FPGA與MCU自定義并行總線通信設計及實現(xiàn)

戴越，張林，劉廣民，張勇斌，荊奇，沈杰

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽，621900)

0 引言

隨著信息技術的發(fā)展與進步，人類社會已經(jīng)進入了數(shù)字化和智能化時代，計算機微機化得到快速發(fā)展，智能化、自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了大規(guī)模應用。其中具有多控制器的嵌入式系統(tǒng)憑借其小型化、功能多樣化的特點得到了不斷的改進與發(fā)展[1-2]。多控制器之間的實時、可靠的數(shù)據(jù)通信則是保證嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)復雜功能和穩(wěn)定運行的基礎和前提[3-4]。比如，在基于單片機和FPGA的嵌入系統(tǒng)中，單片機和FPGA需要在彼此之間以及與外部設備和遠程中斷之間進行大量的數(shù)據(jù)傳輸以滿足系統(tǒng)設備可以實現(xiàn)自動化、智能化應用的要求[5-6]。為了保證系統(tǒng)可靠性，數(shù)據(jù)通信的高效性和準確性就顯得尤為重要[7]。

本文主要針對應用于脈沖電源的板上系統(tǒng)進行通信方式設計，該系統(tǒng)包含F(xiàn)PGA與單片機兩種控制器，信號傳輸過程具有傳輸距離短，傳輸速率要求高，傳輸可靠性要求高等特點，針對此特點，本文提出自定義并行總線通信設計方法，實現(xiàn)了單片機與FPGA之間數(shù)據(jù)的高速、可靠傳輸，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了重要技術保障?；谠撏ㄐ欧绞降拿}沖電源系統(tǒng)已經(jīng)使用一年多，未出現(xiàn)任何通信問題。

1 系統(tǒng)方案

通信系統(tǒng)的方案對通信速率，數(shù)據(jù)傳輸準確性起著決定性的作用。通信方式的選擇是系統(tǒng)方案的基礎，決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議方式，通信總線的選擇，后期軟硬件的設置等。對通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率，傳輸距離，傳輸可靠性以及系統(tǒng)成本都有著決定性的影響。

1.1 通信方式選擇

現(xiàn)有常用的通信方式主要有兩種：串行通信與并行通信。串行通信是指使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)從低位到高位或從高位到低位由一個通信系統(tǒng)一位一位地依次傳輸?shù)搅硪粋€通信系統(tǒng)，每一位數(shù)據(jù)傳輸時使用一定的時間長度，一般只需少數(shù)幾根傳輸線就能完成多系統(tǒng)之間的信息交換，成本低，適合遠距離傳輸，但是由于傳輸線較少，存在著傳輸時間慢，效率較低的不足。并行通信指數(shù)據(jù)的各個數(shù)據(jù)位同時在多條數(shù)據(jù)線上進行傳輸，與串行總線相反，其通信速度快，通信效率高，多用于需要實時、快速的場合，但是傳輸成本較高，不適宜遠距離通信。并行傳輸和串行傳輸?shù)膮^(qū)別如圖1所示。在系統(tǒng)需要傳輸一個字節(jié)，并行通信需要8根數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)，而串行通信只需1根數(shù)據(jù)線，但并行傳輸速率約為串行傳輸?shù)?倍[8]。

圖1 并行通信系統(tǒng)與串行通信系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)有硬件設計要求，本文所針對的單片機與FPGA通信總線基于同一硬件系統(tǒng)，所以兩者信號傳輸距離短，且系統(tǒng)要求較高的數(shù)據(jù)信號傳輸速率，所以選用應并行通信作為系統(tǒng)通信方式。

1.2 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)主要由三個模塊組成，包括人機交互接口(觸摸屏 )、MCU控制單元 (C8051)、FPGA控制單元 (Altera,EP4CE75FE23I7)，如圖2所示。在觸摸屏上可實現(xiàn)對脈沖參數(shù)的設置并傳遞給MCU，同時觸摸屏也用于接收和實時顯示MCU反饋的電流、電壓參數(shù)；MCU一方面與觸摸屏通信完成脈沖電參數(shù)的接收和解析，另一方面以自定義總線的方式進行與FPGA之間通信，向FPGA發(fā)送設置的參數(shù)，同時接收FPGA反饋的參數(shù)；作為整個系統(tǒng)的控制核心，F(xiàn)PGA既與MCU通信以完成脈沖電參數(shù)的接收和電流、電壓參數(shù)的反饋，同時進行相應的電路控制。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信框圖

其中，單片機與FPGA通信基于并行總線的選擇，提出了自定義并行總線。數(shù)據(jù)傳輸共設有40路IO線，其中8路總線用于控制數(shù)據(jù)傳輸，16路用于單片機向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)，另16路用于單片機從FPGA接收數(shù)據(jù)，采用雙向16位傳輸方案，可以滿足更大范圍的數(shù)據(jù)傳輸要求，滿足傳輸?shù)母咝室约昂笃跀?shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪?、可靠性。具體總線設置如圖3所示。該系統(tǒng)可實現(xiàn)單片機與FPGA的異步雙向通信，實現(xiàn)上位數(shù)據(jù)的發(fā)送及下位數(shù)據(jù)的反饋。

圖3 單片機與FPGA通信總線示意圖

1.3 系統(tǒng)硬件選擇

1.3.1 單片機芯片選擇

C8051F040是高度集成的混合信號SoC級微控制器芯片，具有與8051單片機兼容的高速CIP-51微控制器內(nèi)核，除了標準8051的數(shù)字外設部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中常用的模擬部件及其它一些數(shù)字外設部件。

C8051F040單片機系統(tǒng)控制器的內(nèi)核采用CIP-51微控制器，它與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51內(nèi)核具有標準8052的所有外設部件，包括5個16位的計數(shù)器/定時器、兩個全雙工UART串行接口、256字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及8個8位寬的I/O端口。該內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，與標準的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。對于CIP-51內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。CIP-51共有111條指令。CIP-51工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率25MHz時，其峰值性能達到25MIPS。

1.3.2 FPGA 芯片選擇

FPGA的選用選擇Altera品牌，保證低成本應用，滿足一定的容量，且芯片性能可以滿足一般的邏輯設計要求，在滿足性能要求的同時選擇性價比較高的類型，Cyclone IV是一款低成本、低功耗的FPGA結(jié)構(gòu)，所以選擇Altera Cyclone IV系列的EP4CE75F23I7類型芯片，選擇配置方式為JTAG，便于實現(xiàn)在線調(diào)試，實現(xiàn)程序的實時改進。

2 通信系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 單片機外圍通信電路及管腳設計

通信接口是通信系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)系統(tǒng)與外設及其他系統(tǒng)的通信的保證，單片機外圍設置16個數(shù)據(jù)輸出端口P5.0-P6.7、16個數(shù)據(jù)接收端口P3.0-P4.7以及8個通信控制總線端口P7.0-P7.7。

圖4 單片機外圍管腳設置

2.2 FPGA外圍通信電路及管腳設計

FPGA外圍借口設置與單片機相匹配，分別設置16個IO口P50-P67用于數(shù)據(jù)接收、16個IO口P30-P47用于數(shù)據(jù)發(fā)送以及8個通信控制總線IO口P70-P77。

3 并行通信原理及軟件設計

3.1 并行通信數(shù)據(jù)傳輸原理

3.1.1 并行接口輸入數(shù)據(jù)的過程

外設將數(shù)據(jù)送到“數(shù)據(jù)輸入線”，通過“輸入數(shù)據(jù)準備好”狀態(tài)線通知CPU將數(shù)據(jù)從并行總線接口取走，接口先將數(shù)據(jù)鎖存到“輸入緩沖器”，接口在其內(nèi)“狀態(tài)寄存器”的相應位置1，便于CPU查詢和接口向CPU發(fā)中斷請求之用。CPU從接口將數(shù)據(jù)取走后，通過“數(shù)據(jù)輸入回答”線通知外設，已經(jīng)完成當前數(shù)據(jù)讀取，可以進行下一步動作，接口將“數(shù)據(jù)輸入準備好”、“數(shù)據(jù)輸入回答” 信號清除，以便外設輸入下一個數(shù)據(jù)。

3.1.2 并行接口輸出數(shù)據(jù)的過程

與數(shù)據(jù)輸入相似，接口“數(shù)據(jù)輸出緩沖器”為空，“數(shù)據(jù)輸出準備好”狀態(tài)線送 1，收到CPU 發(fā)送的數(shù)據(jù)，將之復位清0，數(shù)據(jù)通過“數(shù)據(jù)輸出”線送到外設，由“數(shù)據(jù)輸出準備好”線通知外設接收數(shù)據(jù)。

3.2 單片機與FPGA并行通信設計

單片機-FPGA通信程序的主體思路是：數(shù)據(jù)整體打包發(fā)送，即單片機連續(xù)發(fā)送多個數(shù)據(jù)給FPGA，F(xiàn)PGA接收完所有數(shù)據(jù)之后，以某種方式進行校驗（求和，或CRC），如果校驗成功則視為發(fā)送成功，否則視為發(fā)送失敗，并重新發(fā)送數(shù)據(jù)，當多次發(fā)送失敗后，停止發(fā)送，并通過串口向上位機進行可視化反饋，提醒用戶進行相應動作。同理當FPGA向單片機反饋參數(shù)時，F(xiàn)PGA也連續(xù)向單片機發(fā)送多個數(shù)據(jù)，單片機接收完所有數(shù)據(jù)后進行校驗，如果連續(xù)多次都校驗失敗，則向上位機報警，否則視為發(fā)送成功。

圖5 FPGA外圍管腳設置

3.2.1 單片機與FPGA數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)

(1）單片機發(fā)送——FPGA接收數(shù)據(jù)

單片機將參數(shù)進行打包定義，通過控制總線通知FPGA開始準備接收數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA接到通知后反饋準備狀態(tài)。得知FPGA處于接收狀態(tài)，將一個16位數(shù)據(jù)發(fā)送到并行總線上，其中數(shù)據(jù)高四位作為參數(shù)號位，用來說明當前參數(shù)序號，便于FPGA判斷接收。串口P5.0-P5.7用于發(fā)送數(shù)據(jù)的低8位，P6.0-P6.7用于發(fā)送數(shù)據(jù)高8位，在完成單次數(shù)據(jù)上傳后通知FPGA開始接收，F(xiàn)PGA從總線上完成接收后進行處理讀取當前參數(shù)號并完成參數(shù)暫存，然后向單片機反饋本次接收成功指令。當單片機接受到FPGA反饋后說明單次數(shù)據(jù)發(fā)送成功。單片機判斷是否完成所有數(shù)據(jù)的發(fā)送，如若未完成則繼續(xù)重復上一步驟發(fā)送，如若完成則發(fā)送校驗和到FPGA并通知FPGA完成數(shù)據(jù)發(fā)送。當FPGA判斷到接收到最后一個數(shù)據(jù)時，將接收數(shù)據(jù)進行校驗和運算，然后與單片機端發(fā)送的校驗和進行比較以判斷本輪數(shù)據(jù)傳輸是否成功。

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

成功后FPGA則向單片機反饋成功指令并完成接收數(shù)據(jù)的定義與幅值，如若校驗和對比異常則說明數(shù)據(jù)傳輸異常，F(xiàn)PGA則向單片機反饋失敗指令，則系統(tǒng)需要重新進行數(shù)據(jù)發(fā)送流程，如果多次失敗系統(tǒng)將會停止數(shù)據(jù)傳輸，單片機便向上位機反饋報警。

(2）FPGA發(fā)送——單片機接收數(shù)據(jù)

與單片機發(fā)送數(shù)據(jù)相似，兩者之間數(shù)據(jù)發(fā)送時機控制通過控制總線P7實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸總線負責16位數(shù)據(jù)，其中P3.0-P3.7為數(shù)據(jù)的低8位，P4.0-P4.7為數(shù)據(jù)高8位。傳輸流程與發(fā)送數(shù)據(jù)相似，均通過應答機制實現(xiàn)FPGA與單片機交流，保證傳輸?shù)耐叫耘c準確性。 FPGA將數(shù)據(jù)打包完成并上傳至數(shù)據(jù)總線，其中數(shù)據(jù)低4位為參數(shù)號，高12位為數(shù)據(jù)值。然后通過將控制總線置1告訴單片機接收數(shù)據(jù)，單片機接收數(shù)據(jù)包并進行解析暫存，然后通過控制線通知FPGA已完成當前數(shù)據(jù)接收，可進行后續(xù)動作。FPGA判斷數(shù)據(jù)是否全部發(fā)送完畢，如果未完成則重復上述操作繼續(xù)發(fā)送，否則則向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)校驗和，單片機端接收校驗和之后與通過已接收數(shù)據(jù)計算出的校驗和進行比較，判斷本次數(shù)據(jù)傳輸總流程是否準確完成。成功完成后單片機則向FPGA反饋成功指令，同時完成接收數(shù)據(jù)的存儲，并向觸摸屏反饋用于使用者對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測。如若校驗和對比異常則說明數(shù)據(jù)傳輸異常，單片機則向FPGA反饋失敗指令，則系統(tǒng)需要重新進行數(shù)據(jù)發(fā)送流程，如果多次失敗系統(tǒng)將會停止數(shù)據(jù)傳輸，單片機便向上位機反饋報警。

圖7 單片機發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

圖8 FPGA接收數(shù)據(jù)流程圖

3.3 硬件實現(xiàn)及測試

搭建FPGA-單片機板上系統(tǒng)，該硬件系統(tǒng)可實現(xiàn)FPGA與51單片機之間的數(shù)據(jù)通信過程。然后基于此硬件系統(tǒng)進行單片機-FPGA收發(fā)實驗，對單片機及FPGA通信變量數(shù)據(jù)進行實時同步監(jiān)測，實驗結(jié)果如圖9所示。首先進行單片機發(fā)送數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA接收數(shù)據(jù)實驗，單片機共向FPGA發(fā)送4個參數(shù)數(shù)據(jù)，對比圖9(a)與圖9(b)可以看出，F(xiàn)PGA接收數(shù)據(jù)與單片機發(fā)送數(shù)據(jù)一致，完成單片機向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)過程。然后，進行FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機接收數(shù)據(jù)實驗，F(xiàn)PGA端共向單片機端發(fā)送4個數(shù)據(jù), 對比圖9(c)與圖9(d)可以看出，單片機接收數(shù)據(jù)與FPGA端發(fā)送數(shù)據(jù)一致，完成FPGA向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)過程。

圖9 通信實驗數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)監(jiān)測

4 總結(jié)

本文提出的基于FPGA與單片機的自定義總線通信系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，單次可完成16位數(shù)據(jù)收發(fā)，具有較高的傳輸效率。采取雙向應答機制進行指令反饋保證傳輸可靠性。數(shù)據(jù)校驗采用校驗和方式進行，校驗方法簡單便捷，且穩(wěn)定性和準確性較好。該傳輸流程具有錯誤自檢，自動重發(fā)，異常報警等功能，適用性廣，可靠性強，在多控制器的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中具有較高的實用價值。