、實時操作系統（RTOS）和TCP/IP協議棧。因此，此次軟件的編寫是在Altera公司所提供的軟件開發套件Nios II IDE 6.0中進行，采用C語言編寫。

軟件設計的流程圖如圖2所示。當Nios II軟核接收到按鍵模塊的中斷請求后，接收其發送過來的按鍵值，Nios II再依據按鍵值完成對ODU工作狀態的設置或監控。其中工作狀態的設置主要完成發射頻率、接受/發射衰減等參數的設置。而工作狀態的監控主要完成對頻綜、發射和接收等模塊的溫度、電流和電壓進行監控[1]。

圖2 Nios II軟件流程圖

在程序運行過程中，首先執行INITPIO函數，初始化PIO的相關寄存器的值，完成中斷服務函數的聲明。在按鍵中斷產生的時候，程序跳到中斷服務函數KEY_ISR中去，對按鍵中斷標志位置一，并清除邊沿捕獲寄存器的值，為下次中斷產生做準備。完成相應任務后，程序回到中斷之前的位置，完成剩下的任務。下面介紹軟件中4個重要的函數：

（1）INITPIO。初始化PIO，完成PIO的中斷屏蔽寄存器、沿捕獲寄存器等的值的設定。

（2）KEY_ISR。中斷服務函數，在該函數中完成中斷標志位置一和清除邊沿捕獲寄存器的值。

（3）ALT_IRQ_REGISTER。此函數用于聲明中斷服務函數（ISR），在軟件使用ISR之前一定要先聲明。

（4）IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK。使能中斷函數，是按位來使能的，比如0×f表示4位全部使能，而0×7表示使能低3位中斷。

3 通信控制邏輯

通信控制邏輯采用的是RS232接口標準的UART[2]。為了簡化電路，增加設計的靈活性，該文在FPGA上設計了UART功能模塊，實現了UART的部分功能[3]，滿足了設計的要求。

在RS232接口標準中定義了邏輯“1”、邏輯“0”電壓級數、以及標準的傳輸速率和連接器類型。信號大小在±3～±15V之間。RS232規定接近零的電平是無效的，邏輯“1”規定為負電平，邏輯“0”規定為正電平。由于核心邏輯處理系統FPGA使用的是TTL邏輯電平，所以RS232串口信號需要通過RS232信號收發器做電平轉換后方可被FPGA正確識別。該設計通過芯片MAX211E來實現這種轉換。

4 人機界面

人機界面包括按鍵輸入和數據顯示兩部分。

4.1 按鍵模塊

按鍵模塊采用了矩陣式鍵盤的設計方案[4]，主要需要完成以下3個任務：（1）按鍵識別，常用的識別方法有行掃描法和線反轉法；（2）按鍵譯碼；（3）去抖動。根據以上提到的任務，該文用Verilog語言編寫了按鍵識別模塊的程序[5-6]，具體設計流程如圖3所示。

圖3 按鍵模塊程序流程圖

4.2 顯示模塊

由于該設計所應用的環境條件比較惡劣，所以要求顯示器具有較寬的操作和儲存溫度范圍。故采用avago的HDSP-2112 LED字符顯示器產品，該產品的操作溫度范圍為-55～+70℃。存儲溫度則可達-55～+100℃，完全滿足該設計所要求的溫度范圍。HDSP-2112具有8位顯示字符，每一個顯示字符由5×7點陣組成。在該LED內部包括8字節的字符RAM、一個字節的動態RAM、16×7個字節的用戶自定義字符（UDC）的字模存儲RAM、一個UDC地址寄存器和一個控制寄存器。對LED的操作實際上是其內部的寄存器的操作，由于LED內有ASCII譯碼器，可以把128個ASCII碼所對應的字符顯示出來。因此，需要數據編碼模塊是把Nios II輸出的待顯示的數編譯ASCII的形式。

LED有23根有用的信號線，FPGA通過這些信號線來驅動LED的工作。其中A[4..0]是地址信號線，通過它來選擇內部不同的寄存器；CLK是時鐘輸入（CLS=0）或輸出腳（CLS=1）；CLS用于選擇內部時鐘源或者是外部時鐘源；CE是片選信號，在其上升沿時LED讀入數據線上的數據；RD和WR是讀寫控制信號線，通過其來控制LED的讀寫。對LED進行寫操作的時序如圖4所示，FPGA就是依據圖4對LED進行寫操作的。

5 結束語

該文所設計的監控終端能非常方便地對ODU工作狀態進行設置，對其故障位置進行定位。由于采用的嵌入式Nios II軟核，因而具有設計靈活、實時性強、可重構等優點，對產品的功能擴展提供了很大的便利。該設備已應用于某國產ODU中，應用效果良好。

[1] 王忠銘，宋愛民.小型衛星地面站ODU測控平臺設計[J].微計算機信息，2008（24）：53-54.

[2] 張艷玲，吳思和，吳勇.小型衛星地球站中ODU控制器的通信模塊設計[J].微電子學，2003（12）：495-498.

[3] 夏宇聞.Verilog數字系統設計教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[4]李廣軍，林水生.微機系統原理與接口技術[M].成都：成都電子科技大學，2005.

[5] 吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD設計基礎篇[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[6] 吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD設計高級篇[M].北京：人民郵電出版社，2005.