基于SoPC的光電吊艙通信控制設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要： 實現(xiàn)了基于Nios Ⅱ軟核處理器的通信控制的設(shè)計，以Nios Ⅱ軟核作為中央處理器，利用FPGA的邏輯資源構(gòu)成片上可編程系統(tǒng)（SoPC）來實現(xiàn)光電設(shè)備的通信控制功能。設(shè)計實現(xiàn)了通過RS 422串口和通用IO口來實現(xiàn)對光電設(shè)備中各傳感器的通信控制和信息傳遞功能。該設(shè)計已成功應(yīng)用于某光電偵察設(shè)備，試驗證明，該通信控制性能穩(wěn)定，功能完善，在光電設(shè)備多傳感器的控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 光電設(shè)備； 通信； Nios Ⅱ； RS 422； SoPC

中圖分類號： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）21?0021?02

機載光電偵察設(shè)備已經(jīng)成為直升機、無人機獲得精確全面的現(xiàn)場和目標(biāo)信息的核心裝備。目前機載光電設(shè)備主要裝載紅外和可見光傳感器，實現(xiàn)全天時圖像偵察，配合激光測距儀、伺服控制以及視頻跟蹤器實現(xiàn)對目標(biāo)的定位和自動跟蹤功能。而對整個系統(tǒng)而言，通信控制部分主要實現(xiàn)各傳感器和控制組件之間的信息傳遞。

1 通信控制系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計構(gòu)建一個片上可編程系統(tǒng)（SoPC）來實現(xiàn)通信控制功能，采用SoPC實現(xiàn)通信系統(tǒng)與以往型號通信控制系統(tǒng)相比可以支持更多串口，能夠滿足多傳感器和控制需求。通信系統(tǒng)通過串口完成與可見光、紅外、激光、記錄儀、控制系統(tǒng)等之間的通信。

1.1 SoPC硬件開發(fā)

采用SoPC Builder GUI來定義硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，配置部件以及如何指定部件相互連接，并生成系統(tǒng)。在本設(shè)計中，為實現(xiàn)系統(tǒng)通信需求，除配置Nios ⅡCPU外，還需配置的外設(shè)有RS 232、SRAM和PIO等。硬件開發(fā)環(huán)境可以創(chuàng)建高度定制的SoPC。圖1為開發(fā)生成的分組件Avalon總線連接圖。

1.2 CPU設(shè)置、RS 232設(shè)置

本控制系統(tǒng)中Nios Ⅱ處理器為標(biāo)準(zhǔn)型內(nèi)核（Nios Ⅱ/s），需要開發(fā)六個標(biāo)準(zhǔn)RS 232串口，來分別實現(xiàn)對操縱桿、紅外、可見光、激光和記錄儀等傳感器組件的通信控制。系統(tǒng)采用中斷響應(yīng)的方式來同時實現(xiàn)六個串口，表1為六個串口的中斷優(yōu)先級。

1.3 JTAG_UART設(shè)置

Nios Ⅱ處理器的JTAG調(diào)試模塊也是可配置的，根據(jù)系統(tǒng)需求，為Nios Ⅱ處理器配置適當(dāng)?shù)能浖{(diào)試功能。JTAG調(diào)試模塊對處理器的控制是非屏蔽的，而且在調(diào)試程序時也不需要軟件調(diào)試代理（Software Stub）來鏈接測試中的軟件程序。JTAG調(diào)試模塊收集的跟蹤數(shù)據(jù)存放在調(diào)試探針或片內(nèi)的存儲器中。該模塊主要提供以下功能：

將程序下載至存儲器；開始和停止執(zhí)行程序；設(shè)置斷點；硬件觸發(fā)；捕獲跟蹤數(shù)據(jù)。

該模塊可以在軟件調(diào)試時通過，形成產(chǎn)品時去掉。

系統(tǒng)CPU和外設(shè)單元按上述步驟配置完成后，為每個外設(shè)分配一個惟一的基地址。最后，為 CPU設(shè)置復(fù)位和異常地址，本設(shè)計中，把復(fù)位和異常地址均設(shè)置為on_chip_memory，創(chuàng)建和編譯生成系統(tǒng)。編譯生成的頂層文件圖如圖2所示。

2 NiosⅡ IDE軟件設(shè)計

系統(tǒng)生成后，可直接使用NiosⅡIDE設(shè)計C應(yīng)用代碼，借助Altera提供的外設(shè)驅(qū)動程序和硬件抽象層，能夠快速、方便實現(xiàn)各項功能。

2.1 串口軟件編程

在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用了軟件中斷的方式來響應(yīng)串口通信。設(shè)計六個外部中斷來實現(xiàn)對各分組件的控制。每一個中斷都有一個相應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)（ISR）與之對應(yīng)。中斷發(fā)生時，軟件中斷會根據(jù)檢測到有效中斷級別，調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)。

ISR函數(shù)自行定義，不是HAL系統(tǒng)提供，函數(shù)與普通函數(shù)定義一樣，只是對ISR的函數(shù)原型有特定要求。ISR函數(shù)聲明如下：

void ISR_handler（void* context，alt_u32 id）；

context：傳遞給ISR的形參；id：中斷優(yōu)先級別。

本設(shè)計中對六個硬串口中斷的ISR定義如下：

上位機ISR函數(shù)：

void UartSW_interrupt（void *context，alt_u32 id）；

紅外ISR函數(shù)：

void UartIR_interrupt（void *context，alt_u32 id）；

可見光ISR函數(shù)：

void UartVL_interrupt（void *context，alt_u32 id）；

激光ISR函數(shù)：

void UartLA_interrupt（void *context，alt_u32 id）；

記錄儀ISR函數(shù)：

void UartJL_interrupt（void *context，alt_u32 id）；

伺服（備份）ISR函數(shù)：

void UartSF_interrupt（void *context，alt_u32 id）。

在各分組件ISR函數(shù)中，主要實現(xiàn)相應(yīng)各串口軟件中斷，接受各分組件的串口數(shù)據(jù)，按通信協(xié)議完成對命令信息的解釋。其中在上位機中斷服務(wù)函數(shù)中，除完成對上位機發(fā)送命令的解釋外還同時完成對各串口數(shù)據(jù)的發(fā)送。

任何滿足ISR函數(shù)原型的函數(shù)都可以用做ISR，但不是任何滿足ISR函數(shù)原型的函數(shù)都是ISR，只用通過中斷注冊的函數(shù)才是ISR。

通過alt_irq_register （）函數(shù)實現(xiàn)中斷注冊，其函數(shù)原型如下所示：

int alt_irq_register（alt_u32 id，void* context，void（*handler）（ void *context，alt_u32 id ））；

id：中斷優(yōu)先級，表明所注冊的ISR是為哪個中斷優(yōu)先級的中斷服務(wù)的，中斷優(yōu)先級在SoPC Builder中分配；

context：為所注冊的ISR傳遞參數(shù)，可以是NULL；

handler： 中斷服務(wù)函數(shù)ISR的指針。

本設(shè)計中對六個串口中斷的注冊函數(shù)分別為：

alt_irq_register（UART_SW_IRQ，NULL，UartSW_interrupt）；

alt_irq_register（UART_OP_IRQ，NULL，UartVL_interrupt）；

alt_irq_register（UART_IR_IRQ，NULL，UartIR_ interrupt）；

alt_irq_register（UART_LA_IRQ，NULL，UartLA_interrupt）；

alt_irq_register（UART_LA_IRQ，NULL， UartSF_interrupt）；

2.2 PIO接口的軟件編程

對于升降機構(gòu)的IO控制相對比較簡單，采用API函數(shù)IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（）來實現(xiàn)高低電平的輸出，程序如下：

IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（LOAD_BASE，0X0）；

IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（LOAD _BASE， 0X1）

LOAD_BASE為升降機構(gòu)IO口地址。

3 結(jié) 論

本通信控制設(shè)計已在某型號光電偵察設(shè)備上成功應(yīng)用，其對各分組件的控制功能、信息傳遞功能均達(dá)到設(shè)備技術(shù)需求。通過該通信控制器的設(shè)計，有效地提高了光電偵察設(shè)備中的通信控制能力，解決了以往型號中串口RS 422數(shù)量對分組件控制的限制。使得通信控制系統(tǒng)得到了大幅度的提高。

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