基于SoPC的光电吊舱通信控制设计与实现

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摘 要： 实现了基于Nios Ⅱ软核处理器的通信控制的设计，以Nios Ⅱ软核作为中央处理器，利用FPGA的逻辑资源构成片上可编程系统（sopc）来实现光电设备的通信控制功能。设计实现了通过RS 422串口和通用IO口来实现对光电设备中各传感器的通信控制和信息传递功能。该设计已成功应用于某光电侦察设备，试验证明，该通信控制性能稳定，功能完善，在光电设备多传感器的控制领域有着广泛的应用前景。

关键词： 光电设备； 通信； Nios Ⅱ； RS 422； SoPC

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）21?0021?02

机载光电侦察设备已经成为直升机、无人机获得精确全面的现场和目标信息的核心装备。目前机载光电设备主要装载红外和可见光传感器，实现全天时图像侦察，配合激光测距仪、伺服控制以及视频跟踪器实现对目标的定位和自动跟踪功能。而对整个系统而言，通信控制部分主要实现各传感器和控制组件之间的信息传递。

1 通信控制系统设计

本设计构建一个片上可编程系统（SoPC）来实现通信控制功能，采用SoPC实现通信系统与以往型号通信控制系统相比可以支持更多串口，能够满足多传感器和控制需求。通信系统通过串口完成与可见光、红外、激光、记录仪、控制系统等之间的通信。

1.1 SoPC硬件开发

采用SoPC Builder GUI来定义硬件系统结构，配置部件以及如何指定部件相互连接，并生成系统。在本设计中，为实现系统通信需求，除配置Nios ⅡCPU外，还需配置的外设有RS 232、SRAM和PIO等。硬件开发环境可以创建高度定制的SoPC。图1为开发生成的分组件Avalon总线连接图。

1.2 CPU设置、RS 232设置

本控制系统中Nios Ⅱ处理器为标准型内核（Nios Ⅱ/s），需要开发六个标准RS 232串口，来分别实现对操纵杆、红外、可见光、激光和记录仪等传感器组件的通信控制。系统采用中断响应的方式来同时实现六个串口，表1为六个串口的中断优先级。

1.3 JTAG_UART设置

Nios Ⅱ处理器的JTAG调试模块也是可配置的，根据系统需求，为Nios Ⅱ处理器配置适当的软件调试功能。JTAG调试模块对处理器的控制是非屏蔽的，而且在调试程序时也不需要软件调试（Software Stub）来链接测试中的软件程序。JTAG调试模块收集的跟踪数据存放在调试探针或片内的存储器中。该模块主要提供以下功能：

将程序下载至存储器；开始和停止执行程序；设置断点；硬件触发；捕获跟踪数据。

该模块可以在软件调试时通过，形成产品时去掉。

系统CPU和外设单元按上述步骤配置完成后，为每个外设分配一个惟一的基地址。最后，为 CPU设置复位和异常地址，本设计中，把复位和异常地址均设置为on_chip_memory，创建和编译生成系统。编译生成的顶层文件图如图2所示。

2 NiosⅡ IDE软件设计

系统生成后，可直接使用NiosⅡIDE设计C应用代码，借助Altera提供的外设驱动程序和硬件抽象层，能够快速、方便实现各项功能。

2.1 串口软件编程

在本系统设计中，采用了软件中断的方式来响应串口通信。设计六个外部中断来实现对各分组件的控制。每一个中断都有一个相应的中断服务函数（ISR）与之对应。中断发生时，软件中断会根据检测到有效中断级别，调用相应的中断服务函数。

ISR函数自行定义，不是HAL系统提供，函数与普通函数定义一样，只是对ISR的函数原型有特定要求。ISR函数声明如下：

void ISR_handler（void* context，alt_u32 id）；

context：传递给ISR的形参；id：中断优先级别。

本设计中对六个硬串口中断的ISR定义如下：

上位机ISR函数：

void UartSW_interrupt（void *context，alt_u32 id）；

红外ISR函数：

void UartIR_interrupt（void *context，alt_u32 id）；

可见光ISR函数：

void UartVL_interrupt（void *context，alt_u32 id）；

激光ISR函数：

void UartLA_interrupt（void *context，alt_u32 id）；

记录仪ISR函数：

void UartJL_interrupt（void *context，alt_u32 id）；

伺服（备份）ISR函数：

void UartSF_interrupt（void *context，alt_u32 id）。

在各分组件ISR函数中，主要实现相应各串口软件中断，接受各分组件的串口数据，按通信协议完成对命令信息的解释。其中在上位机中断服务函数中，除完成对上位机发送命令的解释外还同时完成对各串口数据的发送。

任何满足ISR函数原型的函数都可以用做ISR，但不是任何满足ISR函数原型的函数都是ISR，只用通过中断注册的函数才是ISR。

通过alt_irq_register （）函数实现中断注册，其函数原型如下所示：

int alt_irq_register（alt_u32 id，void* context，void（*handler）（ void *context，alt_u32 id ））；

id：中断优先级，表明所注册的ISR是为哪个中断优先级的中断服务的，中断优先级在SoPC Builder中分配；

context：为所注册的ISR传递参数，可以是NULL；

handler： 中断服务函数ISR的指针。

本设计中对六个串口中断的注册函数分别为：

alt_irq_register（UART_SW_IRQ，NULL，UartSW_interrupt）；

alt_irq_register（UART_OP_IRQ，NULL，UartVL_interrupt）；

alt_irq_register（UART_IR_IRQ，NULL，UartIR_ interrupt）；

alt_irq_register（UART_LA_IRQ，NULL，UartLA_interrupt）；

alt_irq_register（UART_LA_IRQ，NULL， UartSF_interrupt）；

2.2 PIO接口的软件编程

对于升降机构的IO控制相对比较简单，采用API函数IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（）来实现高低电平的输出，程序如下：

IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（LOAD_BASE，0X0）；

IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA（LOAD _BASE， 0X1）

LOAD_BASE为升降机构IO口地址。

3 结 论

本通信控制设计已在某型号光电侦察设备上成功应用，其对各分组件的控制功能、信息传递功能均达到设备技术需求。通过该通信控制器的设计，有效地提高了光电侦察设备中的通信控制能力，解决了以往型号中串口RS 422数量对分组件控制的限制。使得通信控制系统得到了大幅度的提高。

参考文献

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