基于Nios II软核的卫星地球站ODU监控终端设计

杨仕东，黄建国，李 力

（电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731）

0 引 言

由于经纬度与海拔关系，卫星通信地球站ODU基本设置因地而异，气象条件也会影响信号接收（或发送）质量，若设备需要在不同的频段使用，那更是需要不一致的发射与接收频点。如果各个地区的地球站都采用订制生产的方式，不仅耗费极大人力财力，也对其维护带来极大的困难。所以ODU的工作状态应是可调控的。为了对ODU的工作状态进行设置，该文设计了此终端[1]。

通过在FPGA中嵌入Nios II软核来处理数据，控制不同模块的动作。相对于其他的处理器，Nios II软核主要有以下3个优势：（1）灵活性。通过将CPU、外设、存储器接口和定制硬件外设进行组合，达到每一新设计的特殊要求。（2）低成本。通过将Nios II嵌入到低成本的cyclone II FPGA中，此时FPGA不仅可以具有诸如Intel，ARM等处理器的功能，还可以完成系统逻辑设计的任务。（3）功能强大的开发工具。通过Quartus II中的SOPC Builder可以在几分钟内搭建一个系统，通过使用Nios II集成开发环境（IDE），加速了软件的开发。

1 系统总体设计

系统总体结构如图1所示，Nios II控制模块作为该设计的核心模块，控制着系统的各个模块的动作；通信模块完成ODU与监控终端的通信，实现两者之间的数据交换；人机界面完成对ODU工作状态的相关参数的设置和显示；故障判断是对通信控制模块读回的数据进行判断后定位ODU的故障位置。

2 Nios II控制模块

Nios II处理器具有完善的开发软件，Quartus开发软件中提供的SOPC Builder开发工具，设计人员使用它生成Nios II处理器。然后根据需要，从SOPC Builder的通用外设和接口库中添加设备，而且可以利用软件中的用户逻辑接口向导，将自制的外设添加在Nios II处理器系统中，给其分配地址空间、DMA、中断等资源并生成相应的硬件驱动模块。能直接向应用程序提供可使用的接口，配置完成后通过Generate进行系统模块的生成，并同时自动产生每个模块的HDL文件和一些必要的逻辑来协调系统中各部件的工作。

图1 系统总体结构框图

Nios II控制模块完成以下功能：

（1）识别按键模块的按键信息。输入端口向Nios II CPU核发出中断请求后，CPU核响应中断请求后接受按键模块送来的按键值。

（2）根据按键值进行相应的操作。例如，使能通信模块发送不同的数据。

（3）完成参数的计算。通信模块传递过来的部分数据需经过计算后才能进行显示和修改。

2.1 Nios II系统硬件设计

该文在SOPC Builder中主要添加了以下组件：

2.1.1 Nios II CPU核

Nios II CUP核有快速的（Nios ii/f）、经济的（Nios ii/e）和标准的（Nios ii/s）3 种，每种都针对不同的性能范围和成本。为节约CPU核所占FPGA的资源，该设计选择经济的。

2.1.2 PIO组件

SOPC Builder提供的PIO组件可以完成像控制Led、从开关或键盘输入采集数据、控制显示设备、与片外器件通信等任务。

PIO组件可以通过SOPC Bulider配置向导来设置不同的功能。该设计中的PIO设置了如下3种不同的工作方式：（1）输入中断方式；（2）输入非中断方式；（3）输出方式。

2.1.3 JTAG UART核

SOPC Build中提供的JTAG UART核实现基于FPGA的嵌入式系统与主机之间的串行通信。该设计添加这个组件主要为了方便调试。

2.2 基于Nios II的软件设计

该设计的软件部分是针对Nios II处理器，该处理器具有完善的软件开发套件，包括编译器、集成开发环境（IDE）、JTAG 调试器、实时操作系统（RTOS）和TCP/IP协议栈。因此，此次软件的编写是在Altera公司所提供的软件开发套件Nios II IDE 6.0中进行，采用C语言编写。

软件设计的流程图如图2所示。当Nios II软核接收到按键模块的中断请求后，接收其发送过来的按键值，Nios II再依据按键值完成对ODU工作状态的设置或监控。其中工作状态的设置主要完成发射频率、接受/发射衰减等参数的设置。而工作状态的监控主要完成对频综、发射和接收等模块的温度、电流和电压进行监控[1]。

图2 Nios II软件流程图

在程序运行过程中，首先执行INITPIO函数，初始化PIO的相关寄存器的值，完成中断服务函数的声明。在按键中断产生的时候，程序跳到中断服务函数KEY_ISR中去，对按键中断标志位置一，并清除边沿捕获寄存器的值，为下次中断产生做准备。完成相应任务后，程序回到中断之前的位置，完成剩下的任务。下面介绍软件中4个重要的函数：

（1）INITPIO。初始化PIO，完成PIO的中断屏蔽寄存器、沿捕获寄存器等的值的设定。

（2）KEY_ISR。中断服务函数，在该函数中完成中断标志位置一和清除边沿捕获寄存器的值。

（3）ALT_IRQ_REGISTER。此函数用于声明中断服务函数（ISR），在软件使用ISR之前一定要先声明。

（4）IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK。使能中断函数，是按位来使能的，比如0×f表示4位全部使能，而0×7表示使能低3位中断。

3 通信控制逻辑

通信控制逻辑采用的是RS232接口标准的UART[2]。为了简化电路，增加设计的灵活性，该文在FPGA上设计了UART功能模块，实现了UART的部分功能[3]，满足了设计的要求。

在RS232接口标准中定义了逻辑“1”、逻辑“0”电压级数、以及标准的传输速率和连接器类型。信号大小在±3～±15V之间。RS232规定接近零的电平是无效的，逻辑“1”规定为负电平，逻辑“0”规定为正电平。由于核心逻辑处理系统FPGA使用的是TTL逻辑电平，所以RS232串口信号需要通过RS232信号收发器做电平转换后方可被FPGA正确识别。该设计通过芯片MAX211E来实现这种转换。

4 人机界面

人机界面包括按键输入和数据显示两部分。

4.1 按键模块

按键模块采用了矩阵式键盘的设计方案[4]，主要需要完成以下3个任务：（1）按键识别，常用的识别方法有行扫描法和线反转法；（2）按键译码；（3）去抖动。根据以上提到的任务，该文用Verilog语言编写了按键识别模块的程序[5-6]，具体设计流程如图3所示。

图3 按键模块程序流程图

4.2 显示模块

由于该设计所应用的环境条件比较恶劣，所以要求显示器具有较宽的操作和储存温度范围。故采用avago的HDSP-2112 LED字符显示器产品，该产品的操作温度范围为-55～+70℃。存储温度则可达-55～+100℃，完全满足该设计所要求的温度范围。HDSP-2112具有8位显示字符，每一个显示字符由5×7点阵组成。在该LED内部包括8字节的字符RAM、一个字节的动态RAM、16×7个字节的用户自定义字符（UDC）的字模存储RAM、一个UDC地址寄存器和一个控制寄存器。对LED的操作实际上是其内部的寄存器的操作，由于LED内有ASCII译码器，可以把128个ASCII码所对应的字符显示出来。因此，需要数据编码模块是把Nios II输出的待显示的数编译ASCII的形式。

LED有23根有用的信号线，FPGA通过这些信号线来驱动LED的工作。其中A[4..0]是地址信号线，通过它来选择内部不同的寄存器；CLK是时钟输入（CLS=0）或输出脚（CLS=1）；CLS用于选择内部时钟源或者是外部时钟源；CE是片选信号，在其上升沿时LED读入数据线上的数据；RD和WR是读写控制信号线，通过其来控制LED的读写。对LED进行写操作的时序如图4所示，FPGA就是依据图4对LED进行写操作的。

5 结束语

该文所设计的监控终端能非常方便地对ODU工作状态进行设置，对其故障位置进行定位。由于采用的嵌入式Nios II软核，因而具有设计灵活、实时性强、可重构等优点，对产品的功能扩展提供了很大的便利。该设备已应用于某国产ODU中，应用效果良好。

[1] 王忠铭，宋爱民.小型卫星地面站ODU测控平台设计[J].微计算机信息，2008（24）：53-54.

[2] 张艳玲，吴思和，吴勇.小型卫星地球站中ODU控制器的通信模块设计[J].微电子学，2003（12）：495-498.

[3] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[4]李广军，林水生.微机系统原理与接口技术[M].成都：成都电子科技大学，2005.

[5] 吴继华，王诚.Altera FPGA/CPLD设计基础篇[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[6] 吴继华，王诚.Altera FPGA/CPLD设计高级篇[M].北京：人民邮电出版社，2005.