基于FPGA+DSP的多串口數據通信的實現

摘要： 串口傳輸常用于基于FPGA和DSP結構的信號處理板和外部設備之間的數據交換。以GPS RTK定位應用為基礎，針對單個串口全雙工傳輸不足以應對多種數據類型同時輸入輸出的情形，設計并實現了一種面向多串口不同類型數據的傳輸方案。該方案通過增加串口控制寄存器實現單個中斷信號即可控制所有串口，采用乒乓交替讀寫實現數據持續高速輸入。測試表明該方案可獨立對各串口進行配置，可同時實現GPS定位結果、差分GPS修正數據與外界的交換以及用戶控制命令的輸入，并且可減少硬件調試時間，節約硬件資源。

　　通用異步接收／發送器（UART）是一種通用串行數據總線，用于異步通信，可以實現全雙工通信。UART IP核是用在外部設備和Atera FPGA芯片上的SOPC間進行串行通信的一種實現方式。它可以替代RS-232實現芯片與外設的輸入／輸出（I／O）操作。

　　GPS RTK（Real Time Kinematic）可以即時提供厘米級的定位解。在進行動態定位時，基準站將精確已知的GPS坐標和觀測數據實時用微波鏈路傳給流動站，在流動站實時進行差分處理，得到基準站和流動站坐標差；坐標差加上基準站坐標得到流動站每個點坐標。基準站向終端用戶接收機提供的信息包括對GPS衛星鐘、星歷數據、用戶測量偽距和載波相位等參數的修正。

　　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接收差分修正數據定位或者本身的高精度單點定位輸出定位結果和差分修正數據。作為基準站，不僅要實時輸出精確定位信息，而且需要與外界進行差分數據交換。由于同一時間需要大量持續差分數據的輸入與輸出和用戶控制指令的輸入，設計采用了3個串口。

　　1 硬件結構

　　信號處理板為FPGA+DSP結構，具有多路A／D、D／A轉換器件。中頻信號經A／D采樣后進入FPGA完成去載波，PRN碼相關運算，IQ變換等操作后由DSP芯片進行定位解算。通過串口輸入的用戶控制指令任意選擇串口對GPS定位結果的輸出和GPS差分修正數據的輸入輸出。

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分配相對應的存儲映射空間和中斷請求。每個模塊均使用默認的基地址，并分別設定UART0、UART1、UART2的數據輸入中斷請求號為IRQ1，IRQ2，IRQ3。另外，DSP芯片可能在任意時刻通過3個串口發送不同數據。

　　如果DSP對每個串口發送數據時均向NIOS II CPU發出中斷申請，則需要3根PIO管腳，占用太多針腳資源。本實現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，數據位寬為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據時，外部設備的串口參數的數據位長度設置為8 bits，因此需要在串口的軟件處理進行字與字節的轉換。

圖2 NIOS II CPU的地址映射