基于NIOS II的BCMO4藍牙通信模塊的設計

　　本設計采用了Altera公司開(kāi)發(fā)的第二代低成本的FPGA芯片，在其之上開(kāi)發(fā)了基于BCM04的NIOSⅡ藍牙通信模塊。該通信模塊能夠代替電纜，有效的應用于工作環(huán)境復雜多變的工業(yè)現場(chǎng)，可實(shí)現與現場(chǎng)設備、接入點(diǎn)、手操器等設備的無(wú)線(xiàn)通信

　　引言

　　在工業(yè)現場(chǎng)中，大多的通信設備是通過(guò)加裝通信模塊來(lái)實(shí)現的，而大多的通信模塊的處理器采用ARM核。隨著(zhù)微電子學(xué)和計算機科學(xué)的迅速發(fā)展，電子系統已經(jīng)從電路板級系統集成發(fā)展成為包括ASIC、FPGA和嵌入式系統的多種模式。SOPC由于集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯模塊，在設計和應有的靈活性及其成本方面有較大的優(yōu)勢。

　　NIOSⅡ系列處理器是Altera公司的第二代FPGA嵌入式處理器。同前一代軟核的CPU相比，NIOSⅡ的性能得到很大提高，體積更小，其最大處理能力是第一代軟核的三倍。邏輯功能方面具有32位的精簡(jiǎn)指令集CPU。實(shí)現方式是在FPGA上通過(guò)編程的方式實(shí)現，這是與傳統的CPU的一個(gè)根本的差別。本文是在NIOSⅡ軟核的基礎上設計了藍牙通信模塊，并在工業(yè)以太網(wǎng)中，較好地實(shí)現了通信模塊與工業(yè)現場(chǎng)設備的無(wú)線(xiàn)通信。

　　NIOSⅡ嵌入式處理器概述

　　NIOSⅡ處理器是Altera公司的第二代用戶(hù)可配置的通用32位RSIC軟核微處理器，是Altera公司特有的基于通用FPGA架構的軟CPU內核。它可以提供：完全的32位指令集、數據總線(xiàn)和地址空間;32位通用的目的寄存器;32個(gè)外部中斷源;計算64位和128位乘積專(zhuān)用指令;單指令桶形移位器;對多種片上外設進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，提供片外存儲器和外設接口;在IDE控制下，硬件輔助調試模塊可對處理器進(jìn)行啟動(dòng)、停止、單步和追蹤操作;基于CNU C/C++工具鏈和Eclipse IDE;所有的NIOSⅡ處理器系統的指令集兼容;具有超過(guò)150 DMIPS的性能。

　　它將設計輸入、綜合、布局、驗證、編程與配置以及第三方EDA工具接口集成在一個(gè)無(wú)縫的綜合性設計環(huán)境中。NIOSⅡ的硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境是在SOPC builder中進(jìn)行的。SOPC builder是一個(gè)自動(dòng)化的SOPC硬件系統的開(kāi)發(fā)工具，集成在Quartus Ⅱ軟件內，Quartus Ⅱ和SOPC builder一起為建立SOPC設計提供標準化的圖形環(huán)境。Quartus Ⅱ和SOPC builder軟件，可以在很短的時(shí)間內定義一個(gè)完整的硬件系統。SOPC builder 通過(guò)SOPC開(kāi)發(fā)階段的系統定義、集成和驗證的自動(dòng)化，縮短了產(chǎn)品的市場(chǎng)化時(shí)間。

　　NIOSⅡ軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境被稱(chēng)為NIOSⅡ集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(Integrated Development Environment，IDE)。它內嵌在Quartus Ⅱ設計工具中，可通過(guò)JTAG將應用程序下載到SOPC硬件系統中進(jìn)行調試，可在指令集仿真器中對應用程序進(jìn)行仿真調試，也可在ModelSim軟件中進(jìn)行仿真調試?；贜IOSⅡ的SOPC的軟硬開(kāi)發(fā)環(huán)境及設計流程如圖1所示。

　　圖1 基于NIOSⅡ的SOPC軟硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境及流程

　　首先利用SOPC Builder的界面定制系統，產(chǎn)生輸出文件;然后進(jìn)入傳統的FPGA硬件開(kāi)發(fā)流程;在Quartus Ⅱ中進(jìn)行邏輯綜合、布局布線(xiàn)。在軟件流程中，用戶(hù)利用NIOSⅡ IDE環(huán)境，建立工程、編譯設計、調試等。

　　藍牙通信模塊的硬件設計

　　藍牙技術(shù)是一個(gè)開(kāi)放性的、短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標準，工作在全球通用的2.4GHz ISM頻段，采用跳頻擴頻技術(shù)，可以用于近距離通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接的方式實(shí)現固定設備以及移動(dòng)設備之間的網(wǎng)絡(luò )互連，在各種數字設備之間實(shí)現靈活、安全、低成本、小功耗的數據和語(yǔ)音通信，實(shí)現全方位的數據傳輸。

　　工業(yè)現場(chǎng)中存在多種使用不同方法進(jìn)行互連的設備。對有些環(huán)境比較惡劣，布線(xiàn)不方便等因素可以采用藍牙無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)實(shí)現數據的通信。本設計中，采用了基于NIOSⅡ軟核的FPGA芯片EP1C12Q240C8作為CPU處理器，并在處理器的外圍拓展了64Mb的SDRAM和16Mb的Flash，配置了50MHz的時(shí)鐘、復位電路、下載口，接入藍牙模塊，以便在藍牙通信模塊中實(shí)現通信協(xié)議并通過(guò)藍牙模塊發(fā)送測試數據或接收控制命令等。圖2為基于NIOSⅡ軟核的藍牙通信模塊的硬件設計框圖。

　　圖2 基于NIOSⅡ軟核的藍牙通信模塊的硬件設計框圖