基于FPGA+DSP的多串口數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)

摘要： 串口傳輸常用于基于FPGA和DSP結(jié)構(gòu)的信號處理板和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。以GPS RTK定位應(yīng)用為基礎(chǔ)，針對單個串口全雙工傳輸不足以應(yīng)對多種數(shù)據(jù)類型同時輸入輸出的情形，設(shè)計并實現(xiàn)了一種面向多串口不同類型數(shù)據(jù)的傳輸方案。該方案通過增加串口控制寄存器實現(xiàn)單個中斷信號即可控制所有串口，采用乒乓交替讀寫實現(xiàn)數(shù)據(jù)持續(xù)高速輸入。測試表明該方案可獨立對各串口進(jìn)行配置，可同時實現(xiàn)GPS定位結(jié)果、差分GPS修正數(shù)據(jù)與外界的交換以及用戶控制命令的輸入，并且可減少硬件調(diào)試時間，節(jié)約硬件資源。

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

　　GPS RTK（Real Time Kinematic）可以即時提供厘米級的定位解。在進(jìn)行動態(tài)定位時，基準(zhǔn)站將精確已知的GPS坐標(biāo)和觀測數(shù)據(jù)實時用微波鏈路傳給流動站，在流動站實時進(jìn)行差分處理，得到基準(zhǔn)站和流動站坐標(biāo)差；坐標(biāo)差加上基準(zhǔn)站坐標(biāo)得到流動站每個點坐標(biāo)。基準(zhǔn)站向終端用戶接收機(jī)提供的信息包括對GPS衛(wèi)星鐘、星歷數(shù)據(jù)、用戶測量偽距和載波相位等參數(shù)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(shù)據(jù)定位或者本身的高精度單點定位輸出定位結(jié)果和差分修正數(shù)據(jù)。作為基準(zhǔn)站，不僅要實時輸出精確定位信息，而且需要與外界進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)交換。由于同一時間需要大量持續(xù)差分?jǐn)?shù)據(jù)的輸入與輸出和用戶控制指令的輸入，設(shè)計采用了3個串口。

　　1 硬件結(jié)構(gòu)

　　信號處理板為FPGA+DSP結(jié)構(gòu)，具有多路A／D、D／A轉(zhuǎn)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。通過串口輸入的用戶控制指令任意選擇串口對GPS定位結(jié)果的輸出和GPS差分修正數(shù)據(jù)的輸入輸出。

圖1 信號處理板框圖

　　FPGA芯片上配置了3個串口，分別為UART0、UART1、UART2，由SOPC Builder分配相對應(yīng)的存儲映射空間和中斷請求。每個模塊均使用默認(rèn)的基地址，并分別設(shè)定UART0、UART1、UART2的數(shù)據(jù)輸入中斷請求號為IRQ1，IRQ2，IRQ3。另外，DSP芯片可能在任意時刻通過3個串口發(fā)送不同數(shù)據(jù)。

　　如果DSP對每個串口發(fā)送數(shù)據(jù)時均向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。本實現(xiàn)方案通過增加個串口控制寄存器，僅占用1根PIO管腳。

　　同時，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UART口都有輸入、輸出兩塊RAM作為緩存，數(shù)據(jù)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（見圖2）。需要注意的是實際傳輸數(shù)據(jù)時，外部設(shè)備的串口參數(shù)的數(shù)據(jù)位長度設(shè)置為8 bits，因此需要在串口的軟件處理進(jìn)行字與字節(jié)的轉(zhuǎn)換。

圖2 NIOS II CPU的地址映射