本設(shè)計采用了Altera公司開發(fā)的第二代低成本的FPGA芯片，在其之上開發(fā)了基于BCM04的NIOSⅡ藍牙通信模塊。該通信模塊能夠代替電纜，有效的應(yīng)用于工作環(huán)境復雜多變的工業(yè)現(xiàn)場，可實現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備、接入點、手操器等設(shè)備的無線通信

　　引言

　　在工業(yè)現(xiàn)場中，大多的通信設(shè)備是通過加裝通信模塊來實現(xiàn)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(jīng)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(shè)計和應(yīng)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(xiàn)方式是在FPGA上通過編程的方式實現(xiàn)，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(chǔ)上設(shè)計了藍牙通信模塊，并在工業(yè)以太網(wǎng)中，較好地實現(xiàn)了通信模塊與工業(yè)現(xiàn)場設(shè)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(gòu)的軟CPU內(nèi)核。它可以提供：完全的32位指令集、數(shù)據(jù)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(shè)進行訪問，提供片外存儲器和外設(shè)接口;在IDE控制下，硬件輔助調(diào)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(shè)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(shè)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(nèi)，Quartus Ⅱ和SOPC builder一起為建立SOPC設(shè)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)嵌在Quartus Ⅱ設(shè)計工具中，可通過JTAG將應(yīng)用程序下載到SOPC硬件系統(tǒng)中進行調(diào)試，可在指令集仿真器中對應(yīng)用程序進行仿真調(diào)試，也可在ModelSim軟件中進行仿真調(diào)試?；贜IOSⅡ的SOPC的軟硬開發(fā)環(huán)境及設(shè)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(chǎn)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(shè)計、調(diào)試等。

　　藍牙通信模塊的硬件設(shè)計

　　藍牙技術(shù)是一個開放性的、短距離無線通信技術(shù)標準，工作在全球通用的2.4GHz ISM頻段，采用跳頻擴頻技術(shù)，可以用于近距離通過無線連接的方式實現(xiàn)固定設(shè)備以及移動設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互連，在各種數(shù)字設(shè)備之間實現(xiàn)靈活、安全、低成本、小功耗的數(shù)據(jù)和語音通信，實現(xiàn)全方位的數(shù)據(jù)傳輸。

　　工業(yè)現(xiàn)場中存在多種使用不同方法進行互連的設(shè)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(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。本設(shè)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(xiàn)通信協(xié)議并通過藍牙模塊發(fā)送測試數(shù)據(jù)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(shè)計框圖。

　　圖2 基于NIOSⅡ軟核的藍牙通信模塊的硬件設(shè)計框圖