RF905無線通信IP軟核的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要： 利用DMA數(shù)據(jù)傳輸方式的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于DMA方式的RF905無線通信IP軟核。該IP軟核基于AVALON總線，其控制和運(yùn)算邏輯由一片F(xiàn)PGA芯片完成，適合應(yīng)用于NIOSII嵌入式系統(tǒng)。測試與驗(yàn)證表明，該IP軟核在傳輸數(shù)據(jù)時大大降低了CPU的占用時間，提高了嵌入式系統(tǒng)的性能并且占用較少資源，與一般的IP硬核相比，速度快，成本低，靈活性好，可移植性強(qiáng)，從而更能滿足短距離無線通信的要求。該IP軟核已應(yīng)用于某無線電力參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞： NIOSII；無線通信；知識產(chǎn)權(quán)；直接存儲訪問 ；AVALON總線

目前無線通信基本上都是利用單片機(jī)或者ARM片內(nèi)的無線通信 IP硬核實(shí)現(xiàn)，如TI公司的片內(nèi)集成2.4 GHz的ZigBee無線收發(fā)模塊的CC2430單片機(jī)核、LINKUP System公司的帶藍(lán)牙無線收發(fā)器的L7205 ARM720T核。雖然這種無線通信 IP硬核的性能比較高，但是由于其參數(shù)往往都已經(jīng)固化在片內(nèi)，靈活性差，而且與其他片內(nèi)外設(shè)不可分離地組合在一起，可移植性差，無線硬核的通信協(xié)議也比較復(fù)雜，使用不方便，致使整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很大局限性。
RF905是一款獨(dú)立于微控制器的無線收發(fā)器芯片，工作在433 MHz頻段。它將頻率調(diào)制解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器等集成在一塊芯片內(nèi)并且可以通過SPI接口進(jìn)行編程，因此將其集成到各種嵌入式系統(tǒng)中非常方便。目前采用RF905芯片進(jìn)行無線通信的系統(tǒng)都是采用查詢方式和中斷方式來實(shí)現(xiàn)[1-3]。由于這兩種傳輸方式在數(shù)據(jù)的傳輸過程中會經(jīng)常打斷CPU的運(yùn)行，尤其是當(dāng)進(jìn)行大塊數(shù)據(jù)的傳輸時會占用CPU很多時間，從而大大降低了整個系統(tǒng)的性能。
直接存儲訪問(DMA)是一種不經(jīng)過CPU而直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式。由于整個數(shù)據(jù)的傳輸過程由DMA控制器控制，CPU可以不被打擾地處理其他的事情，提高了CPU的效率。因此本文設(shè)計(jì)的RF905無線通信IP軟核采用DMA方式，它可以在傳輸數(shù)據(jù)時將NIOSII CPU從繁重的工作中解脫出來以處理其他事情，因而大大降低了CPU的占用時間，提高了NIOSII系統(tǒng)的性能。由于其具有高性能、參數(shù)可配置、可移植、可裁剪等特點(diǎn)，并且具有很高的靈活性、實(shí)用性，更能滿足設(shè)計(jì)的要求。
1 無線通信 IP軟核的整體構(gòu)架
本文采用DMA傳輸方式設(shè)計(jì)的RF905無線通信 IP軟核的整體構(gòu)架如圖1所示。

該軟核主要由以下4個子模塊組成：RF905無線發(fā)送接收控制器、帶Avalon-MM Slave[4]接口的寄存器文件(簡稱寄存器文件)、帶Avalon-MM Master[5]接口的Master Read 類型DMA控制器(簡稱DMA讀控制器)和帶Avalon-MM Master接口的Master Write 類型DMA控制器（簡稱DMA寫控制器）。
當(dāng)NIOSII處理器[6-9]需要進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送時，首先需要通過帶Avalon-MM Slave接口的寄存器文件對RF905無線發(fā)送接收控制器和Master Read 類型DMA控制器進(jìn)行配置，以設(shè)定要發(fā)送到達(dá)的地址、將要發(fā)送的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)以及該數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中的基地址；然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到指定位置內(nèi)存中并啟動Master Read 類型DMA控制器，從而將存儲器中的數(shù)據(jù)通過RF905無線發(fā)送接收控制器逐一發(fā)送出去。當(dāng)所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時會向NIOSII處理器產(chǎn)生一個中斷，告知處理器串口數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，從而可以啟動下一次數(shù)據(jù)發(fā)送。由于整個數(shù)據(jù)發(fā)送的過程是由Master Read 類型DMA控制器管理的， NIOSII處理器可以專心處理其他的事情而不被打擾，因而NIOSII CPU的利用率大大提高。
當(dāng)NIOSII處理器需要進(jìn)行無線數(shù)據(jù)接收時，首先需要通過帶Avalon-MM Slave接口的寄存器文件對RF905無線發(fā)送接收控制器和Master Write 類型DMA控制器進(jìn)行配置，以設(shè)定本機(jī)的接收地址、將要接收的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)以及該數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中的基地址；然后啟動Master Write 類型DMA控制器，從而將通過RF905無線發(fā)送接收控制器接收到的數(shù)據(jù)逐個地存儲到存儲器的指定位置。當(dāng)所有要接收的數(shù)據(jù)接收完畢時會向NIOSII處理器產(chǎn)生一個中斷，告知處理器串口數(shù)據(jù)接收完畢，此時NIOSII處理器可以從存儲器中讀取接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并啟動下一次數(shù)據(jù)接收。由于整個數(shù)據(jù)接收的過程是由Master Write 類型DMA控制器管理的，NIOSII處理器可以專心處理其他的事情而不被打擾，因而NIOSII CPU的利用率大大提高。
2 模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 RF905無線發(fā)送接收控制器
2.1.1 RF905無線發(fā)送控制器
當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，首先通過SPI接口把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給RF905，而后置高TRX_CE和TX_EN，使RF905進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送模式。在數(shù)據(jù)發(fā)送模式下，RF905首先開啟射頻寄存器，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)并將其發(fā)送出去。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高，此時應(yīng)將TRX_CE置低以進(jìn)入空閑狀態(tài)。至此一次完整的RF905數(shù)據(jù)發(fā)送過程完成。
本文利用有限狀態(tài)機(jī)的方法采用Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)了一個RF905發(fā)送控制器，從而完成對RF905無線數(shù)據(jù)發(fā)送的時序控制。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

從圖2可以看出，狀態(tài)機(jī)一開始處于idle狀態(tài)。當(dāng)啟動Master Read 類型DMA控制器以進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送時，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入load_address狀態(tài)。load_address、send_address這兩個狀態(tài)主要用于通過三線的SPI接口設(shè)置要發(fā)送到的4 B地址，而后進(jìn)入load_data狀態(tài)。Load_data狀態(tài)主要用于獲取由Master Read 類型DMA控制器從內(nèi)存中讀取的32 B數(shù)據(jù)，并將其送入發(fā)送移位寄存器，而后狀態(tài)機(jī)進(jìn)入send_data狀態(tài)。send_data、finish這兩個狀態(tài)主要用于將發(fā)送移位寄存器中的數(shù)據(jù)通過三線SPI接口的控制下寫入到RF905片內(nèi)的FIFO緩存中，而后狀態(tài)機(jī)將進(jìn)入wait狀態(tài)。在該狀態(tài)首先置高TRX_CE和TX_EN以啟動一次數(shù)據(jù)發(fā)送，然后通過DR引腳是否為高電平來判斷數(shù)據(jù)發(fā)送是否完成，如果完成則將TRX_CE置低，并進(jìn)入block_finish狀態(tài)。在該狀態(tài)狀態(tài)機(jī)對已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)進(jìn)行判斷，如果小于欲發(fā)送的字節(jié)數(shù)，則說明所有的數(shù)據(jù)還沒有發(fā)送完畢，計(jì)數(shù)加1并進(jìn)入load_address狀態(tài)，以讀取并發(fā)送下一個數(shù)據(jù)字節(jié)，直到所有的數(shù)據(jù)字節(jié)都發(fā)送完畢，狀態(tài)機(jī)將進(jìn)入master_done狀態(tài)，在該狀態(tài)狀態(tài)機(jī)檢測本次DMA傳輸是否完畢，如果完畢則產(chǎn)生中斷信號并進(jìn)入idle狀態(tài)。至此一次完整的DMA傳輸方式的RF905無線數(shù)據(jù)發(fā)送完成。
2.1.2 RF905無線接收控制器
當(dāng)有數(shù)據(jù)需要接收時，首先通過SPI接口把本機(jī)的地址傳給RF905，而后置高TRX_CE并置低TX_EN，使RF905進(jìn)入數(shù)據(jù)接收模式。在數(shù)據(jù)接收模式下，RF905會自動進(jìn)行載波檢測和地址匹配，當(dāng)一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，RF905自動移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把DR引腳置高。此時應(yīng)將TRX_CE置低以進(jìn)入空閑狀態(tài)并通過SPI接口讀取接收到的數(shù)據(jù)。至此一次完整的RF905數(shù)據(jù)接收過程完成。
本文利用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)了一個RF905接收控制器，從而完成了對RF905無線數(shù)據(jù)接收的時序控制。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。

從圖3可以看出,狀態(tài)機(jī)一開始處于idle狀態(tài)。當(dāng)啟動Master Write 類型DMA控制器以進(jìn)行一次數(shù)據(jù)接收時，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入start狀態(tài)。start狀態(tài)主要用于將TRX_CE置為高電平并將TX_EN置為低電平以啟動一次數(shù)據(jù)接收，而后進(jìn)入ready狀態(tài)。在該狀態(tài)通過DR引腳是否為高電平來判斷數(shù)據(jù)接收是否完成，如果完成則將TRX_CE置低，并進(jìn)入recv（receive data）狀態(tài)。recv與finish這兩個狀態(tài)主要用于從RF905片內(nèi)的FIFO緩存中接收字節(jié)數(shù)據(jù)并存放到接收移位寄存器中。當(dāng)32 B數(shù)據(jù)接收完畢時，將該字節(jié)數(shù)據(jù)交給Master Write 類型DMA控制器以完成字節(jié)數(shù)據(jù)到內(nèi)存的寫操作，而后狀態(tài)機(jī)經(jīng)過load和buffer_ready兩個狀態(tài)進(jìn)入block_finish狀態(tài)。在該狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)對已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)進(jìn)行判斷，如果小于欲接收的字節(jié)數(shù)則說明所有的數(shù)據(jù)還沒有接收完畢，狀態(tài)機(jī)將返回ready狀態(tài)，直到所有的數(shù)據(jù)字節(jié)都接收完畢，狀態(tài)機(jī)將進(jìn)入master_done狀態(tài)。Master_done狀態(tài)檢測本次DMA傳輸是否完畢，如果完畢則產(chǎn)生中斷信號并經(jīng)過get_done狀態(tài)進(jìn)入idle狀態(tài)。至此一次完整的DMA傳輸方式的RF905無線數(shù)據(jù)接收完成。
2.2 寄存器文件
本文設(shè)計(jì)的寄存器文件是具有Avalon-MM slave 接口的外設(shè)，它內(nèi)部共有4個32 bit寄存器，具體結(jié)構(gòu)和功能如表1所示。NIOSII處理器可以采用基地址+地址偏移量的方式來訪問這4個寄存器，從而實(shí)現(xiàn)對DMA方式RF905無線通信 IP軟核的配置以及對無線數(shù)據(jù)接收與發(fā)送的控制。

2.3 DMA讀控制器
本文設(shè)計(jì)的DMA讀控制器是具有Avalon-MM Master 主端口的外設(shè)。它通過Avalon-MM Master 主端口與AVALON交換結(jié)構(gòu)進(jìn)行基本的讀傳輸，以完成從指定起始地址的存儲器中讀取指定長度的數(shù)據(jù)并傳送給RF905無線發(fā)送控制器發(fā)送出去。其仿真波形圖如圖4所示。