基于FPGA+DSP的多串口數據通信的實(shí)現

摘要： 串口傳輸常用于基于FPGA和DSP結構的信號處理板和外部設備之間的數據交換。以GPS RTK定位應用為基礎，針對單個(gè)串口全雙工傳輸不足以應對多種數據類(lèi)型同時(shí)輸入輸出的情形，設計并實(shí)現了一種面向多串口不同類(lèi)型數據的傳輸方案。該方案通過(guò)增加串口控制寄存器實(shí)現單個(gè)中斷信號即可控制所有串口，采用乒乓交替讀寫(xiě)實(shí)現數據持續高速輸入。測試表明該方案可獨立對各串口進(jìn)行配置，可同時(shí)實(shí)現GPS定位結果、差分GPS修正數據與外界的交換以及用戶(hù)控制命令的輸入，并且可減少硬件調試時(shí)間，節約硬件資源。

　　通用異步接收／發(fā)送器（UART）是一種通用串行數據總線(xiàn)，用于異步通信，可以實(shí)現全雙工通信。UART IP核是用在外部設備和Atera FPGA芯片上的SOPC間進(jìn)行串行通信的一種實(shí)現方式。它可以替代RS-232實(shí)現芯片與外設的輸入／輸出（I／O）操作。

　　GPS RTK（Real Time Kinematic）可以即時(shí)提供厘米級的定位解。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)定位時(shí)，基準站將精確已知的GPS坐標和觀(guān)測數據實(shí)時(shí)用微波鏈路傳給流動(dòng)站，在流動(dòng)站實(shí)時(shí)進(jìn)行差分處理，得到基準站和流動(dòng)站坐標差；坐標差加上基準站坐標得到流動(dòng)站每個(gè)點(diǎn)坐標?；鶞收鞠蚪K端用戶(hù)接收機提供的信息包括對GPS衛星鐘、星歷數據、用戶(hù)測量偽距和載波相位等參數的修正。

　　本文所用的信號處理板可以作為GPS RTK基站使用，可以與其他基站組網(wǎng)接收差分修正數據定位或者本身的高精度單點(diǎn)定位輸出定位結果和差分修正數據。作為基準站，不僅要實(shí)時(shí)輸出精確定位信息，而且需要與外界進(jìn)行差分數據交換。由于同一時(shí)間需要大量持續差分數據的輸入與輸出和用戶(hù)控制指令的輸入，設計采用了3個(gè)串口。

　　1 硬件結構

　　信號處理板為FPGA+DSP結構，具有多路A／D、D／A轉換器件。中頻信號經(jīng)A／D采樣后進(jìn)入FPGA完成去載波，PRN碼相關(guān)運算，IQ變換等操作后由DSP芯片進(jìn)行定位解算。通過(guò)串口輸入的用戶(hù)控制指令任意選擇串口對GPS定位結果的輸出和GPS差分修正數據的輸入輸出。

圖1 信號處理板框圖

　　FPGA芯片上配置了3個(gè)串口，分別為UART0、UART1、UART2，由SOPC Builder分配相對應的存儲映射空間和中斷請求。每個(gè)模塊均使用默認的基地址，并分別設定UART0、UART1、UART2的數據輸入中斷請求號為IRQ1，IRQ2，IRQ3。另外，DSP芯片可能在任意時(shí)刻通過(guò)3個(gè)串口發(fā)送不同數據。

　　如果DSP對每個(gè)串口發(fā)送數據時(shí)均向NIOS II CPU發(fā)出中斷申請，則需要3根PIO管腳，占用太多針腳資源。本實(shí)現方案通過(guò)增加個(gè)串口控制寄存器，僅占用1根PIO管腳。

　　同時(shí)，對和DSP芯片進(jìn)行交互控制的PIO信號分配中斷請求號為IRQ0。

　　每個(gè)UART口都有輸入、輸出兩塊RAM作為緩存，數據位寬為16bits。其中，串口輸入緩存命名為ReadFromMemInterface，串口輸出緩存命名為WriteToMemIntedace（見(jiàn)圖2）。需要注意的是實(shí)際傳輸數據時(shí)，外部設備的串口參數的數據位長(cháng)度設置為8 bits，因此需要在串口的軟件處理進(jìn)行字與字節的轉換。

圖2 NIOS II CPU的地址映射