趙慶平，邵 芬，苗曙光

(淮北師范大學物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000)

基于SOPC的射頻模塊控制器的設計*

趙慶平，邵 芬，苗曙光

(淮北師范大學物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000)

針對ISM射頻模塊UTC-903SE，提出一種基于嵌入式軟核的設計方法，在FPGA片上系統(tǒng)中構建出UTC-903SE控制器IP核以及嵌入式處理器Nios II軟核。通過FPGA控制無線射頻模塊，可以實現數據的無線收發(fā)，并具有實時性，為需要遠距離采集數據的場合提供了方便快捷的方法。

現場可編程門陣列；可編程片上系統(tǒng)；Nios；工業(yè)、科學和醫(yī)療頻段

隨著微電子工業(yè)的發(fā)展，現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，簡稱FPGA)作為可編程邏輯器件得到了越來越廣泛的應用。可編程片上系統(tǒng)(System on a Programmable Chip，簡稱SOPC)是一種片上系統(tǒng)(SOC),它是由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能。作為可編程系統(tǒng)，它的設計方式比較靈活，可刪減、擴展、升級[1-4]。

由于無線通信技術的快速發(fā)展，工業(yè)、科學和醫(yī)療頻段(簡稱ISM頻段)前端射頻技術已經是通訊和弱電領域的核心技術，受到了廣泛的關注。ISM頻段具有使用不受限制，收發(fā)設備價格低廉等優(yōu)點[5]。

1 方案設計

本文設計采用的主控芯片是ALTERA公司的cyclone II 系列芯片EP2C35F484C8N。該芯片有3 326個可配置邏輯單元和475個用戶引腳，不僅滿足本設計的要求，而且有較大的升級空間。ISM射頻模塊采用杭州威步科技有限公司UTC-903SE模塊。該模塊為UART串行數據接口，操作簡易且適用性廣，實測距離可達1 800～2 000 m，FSK調制，工作頻率可配置在430～440 MHz，適合多節(jié)點的場合。

本文實驗采用兩個相同的上述開發(fā)板(取名為A和B)，用來實現數據的無線發(fā)射和接收[6-7]。該實驗是將實時采集的溫度數據通過開發(fā)板A讀取出來，按照已設定的頻率無線發(fā)送出去，最后在開發(fā)板B上接收并顯示出來。方案的總體設計如圖1所示。

2 射頻模塊控制器的硬件設計

2.1 構建SOPC系統(tǒng)

在兩個開發(fā)板的FPGA芯片上構建SOPC硬件系統(tǒng)，包括FLASH控制器、SDRAM控制器、UTC-903SE模塊、溫度傳感器控制模塊和FIFO模塊。FLASH用于存儲硬件配置和應用程序， SDRAM用做數據緩存區(qū)，UTC-903SE模塊用于控制射頻模塊發(fā)送數據和接收數據。構建的SOPC硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 方案的總體設計

圖2 UTC-903SE模塊

圖3 UTC-903SE 模塊引腳定義

2.2 UTC-903SE模塊

UTC-903SE模塊共有7個引腳，定義如圖3所示，表1給出了UTC-903SE模塊的接口定義。UTC-903SE模塊與FPGA的引腳連接如圖4所示。

3 射頻模塊控制器的軟件設計

Nios II處理器的軟件程序設計使用硬件抽象層(Hardware Abstration Layer，簡稱HAL)系統(tǒng)庫。HAI系統(tǒng)庫為程序員提供了應用程序與底層硬件交互的設備驅動接口，簡化了應用程序的開發(fā)，同時還為應用程序與底層硬件驅動劃分了一條清晰的分界線，從而大大提高了應用程序的可復用性，使得應用程序不受底層硬件變化的影響，實現系統(tǒng)硬件和應用程序之間的通信。HAI 應用程序接口 (Application Program Interface，簡稱API)集成了ANSI C標準庫，可以使上層程序像訪問C函數庫一樣訪問系統(tǒng)硬件和軟件[8-9]。程序流程如圖5所示。

表1 UTC-903SE引腳說明

圖4 主控芯片與模塊連接示意圖

控制器的發(fā)送代碼為：

void main(void)

{

alt_u8 t[3];

FILE *fp;

while(1)

{

t[0]=IORED_BALTERC_AVDLON_PPO_DETA(WAMDU_D_BCSE);

t[1]=IORED_ELTERA_AVHLON_PIO_DETA(WAMDU_L_BCSE)

fp = fopen("/dev/UTC903SE_UART","r+");

fwrite(t,3,1,fp);

fclose(fp);

圖5 UTC-903C模塊程序流程

}

}

控制器的接收代碼為：

void main(void)

{

aly_u8 r[3];

FILE *fp;

while(1)

{

fp = fopen("/dev/UTC903

SE","r+");

fread(t,3,1,fp);

fclose(fp);

IOWT_ALRERS_AVALOM_PIO_DETA(WENSU_H_BOSE,r[1]);

IOWT_ALRERS_AVALOM_PIO_DETA(WENSU_L_BOSE,r[2]);

printf("r[0]==%xm",r[1]);

printf("r[1]==%xm",r[2]);

}

}

4 實驗結果

系統(tǒng)啟動后，首先由開發(fā)板A將采集的溫度數據通過UTC-903SE模塊發(fā)送出去，然后由開發(fā)板B的UTC-903SE模塊接收并通過串口顯示在顯示器上。經測試，在上位機中能夠正確顯示出溫度數據，改變發(fā)送溫度和發(fā)送距離后，接收系統(tǒng)均能正確反應，并在上位機上顯示出來，這說明控制器達到了設計要求。

5 結束語

本文設計了一種基于FPGA的SOPC Builder和Nios II軟硬件結合的射頻模塊控制器，實現了數據的無線傳輸。該設計方法簡便快捷，移植性強，適用性廣。實驗結果表明，所設計的無線模塊控制器方案，易于開發(fā)，功能正常，可實現無線接收和發(fā)送。

[1]陳文娟，石江宏，陳凌宇.基于SOPC的高速通信接口設計[J].電子測量技術，2010,33(7)：117-124.

[2]陳東明，葉玉堂，蒲亮，等. 基于SOPC可重構的圖像采集與處理系統(tǒng)設計[J].電子器件,2011，34(2)：232-236.

[3]王培元.基于FPGA的SOPC設計[J].襄樊學院學報，2010,31(8):42-44.

[4]尚媛園，楊新華，徐達維.基于SOPC技術的高速圖像采集控制系統(tǒng)的設計與研究[J].傳感技術學報，2011，24(6)：864-869.

[5]黃玉蘭.一種新的ISM頻段低噪聲放大器設計方法[J].電子技術應用，2010(5):60-62.

[6]宗曉萍，劉巍.無線溫濕度采集系統(tǒng)設計[J].河北工業(yè)科技,2010,27(6):500-502.

[7]王智超，翁惠輝.基于無線通信模塊的溫濕度采集系統(tǒng)設計[J].長江大學學報，2010,3(7): 272-274.

[8]石紅曉，吳光敏.基于Nios II處理器的TFT-LCD圖形顯示設計[J].微型機與應用，2010,29(18):37-43.

[9]鄭見靈，原亮，較文成，等.基于Nios II的TFT-LCD控制器的設計與實現[J]. 計算機技術與發(fā)展,2009(4):192-195.

Design of RF module controller based on SOPC

ZHAO Qing-ping, SHAO Fen, MIAO Shu-guang

(SchoolofPhysicsandElectronicInformation,HuaibeiNormalUniversity,Huaibei235000,China)

The paper puts forward a design method using embedded soft core based on ISM RF module UTC-903SE. It constructs UTC-903SE controller IP core and the embedded processor Nios II soft core on a chip system of FPGA. The design can realize real-time wireless transceiver of data. The design provides a convenient and fast method for many remote data acquisition. The design put forward a simple and fast method for many remote data acquisition.

field programmable gate array; system-on-a-programmable-chip; Nios II； ISM

國家自然科學基金資助項目(41275027)；安徽高校省級自然科學研究項目(KJ2013Z228)。

2013-09-18

趙慶平(1972-)，男，遼寧錦州人，碩士，淮北師范大學物理與電子信息學院講師。

1674-7046(2014)01-0073-04

TP331.2

A