基于NIOS II的BCMO4藍牙通信模塊的設計

　　引言

　　在工業(yè)現場中，大多的通信設備是通過加裝通信模塊來實現的，而大多的通信模塊的處理器采用ARM核。隨著微電子學和計算機科學的迅速發(fā)展，電子系統(tǒng)已經從電路板級系統(tǒng)集成發(fā)展成為包括ASIC、FPGA和嵌入式系統(tǒng)的多種模式。SOPC由于集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍I/O及可編程邏輯模塊，在設計和應有的靈活性及其成本方面有較大的優(yōu)勢。

　　NIOSⅡ系列處理器是Altera公司的第二代FPGA嵌入式處理器。同前一代軟核的CPU相比，NIOSⅡ的性能得到很大提高，體積更小，其最大處理能力是第一代軟核的三倍。邏輯功能方面具有32位的精簡指令集CPU。實現方式是在FPGA上通過編程的方式實現，這是與傳統(tǒng)的CPU的一個根本的差別。本文是在NIOSⅡ軟核的基礎上設計了藍牙技術模塊，并在工業(yè)以太網中，較好地實現了通信模塊與工業(yè)現場設備的無線通信。

　　NIOSⅡ嵌入式處理器概述

　　NIOSⅡ處理器是Altera公司的第二代用戶可配置的通用32位RSIC軟核微處理器，是Altera公司特有的基于通用FPGA架構的軟 CPU內核。它可以提供：完全的32位指令集、數據總線和地址空間;32位通用的目的寄存器;32個外部中斷源;計算64位和128位乘積專用指令;單指令桶形移位器;對多種片上外設進行訪問，提供片外存儲器和外設接口;在IDE控制下，硬件輔助調試模塊可對處理器進行啟動、停止、單步和追蹤操作;基于 CNU C/C++工具鏈和Eclipse IDE;所有的NIOSⅡ處理器系統(tǒng)的指令集兼容;具有超過150 DMIPS的性能。

　　它將設計輸入、綜合、布局、驗證、編程與配置以及第三方EDA工具接口集成在一個無縫的綜合性設計環(huán)境中。NIOSⅡ的硬件開發(fā)環(huán)境是在 SOPC builder中進行的。SOPC builder是一個自動化的SOPC硬件系統(tǒng)的開發(fā)工具，集成在Quartus Ⅱ軟件內，Quartus Ⅱ和SOPC builder一起為建立SOPC設計提供標準化的圖形環(huán)境。Quartus Ⅱ和SOPC builder軟件，可以在很短的時間內定義一個完整的硬件系統(tǒng)。SOPC builder 通過SOPC開發(fā)階段的系統(tǒng)定義、集成和驗證的自動化，縮短了產品的市場化時間。

　　NIOSⅡ軟件開發(fā)環(huán)境被稱為NIOSⅡ集成開發(fā)環(huán)境(Integrated Development Environment，IDE)。它內嵌在Quartus Ⅱ設計工具中，可通過JTAG將應用程序下載到SOPC硬件系統(tǒng)中進行調試，可在指令集仿真器中對應用程序進行仿真調試，也可在ModelSim軟件中進行仿真調試?；贜IOSⅡ的SOPC的軟硬開發(fā)環(huán)境及設計流程如圖1所示。

　　圖1 基于NIOSⅡ的SOPC軟硬件開發(fā)環(huán)境及流程

　　首先利用SOPC Builder的界面定制系統(tǒng)，產生輸出文件;然后進入傳統(tǒng)的FPGA硬件開發(fā)流程;在Quartus Ⅱ中進行邏輯綜合、布局布線。在軟件流程中，用戶利用NIOSⅡ IDE環(huán)境，建立工程、編譯設計、調試等。

　　藍牙通信模塊的硬件設計

　　藍牙技術是一個開放性的、短距離無線通信技術標準，工作在全球通用的2.4GHz ISM頻段，采用跳頻擴頻技術，可以用于近距離通過無線連接的方式實現固定設備以及移動設備之間的網絡互連，在各種數字設備之間實現靈活、安全、低成本、小功耗的數據和語音通信，實現全方位的數據傳輸。

　　工業(yè)現場中存在多種使用不同方法進行互連的設備。對有些環(huán)境比較惡劣，布線不方便等因素可以采用藍牙無線通信技術來實現數據的通信。本設計中，采用了基于NIOSⅡ軟核的FPGA芯片EP1C12Q240C8作為CPU處理器，并在處理器的外圍拓展了64Mb的SDRAM和16Mb的 Flash，配置了50MHz的時鐘、復位電路、下載口，接入藍牙模塊，以便在藍牙通信模塊中實現通信協(xié)議并通過藍牙模塊發(fā)送測試數據或接收控制命令等。圖2為基于NIOSⅡ軟核的藍牙通信模塊的硬件設計框圖。

　　圖2 基于NIOSⅡ軟核的藍牙通信模塊的硬件設計框圖

　　在通信模塊上使用了AM29LV160的Flash和HY57V461620的SDRAM。將CPU的存儲容量進行了拓展，以便保證在EPA網絡上的通信協(xié)議的移植和操作系統(tǒng)(Linux、Windows CE)的移植。復位電路是由10kΩ電阻、10μF電容和按鍵組成的，可實現按鍵低電平復位和上電低電平復位。

　　藍牙模塊的實現采用了CSR公司的單芯片BCM04。BCM04內嵌BlueCore04芯片，并提供SPI、UART/USB、PIO、 PCM接口。BCM04中自帶8Mb的閃存SST39VF800,工作電壓為2.7～3.6V。在天線和發(fā)射機輸出端之間接入平衡-不平衡轉換器。帶通濾波器一般是無源器件,它的作用是濾除接收機不需要的頻帶內的信號，為低噪聲放大器(LNA)提供選擇性信號起到減小干擾的作用。BCM04中采用了臺灣 ACX公司的集成帶通濾波器+平衡不平衡轉換器的器件FB2520，帶通濾波器和平衡-不平衡轉換器集成在一起集成度更高有效的減小了電路板的面積，該器件具有外型小巧，插入損耗低等優(yōu)點，能夠很好地完成平衡到不平衡端的轉換和帶通濾波的功能。BCM04中需要3.3V和 1.5V兩種電壓，其中1.5V是為藍牙芯片和帶通濾波器+平衡-不平衡轉換器供電，3.3V為Flash芯片和藍牙芯片的外圍I/O腳提供電壓。CPU 與藍牙模塊接口電路圖如圖3所示。

　　圖3 CPU與藍牙接口的電路圖

　　基于NIOSⅡ軟核的FPGA芯片的SOPC設計

　　NIOSⅡ嵌入式處理器是FPGA生產廠商Altera公司推出的軟核CPU，是一種面向用戶的、可以靈活定制的通用RISC(精簡指令集架構)嵌入式CPU。NIOSⅡ以軟核方式提供給用戶，并專為Altera的FPGA上實現做了優(yōu)化，用于SOPC集成，最后在FPGA上實現。為完成設計要求，需要對處理器芯片進行配置。其SOPC Builder上的配置如圖4所示。