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标题 自适应传感器模块（ASIM）设计
范文 吴亮　侯立刚



摘 要： 基于FPGA提出一种将各种不同类型的传感器接口（如UART接口）转化为统一规范的USB接口的设计方案，从而实现PC机对传感器接口采集的数据快速读写。简单介绍USB控制器的Verilog HDL实现方法，并应用Quartus Ⅱ和Nios Ⅱ软件搭建自适应传感器系统模块，通过数据传输对该系统进行验证，模拟了UART接口转换为USB接口的实现方法。
关键词： FPGA； 传感器接口； USB控制器； 自适应系统； UART接口
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）09?0138?03
Abstract： A design that transforms a variety of different types of sensors interfaces into a standardized USB port is proposed based on FPGA to achieve the fast reading and writing of the data collected though sensor interface by the host PC. The implementation method of USB controller based on hardware description language of Verilog is described. An adaptive system module is build by the application of Quartus Ⅱ and Nios Ⅱ software. The system is verified by the data transmission. The method of transforming UART port into USB port is simulated.
Keywords： FPGA； sensor interface； USB controller； adaptive system； UART interface
0 引 言
当今是一个信息化的时代，传感器正被广泛地应用于各个领域，并随着科学技术的迅速发展不断更新，层出不穷，与此同时，人们对传感器的要求也越来越高。现在市面上有着各种各样的传感器，但其大多接口不一，没有统一的规范，往往需要对选定的传感器进行专门的开发，这给传感器的使用带来了诸多不利，因此实现传感器的自适应功能是当今发展的趋势。在此介绍一种基于FPGA的自适应传感器系统模块的构建方法，该模块可以实现将其他接口的传感器转换为统一规范的USB接口，并实现即插即用，大大提高了数据的传输速率。
1 自适应传感器系统原理
该系统的具体工作过程可分为以下几个流程：首先由传感器接口模块通过相应接口采集传感器数据并且进行缓存、编目、组帧；然后由SOPC通过Avalon总线读取数据帧并且将其转换为USB协议，之后就可以通过USB接口模块上传数据至上位机软件模块。上位机软件一方面接收USB接口传来的数据并且完成数据的解帧、区分和显示，另一方面还要向ASIM发送控制指令与探寻指令，之后可由上位机接口模块通过UART接口接收指令并且进行缓存；最后由SOPC模块通过Avalon总线读取指令并执行后再通过上位机接口模块向PC机做出回复，以完成ASIM传感器接口的选取、ASIM工作状态的检测、传感器属性数据以及虚拟传感器数据的注入[2]。在这个自适应传感器模块中，SOPC是整个系统的核心模块，是由Nios Ⅱ搭建的，对整个自适应传感器模块起控制作用，包括数据的调度以及协议的转换、USB数据的处理、传感器的即插即用、上位机指令的执行和状态的查询[3]。
2 系统设计及其功能验证
自适应传感器系统模块主要包括以Nios Ⅱ软核处理器为核心的嵌入式硬件设计和基于Nios Ⅱ IDE开发环境的软件设计[4]。
2.1 硬件系统设计
2.2 基于Nios Ⅱ IDE的软件设计
通过Quartus Ⅱ软件生成的硬件系统模块，可以由Nios Ⅱ IDE集成开发环境进行软件设计，它是Nios Ⅱ系列嵌入式处理器的一个基本开发工具[8]。打开Nios Ⅱ IDE软件并转换到相应工程目录，添加在硬件系统下生成的ptf文件并新建一软件工程。此外，对系统软件进行设计时需添加系统头文件、驱动文件以及系统主程序文件。通过Nios Ⅱ IDE可以完成整个软件工程的编辑、编译、调试以及下载运行等过程，极大程度上提高了系统软件开发的速率[5]。在这里需要编写SOPC.H，USB.H，UART.H头文件和UART.C驱动程序以及MAIN.C主程序文件，编写完成后，调试编译、修改至能成功编译下载运行，即完成了模块的软件设计。
2.3 自适应传感器系统的实现
经由Quartus Ⅱ软件搭建的硬件系统模块编译成功并且通过Nios Ⅱ IDE软件编辑的文件经调试编译、无误后，通过USB Blaster下载线下载配置文件sof，使程序在FPGA实验开发板进行运行。
3 结 语
本文完成了基于FPGA及Nios Ⅱ软核处理器的自适应传感器模块的设计，涉及到了应用硬件描述语言自定义系统IP核的方法以及硬件系统和软件系统的构建。应用到Nios Ⅱ软核具有良好的可移植性，且性价比很高。SOPC Builder系统给硬件设计和软件设计提供了良好的支持，经过对系统模块的功能验证，证实其确实可以实现传感器接口的自适应功能，并且传输速率非常快，从而有效地解决了许多不同接口类型传感器的应用难题。此外，本系统模块的设计方法还可以应用于许多其他领域，能够有效地减少开发时间并且降低设计成本。
参考文献
[1] 潘松，黄继业.SOPC技术实用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.
[2] BRYZEK J. Introduction to IEEE?P1451， the emerging hardware?independent communication standard for smart transducers [J]. Sensors and Actuators A： physical， 1997， 62（1/3）：711?723.
[3] 于亚萍，钱建平.基于FPGA数据采集系统的研究[J].工业控制计算机，2007（7）：33?34.
[4] 孙恺，程世恒.Nios Ⅱ系统开发设计与应用实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[5] 李兰英.NIOS Ⅱ嵌入式核SOPC设计原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[6] CYPRESS Inc. EZ?USB FX2LP USB microcontroller high speed USB peripheral controller datasheet [R]. [S.l.]： CYPress Inc， 2004.
[7] 任爱峰，初秀琴，常存.基于FPGA的嵌入式系统设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.
[8] 周立功.SOPC嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.
[9] John Bigggs.实现基于IP核技术的SoC设计[J].电子产品世界，2002（9）：28?29.
[10] 吴继化，王城.Altera FPGA/CPLD设计[M].北京：人民邮电出版社，2005.
[11] 王战江.基于DSP和FPGA为核心的通信信号处理硬件平台设计[D].成都：电子科技大学，2011.
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