基于A(yíng)RM+FPGA的1394總線(xiàn)在TFT-LCD檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

IEEE1394是最初由Apple公司提出的高速串行總線(xiàn)，1995年IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會(huì))將其認(rèn)可為IEEE1394－1995規(guī)范[1]。但是在IEEE1394－1995中存在一些模糊定義[2]，為了解決這些問(wèn)題，又提出了IEEE1394a規(guī)范和IEEE1394b規(guī)范。1394作為一種成熟的總線(xiàn)，具有傳輸速率高(傳輸速率可達(dá)1.6 Gb/s，采用塑料光纖時(shí)可達(dá)3.2 Gb/s)、支持熱插熱拔、即插即用、拓?fù)浞奖愕葍?yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于軍事和航空業(yè)，更被美國(guó)航天局NASA確定為未來(lái)航天器的高速數(shù)據(jù)總線(xiàn)[9]。隨著1394技術(shù)的推廣和應(yīng)用，將其應(yīng)用到工業(yè)控制系統(tǒng)中更是一種趨勢(shì)，而國(guó)內(nèi)對(duì)1394總線(xiàn)在工業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究還不深入。本文主要介紹1394總線(xiàn)在TFT-LCD檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了方案的可行性。

1 1394通信模塊的硬件結(jié)構(gòu)

1394通信模塊的主要功能為采集激光光斑的圖像數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)圖像采集板和Z-軸控制器以及PC之間的通信。它包括1394芯片(LLC和PHY)、FPGA、ARM7和2片SRAM。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

ARM7的主要功能是對(duì)1394芯片初始化，根據(jù)1394協(xié)議對(duì)經(jīng)過(guò)FPGA轉(zhuǎn)發(fā)的1394指令進(jìn)行解析，控制1394鏈路層(LLC)芯片的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，以及通過(guò)鏈路層芯片間接地控制物理層(PHY)芯片。幾乎所有的地址線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)和控制信號(hào)線(xiàn)都和FPGA相連，因此FPGA在整個(gè)1394通信模塊中起著非常重要的作用，其實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：(1)通過(guò)1394LLC芯片的“主機(jī)接口”配置ROM、初始化寄存器、設(shè)置中斷、自標(biāo)識(shí)和異步數(shù)據(jù)傳輸。(2)借助“DM端口”進(jìn)行等時(shí)/異步數(shù)據(jù)的傳輸。(3)控制1394總線(xiàn)上數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)。為了方便檢測(cè)1394通信模塊對(duì)指令的具體執(zhí)行情況，在1394通信模塊上擴(kuò)展了一個(gè)串口，通過(guò)它與PC連接，即可在PC上通過(guò)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控1394通信模塊的運(yùn)行情況，也可以通過(guò)軟件發(fā)送指令控制1394通信模塊執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)1394物理端口發(fā)送到1394總線(xiàn)上，經(jīng)過(guò)1394鏈路層芯片和物理層芯片的處理，在A(yíng)RM7和FPGA的控制下，通過(guò)乒乓操作的方式將其寫(xiě)入擴(kuò)展的SRAM中。為了驗(yàn)證采集的圖像數(shù)據(jù)是否正確，在1394通信模塊上擴(kuò)展了VGA接口。FPGA通過(guò)乒乓的方式讀取SRAM中的圖像數(shù)據(jù)，再通過(guò)VGA接口將數(shù)據(jù)輸出到顯示器上直觀(guān)顯示。

1394通信模塊要與PC進(jìn)行正常通信，必須先強(qiáng)制PC做為1394總線(xiàn)上的根節(jié)點(diǎn)。因此1394通信模塊在接入1394網(wǎng)絡(luò)后必須檢測(cè)PC是否為根節(jié)點(diǎn)，否則要一直進(jìn)行強(qiáng)制復(fù)位，直至PC為根節(jié)點(diǎn)。在PC為根節(jié)點(diǎn)后，兩者之間就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。另外，Z軸控制器可以通過(guò)1394總線(xiàn)接收來(lái)自PC或者1394通訊模塊的運(yùn)動(dòng)控制指令。
ARM7芯片選用NXP公司的增強(qiáng)型LPC2200系列的LPC2292。FPGA選用Altera公司的Cyclone系列的EP1C6Q240C8。SRAM選用ISSI公司的IS61LV51216，用于緩存采集的圖像數(shù)據(jù)，在后期進(jìn)行圖像處理或者顯示。1394芯片選用TI公司的TSB12LV32(LLC)和TSB41AB3(PHY)，這兩款芯片兼容IEEE1394－1995和IEEE1394a－2000規(guī)范，并集成了3個(gè)支持400 MB/s傳輸速率的物理端口，TSB12LV32提供了8/16位可選擇的MCU接口，支持異步傳輸和等時(shí)傳輸。

ARM7、FPGA、SRAM以及1394芯片(LLC+PHY)之間的連接如圖2所示。

2 1394通信模塊的軟件設(shè)計(jì)

1394通信模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括ARM7－LPC2292和FPGA－EP1C6Q240C8的軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)功能的不同，ARM7的軟件設(shè)計(jì)可以細(xì)化為ARM7的初始化、對(duì)LLC芯片指令的解析、對(duì)FPGA的讀寫(xiě)操作以及和PC的串口通信。FPGA的軟件設(shè)計(jì)可以分為對(duì)LLC芯片的讀寫(xiě)操作、與ARM7的通信、控制VGA輸出以及對(duì)SRAM的操作。

2.1 1394的初始配置

系統(tǒng)要正常運(yùn)行，上電后的初始化配置非常重要。初始配置的作用為：(1)正確初始化配置ROM的內(nèi)容，這是PC識(shí)別1394通信模塊并正確安裝對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)的前提。(2)如果是與PC通信，將PC設(shè)置為根節(jié)點(diǎn)。(3)TSB12LV32相關(guān)寄存器的初始化。主要包括DM Control寄存器（設(shè)置DM口的狀態(tài)和一些參數(shù)），Interrupt(使能所有中斷)，Isochronous Port(等時(shí)傳輸?shù)臓顟B(tài)，設(shè)置每個(gè)物理端口的狀態(tài)，等時(shí)數(shù)據(jù)包的事務(wù)標(biāo)簽等)。
1394配置流程如圖3所示。

2.2 ARM7對(duì)TSB12LV32中斷的響應(yīng)

確保ARM7對(duì)TSB12LV32芯片指令正確響應(yīng)的重要因素就是準(zhǔn)確檢測(cè)到TSB12LV32芯片的中斷信號(hào)，并能夠讀取CFR寄存器的中斷寄存器數(shù)值，根據(jù)具體的數(shù)值判斷具體發(fā)生了哪種中斷，清除掉中斷位后，再根據(jù)中斷類(lèi)型決定要做出的反應(yīng)。例如在檢測(cè)到TSB12LV32的中斷信號(hào)后，讀取偏移地址為0x0C的中斷寄存器數(shù)值，判斷出bit9為1，即Data Mover packet received，則表明從DM口接收到了一個(gè)數(shù)據(jù)包。ARM7只需要清除該中斷位即可。但是并不是所有的中斷只對(duì)其中斷位進(jìn)行清除即可，而不需要做出其他響應(yīng)。例如：bit18，F(xiàn)IFO acknowledge interrupt，表明先前從ATF傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被1394接收節(jié)點(diǎn)成功接收，此時(shí)ARM7除了要清除中斷位，還需要讀取ACK代碼的數(shù)值來(lái)確認(rèn)1394接收節(jié)點(diǎn)是否做出了正確的響應(yīng)。

2.3 LLC芯片配置ROM的實(shí)現(xiàn)

配置ROM的格式有最小格式和正常格式兩種。執(zhí)行事務(wù)的1394串行總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該實(shí)現(xiàn)配置ROM，它為配置和診斷與設(shè)備相關(guān)的問(wèn)題提供了必要信息。一些1394控制芯片(如TSB43AA82A)可以對(duì)讀取配置ROM的讀請(qǐng)求自動(dòng)響應(yīng)，編程人員只要把配置ROM放在預(yù)先設(shè)定的區(qū)域內(nèi)即可。但是本方案中選取的LLC芯片不具備這種功能，因此需要人為地對(duì)主機(jī)發(fā)送的讀配置ROM請(qǐng)求做出正確的響應(yīng)，以使配置ROM可以正確讀到主機(jī)中。

1394通信模塊需要充當(dāng)總線(xiàn)管理器、循環(huán)控制器或者等時(shí)資源管理器，因此必須對(duì)其進(jìn)行正常格式下的配置ROM。配置ROM的正常格式中主要配置項(xiàng)包含根目錄(Root Directory)和總線(xiàn)信息塊(Bus_Info_Block)。根目錄提供了用來(lái)識(shí)別驅(qū)動(dòng)程序和診斷軟件的值，同時(shí)也提供了指向其他目錄和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可選指針，這些指針指向的地址和根目錄有相同的結(jié)構(gòu)?？偩€(xiàn)信息塊用來(lái)制定與總線(xiàn)相關(guān)的功能[2]。ARM7設(shè)置配置ROM的具體步驟如下：

(1)根據(jù)需要提供的信息填寫(xiě)配置ROM表，并根據(jù)IEEE1394－1995協(xié)議中提到的CRC校驗(yàn)算法計(jì)算校驗(yàn)值。

(2)對(duì)異步讀請(qǐng)求數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，分析到其為讀事務(wù)，并且讀的目標(biāo)地址在配置ROM范圍之內(nèi)，則將分析的目標(biāo)地址的數(shù)據(jù)填寫(xiě)到讀響應(yīng)數(shù)據(jù)包中，對(duì)讀請(qǐng)求做出響應(yīng)。

上位機(jī)正確地讀取到配置ROM的內(nèi)容后就會(huì)提示發(fā)現(xiàn)新的硬件，識(shí)別出1394通信模塊后自動(dòng)為其安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

2.4 IEEE1394等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，需要先做以下準(zhǔn)備工作：具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的1394節(jié)點(diǎn)，至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)具有充當(dāng)?shù)葧r(shí)資源管理器的資格，將要發(fā)送等時(shí)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)DM口模式設(shè)置為傳輸模式(transmit mode)，同時(shí)將接收等時(shí)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)DM口模式設(shè)置為接收模式(receive mode)。等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸分為自動(dòng)插入包頭和手動(dòng)插入包頭兩種；等時(shí)數(shù)據(jù)接收分為自動(dòng)去除包頭和包尾以及包頭和包尾一起接收兩種情況。為了方便后期的數(shù)據(jù)處理，將等時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的等時(shí)模式設(shè)置為自動(dòng)插入包頭和包尾，而將等時(shí)數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的等時(shí)模式設(shè)置為自動(dòng)去除包頭和包尾。
自動(dòng)插入包頭的等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸流程如下：

(1)接收到DMREADY一個(gè)周期的高脈沖信號(hào)。
(2)DMDONE置為低電平。
(3)DM口讀取自動(dòng)存儲(chǔ)在38h地址的包頭信息，并向鏈路核請(qǐng)求將要發(fā)送的數(shù)據(jù)讀取到1394總線(xiàn)上。
(4)鏈路核獲得header0寄存器存儲(chǔ)的頭信息。
(5)DMPRE產(chǎn)生一個(gè)周期的高脈沖。
(6)DMRE為高電平時(shí)，開(kāi)始獲取要發(fā)送的數(shù)據(jù)。
(7)鏈路核讀取到最后一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，DM口開(kāi)始檢查是否向控制寄存器所定義的通道發(fā)送了數(shù)據(jù)。如果已經(jīng)向所有的通道發(fā)送完畢，則在經(jīng)過(guò)一個(gè)小間隙后將DMDONE置為高電平，此時(shí)等時(shí)傳輸結(jié)束；否則DM口繼續(xù)插入頭信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，直至向所有的通道發(fā)送完數(shù)據(jù)。

自動(dòng)去除包頭和包尾的等時(shí)數(shù)據(jù)接收流程如下：

(1)包頭中的sysc位如果和等時(shí)接口寄存器(地址為0x18h)的ISYNCRCVN信息相同，DMPRE置高一個(gè)周期。
(2)在接收完包頭后，DMDONE置高一個(gè)周期。在后面有數(shù)據(jù)通過(guò)時(shí)DMRW置高。
(3)在接收完所有的數(shù)據(jù)后，DMRW置低，則DMD數(shù)據(jù)線(xiàn)不接收包尾。

3 通信測(cè)試

對(duì)1394通信模塊的通信實(shí)驗(yàn)分為兩部分：對(duì)1394協(xié)議所規(guī)定的通信功能的測(cè)試；對(duì)采集到的數(shù)據(jù)正確性進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)將1394通信模塊和PC連接起來(lái)，模塊加電后，首先進(jìn)行總線(xiàn)配置、樹(shù)標(biāo)識(shí)和自標(biāo)識(shí)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成后，已經(jīng)確定根節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址也就確定了。在1394總線(xiàn)執(zhí)行上述動(dòng)作時(shí)，同時(shí)通過(guò)擴(kuò)展的串口輸出自標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，包括當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為第幾個(gè)節(jié)點(diǎn)、是否為根節(jié)點(diǎn)、是否具有等時(shí)資源管理的功能。至此，1394通信模塊已和PC建立連接。
(2)通過(guò)PC讀取1394通信模塊的配置ROM，看其是否能進(jìn)行正確響應(yīng)。
(3)進(jìn)行異步讀和異步寫(xiě)的測(cè)試，分為對(duì)字節(jié)的異步讀寫(xiě)和對(duì)數(shù)據(jù)塊的異步讀寫(xiě)兩種。
(4)進(jìn)行等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)試?？碢C是否能接收到1394通信模塊發(fā)出的等時(shí)數(shù)據(jù)包。
(5)連接相機(jī)，通過(guò)等時(shí)傳輸將相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)存入到1394通信模塊的SRAM中，并由VGA接口輸出到顯示器上顯示。

除了第(5)步，以上每一步的執(zhí)行都會(huì)在串口調(diào)試助手軟件上有結(jié)果輸出。例如：1394通信模塊在上電后收到自標(biāo)識(shí)包并進(jìn)行復(fù)位，并在調(diào)試界面上會(huì)輸出“SID RCVD 2 Y 0 BUS RST..”。其中“SID RCVD”表示節(jié)點(diǎn)收到自標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包，“2 Y 0”表示當(dāng)前總線(xiàn)中存在兩個(gè)1394節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)，具有等時(shí)資源管理功能的節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)0。“BUS RST..”表示節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行總線(xiàn)復(fù)位。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)發(fā)起讀取0x0400地址數(shù)據(jù)的異步讀請(qǐng)求，則在界面上會(huì)顯示“ACK00010，0x04049c44”。“ACD00010”表示另一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到了異步讀請(qǐng)求的命令，“0x04049c44”則為返回的0x0400地址存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。兩個(gè)1394節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，假如數(shù)據(jù)發(fā)送方為節(jié)點(diǎn)0，數(shù)據(jù)接收方為節(jié)點(diǎn)1。按照以下步驟進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)試：(1)先設(shè)置節(jié)點(diǎn)0的DM口模式為發(fā)送模式，節(jié)點(diǎn)1的DM口模式為接收模式。(2)節(jié)點(diǎn)0先讀取總線(xiàn)上的有效帶寬，上層界面接收到“0x00000f33”，它是用十六進(jìn)制表示的當(dāng)前總線(xiàn)的有效帶寬。節(jié)點(diǎn)0再向等時(shí)資源管理節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)一定的帶寬，上層界面接受到“ACK 00010”，表示帶寬申請(qǐng)成功。(3)讀取總線(xiàn)上的有效通道并且申請(qǐng)通道。1394總線(xiàn)的有效通道數(shù)存在兩個(gè)寄存器上，申請(qǐng)時(shí)按照由低到高的順序。在申請(qǐng)通道前需先確認(rèn)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中使用的通道數(shù)，通信結(jié)束后再釋放該通道。發(fā)出讀取有效通道的指令后，上層界面接收到“0xffffffff”和“0xffffffff”，表示目前總線(xiàn)上所有通道均處于空閑狀態(tài)?？梢陨暾?qǐng)通道1，申請(qǐng)后低位通道寄存器的值變?yōu)?ldquo;0xfffffffe”。經(jīng)過(guò)前面三步已經(jīng)建立了節(jié)點(diǎn)0和節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行等時(shí)通信所需要的帶寬和通道。(4)發(fā)送等時(shí)傳輸?shù)闹噶?，看?jié)點(diǎn)1是否接收到了指定量的等時(shí)數(shù)據(jù)包。通過(guò)中斷寄存器的bit9(Data Mover packet receive)進(jìn)行判斷。

本文分析了基于FPGA+ARM的1394總線(xiàn)在TFT-LCD檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)于1394總線(xiàn)技術(shù)的推廣具有較強(qiáng)的借鑒意義。測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，1394總線(xiàn)在進(jìn)行等時(shí)通信時(shí)分配固定的帶寬，保證了圖像數(shù)據(jù)又快又準(zhǔn)的傳輸，同時(shí)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)模塊通過(guò)1394總線(xiàn)連接起來(lái)，可以完全脫離PC單獨(dú)運(yùn)行，采用異步傳輸進(jìn)行控制指令的傳輸，既方便又穩(wěn)定。