聲納設(shè)備一般由換能器（信號(hào)轉(zhuǎn)換、收發(fā)設(shè)備）、信號(hào)處理主機(jī)（DSP等）和顯示控制分機(jī)（簡稱顯控臺(tái)）三部分構(gòu)成。顯控臺(tái)和主機(jī)之間的通信非常重要[1]。
顯控臺(tái)和主機(jī)之間的通信距離較遠(yuǎn)，對(duì)通信的可靠性和安全性要求高，但是對(duì)通信速度要求不高。所以通信方式可以選擇串口通信協(xié)議RS232[2]。
顯控臺(tái)上諸多的旋鈕、開關(guān)以及指示燈、數(shù)碼管等設(shè)備需要豐富的外圍接口。這些接口之間具有復(fù)雜的邏輯關(guān)系。選用FPGA作為顯控臺(tái)主芯片可以滿足這些要求。以ALTERA公司的CycloneⅡ開發(fā)板為例，其主芯片EP2C8Q208C最多可提供182個(gè)用戶I/O口，可以滿足外圍接口要求[3]。在ALTERA公司提供的硬件開發(fā)環(huán)境Quartus和片上系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境SoPC下，可以非常方便地進(jìn)行控制模塊的開發(fā)。也可以構(gòu)建NIOSⅡ處理器，以及配置NIOS系統(tǒng)自帶的硬核，如串口通信模塊UART、儲(chǔ)存模塊Serial Flash等[4]。
本文利用FPGA芯片設(shè)計(jì)了一套顯示控制分機(jī)系統(tǒng)，并且以聲納訓(xùn)練靶為應(yīng)用背景編制了串口通信協(xié)議。
1 利用SoPC Builder構(gòu)建顯控臺(tái)的片上系統(tǒng)
SoPC Builder是ALTERA公司提供的片上系統(tǒng)（SoC）開發(fā)工具，它可以配合QuartusII完成FPGA芯片的CPU以及外圍設(shè)備的配置工作。
1.1 片上系統(tǒng)的構(gòu)建
在SoPC Builder的開發(fā)環(huán)境下，選擇ALTERA公司開發(fā)的32位RISC 處理器NIOSⅡ。標(biāo)準(zhǔn)型的處理器NIOSⅡ/s可以運(yùn)行在100 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下，運(yùn)算速度超過50 DMIPS[2]。再構(gòu)建配套的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM、程序存儲(chǔ)器Serial Flash、系統(tǒng)地址管理器(System ID Peripheral)、編程調(diào)試接口（JTAG_UART）以及數(shù)碼管（SEG）、顯示和旋鈕（KNOB）、按鍵（KEYS）等PIO接口。
1.2 RS232 Serial Port的結(jié)構(gòu)
對(duì)UART的控制主要通過編程寄存器來實(shí)現(xiàn)[2]。根據(jù)UART的寄存器結(jié)構(gòu)，在SoPC對(duì)應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境NIOSⅡIDE下建立C語言的結(jié)構(gòu)體UART_ST，代碼如下：
/*--------------UART------------*/
typedef struct
{
union{
struct{
volatile unsigned long int RECEIVE_DATA :8;
volatile unsigned long int NC:24;
}BITS;
volatile unsigned long int WORD;
}RXDATA;
union{
struct{
volatile unsigned long int TRANSMIT_DATA:8;
volatile unsigned long int NC:24;
}BITS;
volatile unsigned long int WORD;
}TXDATA;
union{
struct{
volatile unsigned long int PE:1;
…其他狀態(tài)寄存器
} BITS;
volatile unsigned long int WORD;
}STATUS;
union{
struct{
volatile unsigned long int IFE:1;
…其他控制寄存器
}BITS;
volatile unsigned long int WORD;
}CONTROL;
union{
struct{
volatile unsigned long int BAUDRATE_DIVISOR:16;
volatile unsigned long int NC:16;
}BITS;
volatile unsigned int WORD;
}DIVISOR;
}UART_ST;

2 顯控臺(tái)與主機(jī)之間的通信
聲納設(shè)備有兩種工作狀態(tài)——設(shè)置和工作。在這兩種狀態(tài)下，顯控臺(tái)與主機(jī)的通信方式有三種，分別如圖1～3所示。