基于NiosⅡ的煤矿安全通信系统设计.pdf

2 0 0 6年 1 1月 第 2 9卷第 1 1 期 重庆大学学报 自 然科学版 J o u r n a l o f C h o n g q i n g U n i v e mi t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n NO V ． 2 o o 6 Vo 1 ． 2 9 No ． 1 1 文章编号 1 0 0 0 5 8 2 X 2 0 0 6 1 1 0 0 8 9 0 3 基于 N i o s 11的煤矿安全通信系统设计 张玲 ， 董磊 ， 何伟 重庆大学 通信工程学院， 重庆4 0 0 0 3 0 摘要 煤炭生产主要为地下作业， 其环境恶劣， 要求通信及时准确， 又不能使用高频无线通信系 统， 因此急需一个专用通信系统， 以保证其安全生产 ．为此， 介绍了基于 N io s Ⅱ处理器和 C ／ O S一Ⅱ嵌 入式操作 系统的煤矿安全通信 系统的 实现方 法； 具体说明了系统 的基本原理 、 系统 总体设计、 硬件 结构 设计和用户自定义模块设计， 以及通信主控制程序处理流程和实现方法．结果表明 采用N i o s Ⅱ处理器 既保证了通信的可靠性、 音质清晰， 又简化了系 统规模， 使 系统可以及时升级更新 ． 关键词 N i o s Ⅱ； F P G A； 嵌入式； 用户 自定义模块 ． 中图分类号 T N 4 7 文献标识码 A 由于煤炭生产主要在地下作业， 存在工作环境恶 劣， 不安全因素多， 人员、 设备流动性大等诸多特殊的 情况， 因此它对通信系统的要求更严格， 要求信息传输 更及时、 准确 ． 煤矿的安全越来越受到各方的重视 ． 煤矿井下通信手段必须越来越完善， 特别是对井下应 急通信系统要求越来越高 ． 传统的电话、 对讲机不能 满足要求， 在矿井下更不能使用高频无线通话系统， 因 此急切需要采用专用 的通信系统 ．作者介绍采用 R S 4 8 5 适应煤矿环境的有线通信系统， 该系统在矿井 恶劣条件下既可以语音通信， 又可以进行文字通信 ． 目 前的嵌入式处理器种类繁多 ． A l t e r a公司的 N i o s Ⅱ处理器是用于可编程逻辑器件的可配置的软核 处理器， 与 A lt e r a的低成本的 C y c lo n e F P G A组合 ， 具 有很高的性价 比⋯．系统 以 C y c l o n e F P G A为硬件核 心， 并配以 C V S D制式语 音编码 芯片、 1 2 86 4的 O L E D显示屏 、 35的键阵列、 送话器 、 受话器 、 蜂呜器 等外围器件构成 ． 基于 N i o s Ⅱ 软核心的F P G A系统构 成灵活， 可裁减性强， 可以根据实际情况及时修改设 计． 这样既减小了系统体积， 简化了系统规模， 又使系 统可以及时更新、 升级 ． 1 总体设计和系统架构 系统以N io s Ⅱ处理器为核心处理按键信息、 话 音 信息和传感器信息， 处理后经 R S 4 8 5串口进行通信 ． 其具有信息收集、 短信息、 话音通信和报警功能等 ． 其 中报警功能分为人工报警和自动报警功能． 系统在结构上分为3 层 系统硬件平台， 操作系统 和系统主控制算法 ．系统硬件平台， 是系统的物理基 础， 提供软件的运行平台和通信接口． 框图如图 1 ． 图 1 系统 设计框 图 系统的硬件平台为自制的手机板， 包含有 A l t e r a C y c l o n e l C 1 2 F 3 C 7芯 片， 8 M 的 F l a s h存储器， 1 M 的 S R A M， l 片 E P C S 4串行配置芯片， C V S D语音编码芯 片 F X 6 1 9 、 电平驱动芯片 M A X 3 3 6 2 ， 1 2 8 6 4的 O L E D 显示屏、 3 5的键阵列、 送话器、 受话器 、 蜂鸣器 ．操 作系统采用 C ／ O S 一Ⅱ C ／ O S一Ⅱ 是一个基于抢 占 式的实时多任务内核， 可固化、 可剪裁、 具有高稳定性 和可靠性_ 3 】 ． 这一层提供任务调度以及接口驱动， 同 收稿日期 2 0 0 6- 0 6 0 5 作者简介 张玲 1 9 6 4一 ， 女 ， 重庆北碚人， 重庆大学副教授， 硕士生导师， 主要从事电子设计 自 动化、 通信和图像信息处理的 研 究 ． 重庆大学学报自然科学版 2 0 0 6． 雏 时， 通过硬件中断来实现系统对外界的通信请求的实 时响应 ． 这种方式可以提高系统的运行效率 ． 系统的主控制算法是系统的核心， 系统的正常通 信、 O L E D的点阵显示都 由其控制 ．采用 c语言在 N i o s I I 的集成开发环境 I D E 中实现 ． 2 系统硬件设计及实现 2 ． 1 N i o s 嵌人式软核处理器简介 N i o s I I 嵌入式处理器是A l t e r a 公司于2 0 0 4年6 月 推出的第二代用于可编程逻辑器件的可配置的软核处 理器， 性能超过 2 0 0 D M I P S ． N i o s I I 是基于哈佛结构的 R I S C通用嵌入式处理器软核， 能与用户逻辑相结合， 编程至A l t e r a 的 F P G A中． 处理器具有3 2 位指令集， 3 2 位数据通道和可配置的指令以及数据缓冲．它特 别为可编程逻辑进行了优化设计， 也为可编程单芯片 系统 S O P C 设计了一套综合解决方案 ． N i o s I I 处理器 系列包括 3 种内核 一种是高性能的内核 N io s I I ／ f ； 一 种是低成本内核 N i o s I I ／ e ； 一种是性能／ 成本折中 的标准内核 N i o s I I ／ s ， 是前 2 种的平衡 ． 该系统采 用标准内核 ． N i o s I I 处理器支持 2 5 6个具有固定或可变时钟周 期操作的定制指令； 允许 N i o s I I 设计人员利用扩展 C P U指令集， 通过提升那些对时间敏感 的应用软 件的 运行速度， 来提高系统性能 J ． 2 ． 2 系统的硬件平台结构 如图2 所示 E P C S 4 为串行配置器件， 它用来存储系统的配置 数据， 当系统上电或复位 以后用来配置 C y c l o n e器 图2 系统硬件平台结构 件 J ． F l a s h 存储器用来存储设计的软件程序及 O L E D 显示器的汉字字库文件 ． S R A M为程序运行空间， 程 序运行时将其导人 S R A M ． 话音部分 话音处理电路采用传统的双工编码方 式 ． 来自手机话筒的话音信号是低电平小信号， 它必 须经过放大压扩处理后， 才能进行后续处理 ． 话音信 号编码电路的作用是将话音信号转换成数字信号序 列， 然后传给F P G A中的话音处理模块； 解码电路的作 用是将数字信号序列转换成话音信号 ．在控制过程 中， 位同步很关键 ． 所以在设计时用了同步前导码 ． 显示部分 O L E D显示器选为V G G 1 2 8 6 4 ， 是 1 2 8 6 4点阵的 O L E D单色、 字符、 图形显示模块 ．由于 O L E D的各端口的工作电平为 3 ． 3 V， 所以不存在电 平转换， O L E D是被控制目标， F P G A是主控制方， 控制 信号是双向的． 为了实现整屏显示， 大量使用 E P 1 C 1 2 中的 M 4 K R A M b l o c k s 存储单元 ． 键盘扫描部分 5 0 m s 扫描 1次， 去抖动时间为 2 0 m s ． 按键电路设计采用传统的阵列式键盘结构， 对 按键的判断和去抖动均在 F P G A内部用 V H D L语言处 理 ． 2 ． 3 使用N i o s I I 的用户自定义外设简化设计 使用 N i o s II 的用户自定义外设 ， 能够将按照个体 需要而完成的外设当作是系统现成的I P 核， 在 I D E集 成环境中添加． 系统中最主要的用户 自定义外设是 R S 4 8 5通信 模块， 由于需要比较长距离的有线传输， 而 A l te r a 公司 提供的U A R T不能满足需要， 所以采用 R S 4 8 5串E l 通 信． 此模块用 V H D L语言编写， 利用 2 3 ． 0 4 M H z 的晶 振， 采用互不控制同步方式， 独立产生的 3 8 4 k b i t／ s 的 数据时钟信号进行收发数据 ． 它主要分为 2个部分 发送部分和接收部分 ． 发送部分采用从端口外设控制 等待的写传输模式， 使得 目标外设能够根据需要将 A v a lo n 总线模块暂停任意多个总线周期 ． 外设控制等 待周期的传输模式使用了w a i tr e q u e s t 信号， 是一个 从端口的输出信号 J ． A v a l o n总线模块在第 1 个总线 周期提供 a d d r e s s 、 w r i t e d a t a 、 b y te e n a b l e n 、 w ri t e n 、 和 c h ip s e l e c t 信号， 从端 口若需要额外的时间来捕获数 据， 它必须在下一个时钟上升沿之前设置 w a i tr e q u e s t 有效．当 w a i tr e q u e s t 有效后， A v a lo n总线模块便暂停 工作， 使得 a d d r e s s 、 w fi te d a t a 、 b y t e e n a b l e n 、 w ri t e n 、 和 c h ip s e l e c t 信号保持稳定． 在从端口设置w a i tr e q u e s t 无 效后 ， 总线传输在下一个时钟上升沿结束 ．在发送数 据前 N i o s I I 先通过一个 P I O端 口发送一个脉冲信号 ， 通知发送部分准备接收数据 ．当发送部分接收到该信 号后， 响应嵌入在 N io sⅡ中的发送控制模块， 接收数 据后将其发送出去 ． 接收部分采用从端口 外设控制等 待周期的读传输模式 ． 数据首先通过差分解码后读 人， 然后采用状态机的方式检测帧头， 检测到帧头后才 开始接收数据 ， 并对每位接收到的数据进行 3判 2处 理， 以抗干扰 ． 一帧接收完毕后进行 C R C校验 ， 数据 正确则以中断方式通知 N i o s I I 准备接收数据 ， 然后通 第2 9卷第 1 1 期 张玲， 等 基于N i o s Ⅱ的煤矿安全通信 系 统设计 过 A v a l o n 总线上传数据； 不正确则只通知 N io s H数据 不正确 ， 然后丢弃数据 ． 为了保证通信的可靠性， 对传输的数据采用了循 环冗余并行校验法， 打破了传统的串行校验， 使2 1 6 b i t 的数据在 1 个脉冲时间内完成 C R C编码， 这些工作都 由用户自定义的外设处理， 大大减少了处理时问． 3 系统软件的设计与实现 系统软件设计是在 N io s H的／． C ／ O S ． H操作系统 下进行 c语言编程的 ．软件包括菜单控制、 按键响 应、 字库调用、 信息处理、 数据组帧、 解帧等 ． 系统主要 完成的功能有 通话、 发送消息、 游戏、 紧急报警 ． N io s Ⅱ 对本地产生的按键信息及对端发送过来的数据按照 自定义的协议进行处理， 然后将处理后的数据下传 ． 软件流程如图3 所示． 图 3 软件流程图 4 结论 设计采用 R S 4 8 5的通信方式， 在无接力的情况下 通信距离可 以达到 1 k m， 并且 采用 了 l 6 b i t C R C校 验， 保证了通信的及时可靠性， 音质清晰． 该系统解决 了井下通信难的问题， 既做到了通信的及时准确， 又解 决了高频无线通信可能带来的安全隐患问题 ．采用 N io s H处理器体现了嵌入式系统全新的设计理念和 S O P C设计方法的灵活性 ． 该系统可以根据实际情况 及时修改设计 ．这样既减小了系统体积， 简化了系统 规模 ， 又使系统可以及时更新 、 升级 ． 参考文献 [ 1 ] 任爱锋， 初秀琴， 常存， 等． 基于 F P G A的嵌入式系统设计 [ M] ． 西安 西安电子工业大学出版社， 2 0 0 4 ． [ 2 ] F R AN K V A H I D ． 嵌入式系统设计[ M] ． 骆丽译．北京 北 京航空航天大学出版社， 2 0 0 4 ． [ 3 ] J E A N J ． L A B R O S S E ．嵌入式实时操作系统 C ／ O S 一Ⅱ 第2版 [ M] ． 邵贝贝译． 北京 北京航空航天大学出版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 4 ] A L T E R A C O R P．N i o sⅡ C u s t o m I n s t r u c t i o n U s e r G u i d e [ E B ／ O L 】 ． w w w ． a l t e r a ． c o rn， 2 0 0 4 1 0 - 2 0 [ 5 ] A L T E R A C O R P ． T h e N i o s Ⅱ P r o c e s s o r R e f e r e n c e H a n d b o o k [ E B e O L ] ．w w w ． a h e r a ． c o rn， 2 0 0 41 1 0 9 ． [ 6 ] 周博， 邱卫东， 陈燕 ， 等． 挑战 S O C一基于 N I O S的 S O P C 设计与实践[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 ． Co mmu n i c a t i o n S y s t e m De s i g n f o r Co a l M i ne S e c ur i t y Ba s e d o n Ni o s I I ZH ANG L i n g， DONG L e i ， HE We i C o l l e g e o f C o m m u n i c a t i o n E n g i n e e r i n g ， C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 0 ， C h i n a Ab s t r a c t C o a l p r o d u c t i o n i s mo s t l y u n d e r g r o u n d a n d i n b a n c o n d i t i o n ， S O c o r r e s p o n d e n c e o b l i g e i n s e a s o n n i c e t y ， a g a i n o u t o f c o mmi s s i o n h i g h f r e q u e n c y w i r e l e s s c o mmu n i c a t i o n s y s t e m， t h u s i t e x a c t s a n a p p r o p r i a t i v e c o mmu n i c a t i o n s y s t e m t o a n s u r e t h e wo r k’ S s a f e t y ．T h e a u t h o r s mo s t l y i n t r o d u c e t h e i mp l e me n t me t h o d o f a c o mmu n i c a t i o n s y s t e m f o r c o a l mi n e s e c u r i t y b a s e d o n the N i o s H p r o c e s s o r a n d the ／ ． , C ／ OS - I I e mb e d d e d o p e r a t i o n s y s t e m；a n d s p e c i fi c a l l y d e l i n e a t the s y s 。 t e mi c r a t i o n a l e ，the o v e r a l l d e s i g n，t h e h a r d w a r e s t r u c t u r e d e s i gn a n d the u s e r d e fi n e d l o g i c i n t e r f a c e，a n d ma s t e r p r o ‘ gra m’ S i mp l e me n t a t i o n me tho d ． T h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t the u s a g e o f t h e Ni o s H p r o c e s s o r e n s u r e s the c o mmu n i c a t i o n r e l i a b i l i t y a n d ma k e s the s y s t e m s i mp l e a n d e a s y t o b e u p gra d e d i n t i me ． Ke y wo r d sNi o s I I；F P G A ；e mb e d d e d o p e r a t i o n s y s t e m；u s e r d e fi n e d l o g i c i n t e rfa c e 编辑姚飞