基于ARM+FPGA实现多种类型接口数据传输的设计方法

王晓旭

摘 要：【目的】天线实时角度测量设备与天线的控制单元、环形器、信号处理、模拟器等多个外部设备之间存在多种类型的数据传输接口，为满足这些接口在互不干扰的情况下，并行完成高速、准确、无延时的数据传输。【方法】硬件电路采用ARM+FPGA架构，以总线方式将ARM与FPGA通过地址线、数据线、读/写允许、片选、中断信号等管脚接口逻辑连接。由ARM处理器实现主控制程序，通过Keil软件开发，C语言设计。FPGA使用Quartus II开发环境，VHDL语言设计，采用状态机和FIFO技术实现时序、数据、信号输出的设计。【结果】该方法不仅满足了多种类型数据接口并行传输的高速率、实时性要求，而且具有可扩展性。【结论】该方法已经在测控产品中应用，效果显著。

关键词：ARM；FPGA；数据传输；接口

中国分类号：TP311     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）06-0016-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.003

Design Method for the Achievement of Multiple Types Interfaces Data Transmission Based on ARM+FPGA

WANG Xiaoxu

（China Electronics Technology Corporation 39th Research Institute， Xi'an 710065， China）

Abstract： [Purposes] There are many types of data transmission interfaces between the antenna real-time angle measurement device and the antenna control unit， circulator， signal processing， simulator and other external devices. In order to meet these interfaces， high-speed， accurate and non-delay data transmission is completed in parallel without interference. [Methods] The hardware circuit adopts ARM + FPGA architecture， and the ARM and FPGA are logically connected by bus through pin interface such as address line， data line， read-write permission， chip selection， interrupt signal and so on. The main control program is implemented by ARM processor， developed by Keil software and designed by C language. FPGA uses Quartus II development environment， VHDL language design， and uses state machine and FIFO technology to achieve timing， data， signal output design. [Findings] The design method not only meets the requirements of high speed rate and real-time of parallel transmission of multiple types of data interfaces， but also has scalability. [Conclusions] The method has been applied in the measurement and control products， and the application effect is remarkable.

Keywords： ARM; FPGA; data transmission; interfaces

0 引言

隨着现代集成电路技术的飞速发展，在微处理器的嵌入式应用中，ARM处理器以小体积、高性能、低功耗、低成本、设计灵活等优点，处于技术领先位置［1］。FPGA属硬件线路，具有抗干扰性强、数据高速处理能力强、运行快速稳定、扩展性强等优势。ARM与FPGA各具特色，却有很强的互补性，不仅可以单独使用，还可以进行ARM+FPGA综合设计［2］。ARM+FPGA架构在速度、功能、性价比等方面已实现质的飞跃，因其强大的设计优势，近几年被广泛应用于各种通信、控制及测量设备中。本研究阐述了基于ARM+FPGA架构的天线实时角度测量设备实现多种类型数据传输的设计方法。

1 天线实时角度测量设备

天线实时角度测量设备的主要作用是采集并计算天线的实时角度，按不同频率、不同接口分别传输到天线控制单元、信号处理、模拟器、环形器、增程等多个外部设备［3］。其传输接口类型分别为：SSI同步串行接口、高速并口、RS422串口等。SSI同步串行接口的频率有2种，一种为585 Hz与300 Hz可切换，另一种为固定频率；高速并口的频率随外部设备的输入频率（PRF）而变化；RS422串口的频率为固定频率。其原理示意如图1所示。

2 硬件设计

天线实时角度测量设备的硬件核心部分分别选用ARM7TDMI-S内核的LPC2294单片机和EP1C6T144的FPGA芯片。以总线方式将ARM单片机与FPGA结合使用，通过地址线、数据线、读/写允许、片选、中断信号等管脚接口逻辑连接，形成“ARM+FPGA”架构的核心控制方式，从而节省了ARM与FPGA芯片的I/O口。ARM是主控芯片，实现主控程序功能，设备流程均由其来完成。FPGA用于扩展功能，在FPGA中设置译码器，锁存器电路。FPGA不仅实现与人机界面、信号处理、增程、模拟器等外部设备接口，而且完成A/D器件的高速数据采样，并将数据暂存SRAM中。接口逻辑框如图2所示。

3 程序设计

ARM单片机完成主控程序，基于Keil软件开发工具，采用C语言设计。FPGA使用Quartus 1I可编程逻辑器件集成开发环境，采用VHDL语言设计［4］。

3.1 主控程序设计

ARM单片机实现主控程序功能，主程序初始化后由FPGA产生的中断触发，进入主函数While（1）的死循环中［5］，采集天线轴角的精、粗码；外时统时间；计算角度；解码实时时间；RS422串口收、发数据；人机界面显示信息等以上要执行的命令，均在此循环内部完成，且以触发中断的频率为循环周期。将SSI同步串行接口和高速并口程序设置在优先级更高的外部中断中，保证数据的准确性和实时性。这种软件设计方式确保了实时角度数据以多类型、多接口、不同频率的形式准确无误地上报给外部设备。

3.2 SSI同步串行接口设计

SSI同步串行接口由4路信号：起始（Start）、时钟（Clk）、数据（Data）、结束（End）组成，通过FPGA来实现时序输出，其I/O引脚分别作为Start、Data、Clk、End的输出端口。采用有限状态机和FIFO存储器技术［6］，时钟频率由外部10 MHz为基础频率，FPGA可根据速度要求变化频率，时序关系如图3所示。

3.3 高速并口设计

高速并口由16路数据位（Data0～Data15）、1路使能位（Wen）、1路时钟位（Clk）、1路应答位（Ack）组成，全部使用FPGA的I/O引脚。通过外部输入基准脉冲（PRF）下降沿触发，外部基准脉冲（PRF）频率一般为585 Hz或300 Hz。时序关系如图4所示。

3.4 RS422串口

RS422串口通信由ARM单片机自带的串口功能完成。采用串口0和串口1，外接2路MAX3491串口芯片电路，可同时实现2路RS422串口信号输入与输出，从而完成与天线控制单元的数据信息通信［7］。

4 結语

本研究采用“ARM+FPGA”核心架构，ARM为主控芯片，FPGA为扩展芯片，充分利用了ARM与FPGA的自身资源，以总线方式将ARM与FPGA结合使用，实现了高速数据采集、计算，并把多种类型、不同频率的接口与外部设备之间进行信息交互，完成高速数据传输。该设计方案可靠性高、传输速率快，保证了数据的实时传输，满足了高速、大容量的数据传输场合需要。该设计方法克服了单一使用ARM或FPGA时I/O接口数量有限、难以直接完成多种数据通信的缺陷，具有可扩展性。为了满足不同类型的接口能够同时并存，且互不干扰，需要对ARM中断优先级进行合理排序，优化调配FPGA的时序。该设计方法已经在工程实践中应用，并取得良好的效果。

参考文献：

［1］黎玉成.基于嵌入式μClinux系统的P2P软件应用研究［J］.机械与电子，2010（S1）：179-181.

［2］姜杰，蔡芝磊，唐昆明，等.基于FPGA的线路光纤纵差成套保护硬件设计［J］.现代电力，2013（2）：27-30.

［3］范智博，周永金.人工表面等离激元馈电的宽带低旁瓣全角度波束扫描天线［J］.空军工程大学学报，2023，24（6）：29-35.

［4］唐敏.基于STC单片机的温控教学设备的设计［J］.装备制造技术，2014（9）：47-49.

［5］管耀武，杨宗德.ARM嵌入式无通信系统开发实例精讲［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［6］杨恒.零起点学单片机与CPLD/FPGA［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［7］邓红德，李阳，吴佳楠.基于RL-ARM的嵌入式以太网与串口通信系统设计［J］.测控技术，2012，31（8）：75-79.