FPGA_ASIC-SOPC技術(shù)在多總線融合測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇SOPC技術(shù)在多總線融合測試系統(tǒng)中的應(yīng)用作者:方甲永，肖明清,劉文杰 來源:微計算機(jī)信息摘 要：多總線融合測試系統(tǒng)基于LXI總線，兼容PXI、VXI、GPIB、1553B、ARINC429，RS422、RS485總線。實現(xiàn)多總線融合的測試系統(tǒng)必須解決LXI總線到其它總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換。本文采用SOPC技術(shù)在一塊FPGA芯片上實現(xiàn)了LXI到GPIB、1553B、ARINC429、RS485、RS422總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換，軟件層基于µC/OS-實時操作系統(tǒng)和lwip協(xié)議,開發(fā)了應(yīng)用程序。關(guān)鍵詞：多總線融合；SOPC；µC/OS-；Lwip目前測控系統(tǒng)中儀器與計

2、算機(jī)之間常見的連接方式有串行總線、并行總線。串行總線主要有RS-232總線、RS-422總線、RS-485總線、USB總線、IEEE1394(FireWire)總線、ARINC 429總線和1553B總線等；并行總線中主要有IEEE-488(GPIB)總線、SCSI總線、MXI總線等。每種總線都有其各自的特色和相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。目前尚沒有那種總線能夠適用于所有的應(yīng)用領(lǐng)域，因此多總線共存的局面將在很長一段時間存在。典型的多總線融合式自動測試系統(tǒng)包含的總線平臺有LXI、PXI、VXI、GPIB、1553B、ARINC429、RS485、RS422等。由于各種總線的機(jī)械特性、電氣特性、傳輸協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)的

3、不同，只有在數(shù)字接口總線上開發(fā)出一系列接口轉(zhuǎn)換器，才能使不同的總線相互兼容。1 多總線融合測試系統(tǒng)的模型和解決方案組建多總線融合的自動測試系統(tǒng)必須以一種總線為主，本系統(tǒng)基于LXI總線，融合了PXI、VXI、GPIB、1553B、ARINC429、RS485、RS422等總線，系統(tǒng)模型如圖1所示。選用LXI總線作為基礎(chǔ)總線組建系統(tǒng)是由其本身的優(yōu)點(diǎn)和測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢決定的。2004 年Agilent公司和VXI科技公司在結(jié)合了GPIB和VXI總線優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于以太網(wǎng)的LXI總線1。Agilent公司指出了組建LXI自動測試系統(tǒng)的10個優(yōu)點(diǎn)：易于使用、靈活性高、模塊化和可擴(kuò)縮性、性能強(qiáng)、

4、分布式應(yīng)用、長壽命、成本低、通過IEEE1588同步、機(jī)架空間、合成儀器，LXI 解決了系統(tǒng)開發(fā)者所面臨的各種主要問題：降低成本、縮小系統(tǒng)尺寸、簡化集成、提高吞吐率，以及為硬件和軟件的重復(fù)利用提供更多機(jī)會2。這些好處使LXI 成為適應(yīng)當(dāng)前和未來的測試體系結(jié)構(gòu)的新一代總線。1 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇圖1 多總線融合測試系統(tǒng)模型基于LXI總線組建多總線測試系統(tǒng)，其他測試總線系統(tǒng)向LXI總線轉(zhuǎn)換可以分為兩種情況：1）VXI、PXI總線系統(tǒng)需要零槽控制器來完成LXI到PXI、VXI的轉(zhuǎn)換，這些零槽控制器不僅具備協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能而且具有獨(dú)立的嵌入式處理器和時鐘，來完成對VXI、PXI板卡的控制，這類轉(zhuǎn)換

5、器開發(fā)困難，所以本系統(tǒng)選用了市場上成熟的商品；2）LXI到GPIB、1553B、ARINC429、RS422、RS485的擴(kuò)展，相對于第1種情況，這類轉(zhuǎn)換器開發(fā)起來比較簡單。轉(zhuǎn)換器主要完成協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，所以我們基于SOPC技術(shù)開發(fā)了通用總線轉(zhuǎn)換器。2 基于SOPC技術(shù)通用總線轉(zhuǎn)換器的總體設(shè)計方案SOPC（System on a Programmable Chip,片上可編程系統(tǒng)）是由Altera公司倡導(dǎo)提出的，這個概念其實是SOC（System On Chip，片上系統(tǒng)）概念的擴(kuò)展。它將處理器、存儲器、I/O口、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊集成到一個PLD器件上，具有靈活的設(shè)計方式

6、、可裁減、可擴(kuò)充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)的可編程能力5。Nios II是Altera特有的基于通用FPGA架構(gòu)的軟CPU內(nèi)核。一個Nios II處理器由Nios II CPU和一系列外設(shè)組成，Altera提供SOPC Builder軟件用于生成所需要的處理器結(jié)構(gòu)。本轉(zhuǎn)換器所需生成的CPU及功能外設(shè)包括：32位標(biāo)準(zhǔn)型Nios II軟核、串口組件、以太網(wǎng)組件、1553B組件，其中1553B為用戶自定義外設(shè)組件，其他兩個外設(shè)組件Altera已經(jīng)提供。 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇轉(zhuǎn)換器總體功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其中 RS485、RS422接口由Nios II自帶的UART外設(shè)加相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)

7、生；以太網(wǎng)接口采用Nios II提供的LAN 91C111控制組件，并用相應(yīng)的控制芯片LAN 91C111實現(xiàn)，而對于1553B總線Nios II并沒有提供外設(shè)組件，因此針對1553B的實現(xiàn)有三種方案可以選擇：1）在FPGA剩余的門電路中，用硬件描述語言實現(xiàn)1553B邏輯；2）采用外部協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，并且把協(xié)議芯片當(dāng)作普通的外部設(shè)備PIO來控制；3）采用外部協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，定制用戶外設(shè)，把協(xié)議芯片當(dāng)作外部存儲設(shè)備來控制。從以上三種方案中不難看出，第一種方案實現(xiàn)難度最大，需要用戶對1553B協(xié)議非常熟悉。第二種方案實現(xiàn)最為簡單，但是這種方案適于較為簡單的組件，對于1553B協(xié)議控制芯片，如采用這種方

8、案將極大的增加軟件的工作量。對于第三種方案，用戶自定義組件、自定義指令，不僅極大地減少了軟件工作量，而且自定義的組件可以進(jìn)行封裝后重復(fù)利用，同時自定義指令也提高了執(zhí)行效率。所以我們采用了方案3來實現(xiàn)1553B邏輯。圖2 通用轉(zhuǎn)換器總體設(shè)計方案GPIB、ARINC429總線，因為他們的邏輯實現(xiàn)起來比較簡單，而且有成熟的FPGA硬件邏輯設(shè)計電路，所以我們在FPGA芯片剩余的空間內(nèi)用VerilogHDL硬件描述語言來實現(xiàn)。3 開發(fā)流程 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇圖3 開發(fā)流程圖系統(tǒng)的開發(fā)可以分為三部分，如圖3所示。三部分可以同時進(jìn)行也可以分別進(jìn)行，第一部分為Nios II軟核處理器及其外設(shè)的設(shè)計，所用

9、的軟件為SOPC Builder ,需要做的主要工作是自定義組件BU61688控制邏輯的設(shè)計。第二部分GPIB和ARINC429總線邏輯Verilog HDL 源代碼的書寫，所用的軟件是Quartus II，第一部分生成的Nios II 處理器及其外設(shè)與第二部分的總線邏輯也是在Quartus II軟件中通過原理圖輸入方式或文本輸入方式進(jìn)行組合的。第三部分為操作軟件的書寫，是在開發(fā)環(huán)境Nios II IDE中進(jìn)行的，所需做的主要工作是在µC/OS-實時操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用程序，主要包括TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)，嵌入式Web界面的實現(xiàn)，以及與其它接口進(jìn)行通訊的應(yīng)用程序。4 基于

10、1;C/OS-實時操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計在Nios II IDE中進(jìn)行軟件設(shè)計時需要實現(xiàn)復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議，并且要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接口到其它數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)化的多任務(wù)操作，如果不采用嵌入式操作系統(tǒng)，軟件的工作量很大，而且工作效率也比較低。在Nios II IDE中已經(jīng)移植了µC/OS-操作系統(tǒng)，而且移植了基于µC/OS-操作系統(tǒng)的輕量TCP/IP協(xié)議，這就大大降低了我們編程的工作量。4.1 嵌入式TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)。Nios II IDE中已經(jīng)嵌入了lwip協(xié)議，具體的實現(xiàn)過程及實現(xiàn)函數(shù)如圖4所示4。 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇圖4 lwip協(xié)議實現(xiàn)過程接收數(shù)據(jù)流程：網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動通過l

11、ow_level_input()函數(shù)從網(wǎng)絡(luò)接口接收數(shù)據(jù)包，區(qū)分是ARP包還是IP包。如果是ARP包將調(diào)用ARP功能函數(shù)處理這個包，如果是ARP請求，則發(fā)送一個ARP地址應(yīng)答包，如果是ARP應(yīng)答報，則更新ARP地址影射表。如果是一個IP包，則更新ARP地址影射表，然后將數(shù)據(jù)包交由ip_input()函數(shù)處理，ip_input()函數(shù)將數(shù)據(jù)包進(jìn)行簡單的處理后分析該數(shù)據(jù)包是否需要轉(zhuǎn)發(fā)，如果需要則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如果數(shù)據(jù)包有誤則發(fā)送ICMP包。如果該包是發(fā)送給本機(jī)的正常數(shù)據(jù)包，ip_input()則根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型，分別發(fā)送給udp_input(),tcp_input()或icmp_input()函數(shù)進(jìn)行處

12、理。如果是發(fā)送給icmp_input()的的數(shù)據(jù)包則必然是echo包，由icmp處理函數(shù)發(fā)送應(yīng)答。如果是發(fā)送給UDP或TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，UDP或TCP協(xié)議的處理函數(shù)將進(jìn)行相應(yīng)的處理，最后發(fā)送給應(yīng)用程序。 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇發(fā)送數(shù)據(jù)流程：當(dāng)應(yīng)用程序需要發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時，它將調(diào)用UDP或TCP協(xié)議處理函數(shù)udp_send()或tcp_write()函數(shù)發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，UDP或TCP協(xié)議處理函數(shù)接到數(shù)據(jù)后，將對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、分段，然后發(fā)送給IP層的ip_output_if()函數(shù)（需要的時候調(diào)用ip_route函數(shù)進(jìn)行路由選擇），該函數(shù)把數(shù)據(jù)打包、封裝然后調(diào)用網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動函數(shù)low_leve

13、l_output()函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)接口。4.2 應(yīng)用軟件設(shè)計圖5 程序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)圖4.1講述了lwip協(xié)議實現(xiàn)的具體過程，但是我們在編輯應(yīng)用程序時并沒有直接調(diào)用協(xié)議棧中的回調(diào)函數(shù)，圖5表示了應(yīng)用程序的層次結(jié)構(gòu)，我們在開發(fā)應(yīng)用程序時調(diào)用了Nios II IDE中提供的標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)。例如在對lwip協(xié)議的初始化和網(wǎng)絡(luò)接口的初始化時我們調(diào)用了Nios II IDE提供的兩個初始化函數(shù)lwip_stack_init()和lwip_devices_init()，而在實現(xiàn)lwip協(xié)議時我們調(diào)用了lwip提供的標(biāo)準(zhǔn)套字編程接口函數(shù)，它跟普通的socket API 一樣是基于open_read_write

14、_close模型的，提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的方法使用lwip，在這里我們不進(jìn)行詳細(xì)的講解。lwip_stack_init()函數(shù)的原型是void lwip_stack_init(int thread_prio, void (*init_done_func)(void *), void *arg) 其中thread_prio是TCP/IP協(xié)議的優(yōu)先級，init_done_func()是協(xié)議初始完后調(diào)用的函數(shù)，這個函數(shù)可以完成設(shè)備的初始化和任務(wù)的建立，arg是傳遞給init_done_func()函數(shù)的變量，一般情況下為0。lwip_devices_init()函數(shù)的原型是int lwip_devices

15、_init(int rx_thread_prio) 函數(shù)的返回值表示網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備初始化成功，接下來你就可以創(chuàng)建基于TCP/IP協(xié)議的任務(wù)，rx_thread_prio是網(wǎng)絡(luò)接口接收發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)優(yōu)先級，在這個函數(shù)中還需要調(diào)用其它兩個函數(shù)get_mac_addr()和get_ip_addr()。其中g(shù)et_mac_addr()函數(shù)的原型為err_t get_mac_addr(alt_lwip_dev* lwip_dev),在這個函數(shù)內(nèi)部你要填寫網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的MAC地址。函數(shù)get_ip_addr()的原型為int get_ip_addr(alt_lwip_dev* lwip_dev, struct i

16、p_addr* ipaddr, struct 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇ip_addr* netmask, struct ip_addr* gw, int* use_dhcp),你可以動態(tài)或者靜態(tài)的獲得IP地址，只需修改use_dhcp的值，如果靜態(tài)獲得IP地址，你需要在相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)手動輸入初始化值7。另外我們還編寫了other_devices_init()函數(shù)來完成其他外設(shè)的初始化，其原型為int other_devices_init(int rx1_thread_prio, int rx2_thread_prio, int rx3_thread_prio, int rx4_thread_pr

17、io,)其中rx1_thread_prio，rx2_thread_prio，rx3_thread_prio，rx4_thread_prio，rx5_thread_prio對應(yīng)于GPIB、1553B、ARINC429、RS485、RS422外設(shè)接口接收發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級。在完成對系統(tǒng)的初始化后我們就可以創(chuàng)建任務(wù)。主程序流程圖如圖6。圖6主程序流程圖在主程序中，可以看到我們建立了6個主要任務(wù)，這些任務(wù)都是基于µC/OS-操作系統(tǒng)的，一個任務(wù)，就是一個線程，是一個無限的循環(huán)程序，它有五種狀態(tài)休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、掛起態(tài)、中斷態(tài)，在這里我們不進(jìn)行詳細(xì)的講述。任務(wù)之間的通訊與同步是通過信號量、

18、事件標(biāo)簽和消息隊列完成的3。下面我們講解各個任務(wù)的功能和工作過程。網(wǎng)絡(luò)接口任務(wù)完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。TCP/IP協(xié)議服務(wù)主要是實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，完成對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)層的接收和發(fā)送。Web界面任務(wù)主要是實現(xiàn)應(yīng)用層的http協(xié)議，從而實現(xiàn)嵌入式Web界面。其他外設(shè)接口任務(wù)來實現(xiàn)GPIB、1553B、ARINC429、RS485、RS422外設(shè)接口的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)來完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，來實現(xiàn)各個接口間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。其他輔助任務(wù)主要是完成如LED燈控制和按鍵控制等任務(wù)。任務(wù)之間的工作過程如下：各個任務(wù)完成初始化后進(jìn)入掛起狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)從某個外設(shè)接口進(jìn)

19、入后（這里我們以網(wǎng)絡(luò)接口為例），將引起中斷請求，在中斷函數(shù)內(nèi)通過信號量使網(wǎng)絡(luò)接口任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)，網(wǎng)絡(luò)接口任務(wù)將接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送給TCP/IP協(xié)議服務(wù)任務(wù)來完成數(shù)據(jù)的處理，然后根據(jù)請求的不同調(diào)用不同的任務(wù)，如果是Web界面請求則調(diào)用Web界面任務(wù)，如果請求是向其它外設(shè)接口發(fā)送數(shù)據(jù)則調(diào)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換任務(wù)，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)發(fā)到相應(yīng)的端口，調(diào)用相應(yīng)的外設(shè)接口任務(wù)，最終完成數(shù)據(jù)在對應(yīng)外設(shè)接口的輸出。 5 仿真和實驗在程序的開發(fā)過程中，我們對用Verilog HDL語言開發(fā)的GPIB和ARIC429總線邏輯進(jìn)行了時序仿真。仿真圖如圖7和圖8所示。圖8 GPIB發(fā)送數(shù)據(jù)時序圖圖7 ARIC429發(fā)送數(shù)據(jù)時序圖對嵌

20、入式Web界面的實現(xiàn)，我們在Altera公司的DE2 Development and Education board上進(jìn)行了實驗，Web歡迎界面如圖9所示。 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇圖 9 嵌入式Web歡迎界面6 結(jié)束語實現(xiàn)LXI總線到其他總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，有多種方案可供選擇。一種是采用以太網(wǎng)控制器+單片機(jī)（DSP）+FPGA，這種方案要在單片機(jī)或DSP內(nèi)實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，工作量大而且電路復(fù)雜；一種是網(wǎng)絡(luò)芯片+控制器+FPGA，采用專門的網(wǎng)絡(luò)芯片來實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，減少了工作量，但是這種協(xié)議是固化的，不一定和我們的需要相一致。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是采用以太網(wǎng)控制器+FPGA方案，在FPGA內(nèi)嵌入Nios II軟核處理器，實現(xiàn)控制作用，并移植了&