基于FPGA和NIOS的慣導(dǎo)組件測試系統(tǒng)研究

張志文，彭 彥

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710032）

基于FPGA和NIOS的慣導(dǎo)組件測試系統(tǒng)研究

張志文，彭 彥

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710032）

針對慣導(dǎo)組件產(chǎn)品測試中多種信號輸出的測量需求，設(shè)計了一種基于FPGA和NIOS II軟核的雙模式慣導(dǎo)組件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以FPGA和USB CY7C68013芯片為核心，實(shí)現(xiàn)對4個慣導(dǎo)組件輸出的48路脈沖進(jìn)行頻率計數(shù)和對8個慣導(dǎo)組件輸出8路串口數(shù)據(jù)的接收，最后通過USB芯片將采集得到的數(shù)據(jù)上傳至測控計算機(jī)，并由計算機(jī)進(jìn)行保存、處理和顯示。該設(shè)計降低了采集電路復(fù)雜度，提高了產(chǎn)品測試效率和采集系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

慣導(dǎo)組件；現(xiàn)場可編程門陣列；NIOS II軟核；USB芯片；數(shù)據(jù)采集

1 引 言

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心是慣導(dǎo)組件，通常由陀螺儀和加速度計組成。慣導(dǎo)組件在投入使用前要經(jīng)過嚴(yán)格測試，測試平臺一般為一個帶溫箱的三軸轉(zhuǎn)臺，將慣導(dǎo)組件固定在轉(zhuǎn)臺上，通過改變轉(zhuǎn)臺的位置和速率，并在不同溫度下進(jìn)行測試，從而得到慣導(dǎo)組件的各種狀態(tài)信息。這些信息以脈沖或串口數(shù)據(jù)的形式輸出，由采集系統(tǒng)進(jìn)行測量或接收，然后由計算機(jī)進(jìn)行處理得到慣導(dǎo)組件的特性參數(shù)。慣導(dǎo)組件的測試需在不同溫度下進(jìn)行多次測試，不同溫度點(diǎn)還需要保溫和冷卻，通常需要數(shù)天時間，因此需要一個可靠、穩(wěn)定的慣導(dǎo)組件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通常國內(nèi)慣導(dǎo)組件測試系統(tǒng)都是使用PCI卡來采集數(shù)據(jù)，并需要脈沖和串口兩種采集卡，這種采集卡通常價格較貴，采集路數(shù)有限，還需計算機(jī)支持相應(yīng)的PCI插槽［1］，采集電路也較復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸出錯時也不易排查原因。

針對這種情況，提出了一種基于FPGA和NIOS軟核的設(shè)計方案，集成脈沖測量和串口數(shù)據(jù)接收于同一系統(tǒng)。基于FPGA設(shè)計了脈沖計數(shù)采集電路，并在FPGA中建立一個帶有多個串口模塊的NIOS II軟核處理器，控制脈沖和串口數(shù)據(jù)的采集，最后利用USB芯片將數(shù)據(jù)上傳到計算機(jī)中處理。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)慣導(dǎo)組件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，既能對4個慣導(dǎo)組件輸出的48路脈沖信號（每個慣導(dǎo)組件輸出6路陀螺儀信號和6路加速度計信號）進(jìn)行頻率計數(shù)，又能接收經(jīng)過導(dǎo)航計算機(jī)板處理過的8個慣導(dǎo)組件輸出的串口數(shù)據(jù)。因此是一個多模式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在上圖中，F(xiàn)PGA芯片采用了ALTERA公司的CycloneⅢEP3C16Q240C8型號芯片。該芯片內(nèi)部擁有15408個邏輯單元、支持20個全局時鐘網(wǎng)絡(luò)和4個鎖相環(huán)，并支持多種外設(shè)接口［2］，完全滿足系統(tǒng)邏輯設(shè)計需求。48路脈沖計數(shù)模塊通過Verilog語言編寫完成，8路串口數(shù)據(jù)接收模塊通過在NIOS II軟核處理器中構(gòu)建8個UART外設(shè)核來實(shí)現(xiàn)。NIOS II軟核通過定時器每5ms讀取一次脈沖計數(shù)器的計數(shù)值，然后通過CY7C68013 USB芯片發(fā)送到上位機(jī)。串口數(shù)據(jù)通過設(shè)定好波特率的UART核來接收，NIOS II軟核通過中斷方式接收串口數(shù)據(jù)并存儲，同樣通過USB芯片發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)用VC＋＋6.0設(shè)計MFC應(yīng)用程序，接收USB芯片發(fā)送上來的數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行保存、處理和顯示。

3 FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計

3.1 48路脈沖計數(shù)器設(shè)計

設(shè)計使用Quartus II 9.0開發(fā)軟件完成，通過Verilog語言編寫48路帶有鎖存器的16位計數(shù)器，對脈沖上升沿進(jìn)行計數(shù)，NIOS II軟核處理器每5ms提供一個鎖存信號鎖存48路計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果，并依次選通48路地址讀取計數(shù)值保存，然后發(fā)送到USB芯片的FIFO再上傳給上位機(jī)。48路計數(shù)器模塊如圖2所示，data_in為48路脈沖信號輸入，add為選通地址，en為鎖存信號。data_maichong為上傳的脈沖計數(shù)值。

圖2 48路脈沖計數(shù)器模塊圖

3.2 NIOS II軟核及8路串口模塊設(shè)計

使用集成于Quartus II軟件中SOPC Builder工具可以很方便構(gòu)建Nios II軟核。本系統(tǒng)中FPGA外設(shè)使用了HY57V641620FTP-6的SDRAM芯片作為數(shù)據(jù)存儲器和EPCS4芯片作為程序存儲器，由此軟核需要構(gòu)建的模塊有：CPU處理器、EPCS控制器、SDRAM控制器、定時器控制器，8個UART控制器以及其他各種IO接口［3］。

系統(tǒng)中要求同時接收8個慣導(dǎo)組件輸出的8路串口數(shù)據(jù)，所以要在軟核中構(gòu)建8個UART模塊，設(shè)置好串口波特率和中斷優(yōu)先級。外部電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX488串口芯片，將422電平轉(zhuǎn)化成UART接口的TTL電平，這樣串口模塊就能完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。通常MCU很少帶有4個以上的串口，涉及多串口通訊時不可避免要進(jìn)行串口擴(kuò)展，而在Nios II軟核系統(tǒng)中，串口數(shù)量和波特率都可以自由調(diào)整，同時串口模塊集成于FPGA內(nèi)部，免去了使用多串口卡或串口擴(kuò)展芯片帶來的復(fù)雜電路，使整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到了保證。

4 USB傳輸模塊設(shè)計

USB模塊采用Cypress公司的CY7C68013A-128AXC型號的USB芯片作為該模塊的核心。該芯片集成USB2.0收發(fā)器，串行接口引擎（SIE）和增強(qiáng)型8051內(nèi)核，并具有4KB FIFO存儲器，支持8位或16位數(shù)據(jù)接口，內(nèi)部SIE可以工作在全速（12Mb／s）和高速（480Mb／s）傳輸速率下［4］。

CY7C68013與外部的接口主要有三種方式：端口模式、GPIF控制器模式和SLAVE FIFO模式。其中SLAVE FIFO模式是一種從屬模式，外部邏輯或外部處理器可以直接連接并控制FIFO端點(diǎn)，不需要內(nèi)部8051的參與就能完成數(shù)據(jù)的高速傳輸［5］。系統(tǒng)選用了SLAVE FIFO接口模式與FPGA連接。由于FPGA中已經(jīng)建立了NIOS軟核處理器，其工作頻率可達(dá)200MHz以上，遠(yuǎn)超過8051內(nèi)核的最高工作頻率48MHz，數(shù)據(jù)處理和傳輸完全由NIOS軟核處理器控制完成，避免了在串口波特率較高時，8051工作頻率有限情況下可能導(dǎo)致的數(shù)據(jù)出錯和丟失情況。

CY7C68013中包含了3個64字節(jié)的端點(diǎn)緩沖區(qū)（EP0、EP1IN和EP1OUT）和4KB FIFO緩沖區(qū)。FIFO中的EP2、4、6、8用于高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，端點(diǎn)最大緩沖1024字節(jié)。由此采用了EP2、6兩個端點(diǎn)用來分別傳輸脈沖和串口數(shù)據(jù)，使用EP0端點(diǎn)用于上位機(jī)和FPGA之間控制命令的發(fā)送。

SLAVE FIFO模式下FPGA與USB的接口如圖3所示。

圖3 FPGA與USB接口連接圖

其中PA3用于提供中斷信號進(jìn)入模式選擇，F(xiàn)IFO0和FIFO1用于選通FIFO端點(diǎn)，PKEND、FLAGD、FLAGB用于設(shè)定引腳的工作方式，PC［7：0］（ADR［7：0］）用于向FPGA發(fā)送模式選擇命令，DATA［15：0］用于發(fā)送數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括三部分：NIOS中下位機(jī)程序、USB固件程序和上位機(jī)應(yīng)用程序。

5.1 NIOS下位機(jī)程序設(shè)計

NIOS II軟核中的下位機(jī)程序是整個系統(tǒng)運(yùn)行的核心，使用NIOS II IDE集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，主要包括三部分：模式選擇程序，脈沖數(shù)據(jù)接收程序和串口數(shù)據(jù)接收程序。

（1）模式選擇程序

選擇脈沖和串口兩種模式，另外還有采集脈沖周期和串口波特率的選擇。通過設(shè)定USB PA3腳引入一個外部PIO中斷（最高優(yōu)先級）進(jìn)入到中斷程序中，然后讀取PC［7：0］上的8位二進(jìn)制數(shù)值，使用該值的最高位作為模式選擇判斷位（1為串口，0為脈沖），低4位代表波特率選擇，中間3位代表采集周期選擇。

（2）脈沖接收程序

依靠在軟核中建立的定時器控制器設(shè)定定時器每5ms中斷一次，進(jìn)入定時器中斷服務(wù)程序后，首先用API函數(shù)向計數(shù)器寫入鎖存信號en，然后依次向計數(shù)器的選通地址端寫入48路脈沖的地址，根據(jù)該地址讀取48路脈沖計數(shù)值并分別存儲起來，最后主程序?qū)⒂嫈?shù)值發(fā)送到USB FIFO中。

（3）串口接收程序

串口模塊要求接收8路RS-422數(shù)據(jù)，每路數(shù)據(jù)是一個49字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，實(shí)驗(yàn)中使用單片機(jī)數(shù)據(jù)源每5ms發(fā)送一次。設(shè)定頭兩個字節(jié)為幀頭，中間46個字節(jié)為慣導(dǎo)組件的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，最后一個字節(jié)為中間46字節(jié)的校驗(yàn)和。8路串口數(shù)據(jù)通過中斷方式按字節(jié)進(jìn)行接收，按中斷優(yōu)先級的高低分別響應(yīng)。接收數(shù)據(jù)時首先判斷幀頭，然后接收數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)并與校驗(yàn)和對比，確認(rèn)無誤后主程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到USB的FIFO中。

下位機(jī)程序流程圖如圖4所示。

5.2 USB固件程序設(shè)計

USB固件程序是用來控制芯片完成所設(shè)定的功能，系統(tǒng)中使用了CY7C68013的SLAVE FIFO接口模式。首先CY7C68013上電之后會調(diào)用TD_Init（）函數(shù)來完成初始化狀態(tài)寄存器的配置［5］，包括選擇接口模式、外部主控制器使能、以及端點(diǎn)的方向、緩沖倍數(shù)、發(fā)送方式的配置等。

下一步對各端點(diǎn)的FIFO進(jìn)行設(shè)置，啟用EP2端點(diǎn)接收脈沖的數(shù)據(jù)，16位計數(shù)器48路脈沖5ms的數(shù)據(jù)量為48個字節(jié)，所以設(shè)定包的大小為960字節(jié)（最大1024字節(jié)）。啟用EP6端點(diǎn)接收串口的數(shù)據(jù)，下位機(jī)處理過程中對每路串口的每幀數(shù)據(jù)作了1個字節(jié)的標(biāo)記，每一路變成50個字節(jié)，8路串口每5ms數(shù)據(jù)量為400字節(jié)，設(shè)定包的大小為800字節(jié)（最大1024字節(jié)）。設(shè)定程序如下所示：

EP2AUTOINLENH＝0x03；

SYNCDELAY；

EP2AUTOINLENL＝0xC0；／／設(shè)置包大小為960字節(jié)，接收脈沖數(shù)據(jù)

SYNCDELAY；

EP6AUTOINLENH＝0x03；

SYNCDELAY；

EP6AUTOINLENL＝0x20；／／設(shè)置包大小為800字節(jié)，接收串口數(shù)據(jù)

SYNCDELAY；

圖4 下位機(jī)程序流程圖

上位機(jī)對下位機(jī)發(fā)送命令（模式選擇等）通過Cypress標(biāo)準(zhǔn)固件框架使用控制傳輸來實(shí)現(xiàn)，只需在DR_VendorCmnd函數(shù)中加入處理過程即可。這部分程序可以利用自定義上位機(jī)發(fā)送的SETUPDAT令牌包來傳送8位二進(jìn)制數(shù)值命令。

CY7C68013屬于EZ-USB FX2芯片系列，其配套的設(shè)備驅(qū)動程序EzUsb.inf為EZ-USB通用驅(qū)動程序（GPD），該文件包含了硬件設(shè)備驅(qū)動程序的安裝信息［6］，安裝完成后計算機(jī)將獲取的USB外設(shè)信息與EzUsb.inf文件中信息進(jìn)行匹配，找到相應(yīng)的USB設(shè)備驅(qū)動程序。

5.3 上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計

上位機(jī)程序開發(fā)采用VC＋＋6.0中的MFC進(jìn)行編程開發(fā)，VC編程的應(yīng)用程序利用USB總線接收數(shù)據(jù)，再由MFC實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、解算處理、顯示和保存。

上位機(jī)程序訪問USB設(shè)備時，首先調(diào)用Win 32函數(shù)CreateFile（）來得到USB設(shè)備句柄，通過DeviceIoControl（）函數(shù)訪問設(shè)備驅(qū)動程序［7］，該函數(shù)發(fā)送命令到設(shè)備驅(qū)動程序，連接USB設(shè)備，然后通過USB總線接收上傳的數(shù)據(jù)。

上位機(jī)程序的流程圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)程序流程圖

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采集系統(tǒng)的測試在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，使用SP1641D信號發(fā)生器作為脈沖信號源，用多路開關(guān)板擴(kuò)展為48路同源信號。信號源輸出信號為575Hz時，測量結(jié)果如圖6所示。在實(shí)驗(yàn)室多次測量后發(fā)現(xiàn)，在低頻時脈沖計數(shù)值準(zhǔn)確，高頻時脈沖計數(shù)值有1-2個誤差，總體誤差率在允許范圍內(nèi)，符合慣導(dǎo)組件的測試要求。

串口測試使用了ST89C52單片機(jī)構(gòu)成的多串口信號發(fā)生器，可以輸出RS-422和RS-232串口信號，測試結(jié)果如圖7所示，接收的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，8路串口同步率良好。

7 結(jié)束語

這種針對慣導(dǎo)組件測試所采用的設(shè)計，集成脈沖測量和串口數(shù)據(jù)接收于同一系統(tǒng)，可對多個產(chǎn)品的不同信號輸出同時測試，節(jié)約了資源，降低了成本。與傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)相比，SOPC設(shè)計高度集成，降低了電路復(fù)雜度，提高了測試效率和系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。同時本系統(tǒng)安裝簡便，操作界面人性化，后期便于維護(hù)升級，可以作為慣導(dǎo)組件測試的新設(shè)備。

圖6 48路脈沖測量結(jié)果

圖7 8路串口數(shù)據(jù)接收結(jié)果

［1］張志文，趙浩.慣導(dǎo)組件的脈沖輸出測控系統(tǒng)［J］.西安：西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，29（5）：461.

［2］Altera Corporation.CycloneⅢDevice Handbook［DB／OL］.2007.07.http：／／www.altera.com.

［3］李蘭英.Nios II嵌入式軟核SOPC設(shè)計原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：26-184.

［4］錢峰.EZ-USB FX2單片機(jī)原理、編程及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［5］CypessSemiconductor Corporation.Impementing an 8-bit Asynchronous Peripheral Interface Utilizing the EZ-USB FX GPIF／Slave FIFOs［M／OL］.2002.

［6］駱毅.撓性陀螺組合脈沖測試及系統(tǒng)標(biāo)定［D］.西安：西安工業(yè)大學(xué)，2012：32-43.

［7］孫鑫，余安平.VC＋＋深入詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007：453-568.

［8］夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程（第2版）［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［9］袁志軍.基于FPGA的高速率多串口擴(kuò)展的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

Research on Testing System for Inertial Navigation Com ponents Based on FPGA and NIOS

ZHANG Zhi-wen，PENG Yan
（School of Electronics Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

For the requirement of measuring the output of multiple signals in the test of inertial navigation components，a dual-mode data acquisition system of inertial component is designed on the basis of FPGA and NIOS IIsoft-core.The system takes FPGA and USB CY7C68013 as its core to count the 48 ports pluses outputted by 4 inertial navigation components and receive serial port data of 8 ports outputted by 8 inertial navigation components.In the end，the collected data will be uploaded to a controlling computer through a USB chip，and saved，processed，displayed by the computer.This design reduces complexity of the acquisition circuit，raisesmeasurement efficiency and promotes the reliability and stability of the acquisition system.

Inertial navigation component；FPGA；NIOS IIsoft-core；USB chip；Data collection

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.01.023

TP274

：A

：1002-2279（2014）01-0085-05

張志文（1957-），男，陜西西安市人，教授，碩士生導(dǎo)師，主研方向：計算機(jī)測控技術(shù)、智能化儀表。

2013-09-18