劉彩霞 賀占莊 西安微電子技術(shù)研究所

O 引 言

在雷達的控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中通常采用并行數(shù)據(jù)總線方式進行控制信號傳輸和數(shù)據(jù)交換。在以往的設(shè)計中，大量使用中小規(guī)模集成電路及分立元件搭建總線數(shù)據(jù)采集和控制功能模塊，不僅占用較大的印制板面積，而且設(shè)計工作量大，時序控制復(fù)雜，采集速度不理想。

將CPLD應(yīng)用到該系統(tǒng)的設(shè)計中可以有效地解決上述問題。CPLD可以實現(xiàn)許多中小規(guī)模集成電路的功能，因此可以有效地減少印制板上功能模塊的面積，同時減少系統(tǒng)體積。利用CPLD的在線編程和仿真功能可以模擬系統(tǒng)各類信號的時序，大大提高設(shè)計效率。

l 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳送，系統(tǒng)采用CP—CI總線接口形式。該設(shè)計方案為雷達系統(tǒng)提供了兩路并行數(shù)據(jù)總線接口。其中一路并口由CPLD控制，將存儲空間中系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)發(fā)送給雷達;另一路用于接收雷達傳回的回波信號，并由CPLD控制放到存儲空間中去。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

1.1 CPCI總線接口

CPCI總線接口兼顧了PCI總線的高速度，同時丟棄了金手指式互連方式，而改用2 mm密度的針孔連接器，提高了系統(tǒng)的可靠性，增強了負載能力。在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

總線接口電路采用PLX公司的高性能接口芯片PCI9054。它采用了先進的PLX數(shù)據(jù)管道結(jié)構(gòu)技術(shù)，是32 b，33 MHz的PCI總線控制器。其主要特性如下：

支持主/從兩種訪問方式，其峰值傳輸速率可達133 MB/s;提供了2個獨立的可編程DMA控制器，每個通道均支持塊和分散/集中的DMA方式;局部總線速率高達50 MHz，局部總線的時鐘可以由外部提供，且該時鐘可以與：PCI的時鐘同步;內(nèi)部有6種可編程的FIFO，以實現(xiàn)零等待突發(fā)傳輸及局部總線和PCI：總線之間的異步操作。

系統(tǒng)啟動的時候，在系統(tǒng)配置的周期內(nèi)，PCI9054從配置E2PROM中讀人配置信息完成初始化。這里采用NS93CS56完成對PCI9054的初始化配置。

1.2 可編程邏輯器件

可編程邏輯器件選用ALTERA公司的EPlC3，其型號為Cyclone系列的產(chǎn)品，具有內(nèi)部邏輯分析功能。在JTAG方式下，通過下載電纜即可觀察到各個IO引腳及內(nèi)部各個寄存器中的數(shù)據(jù)，調(diào)試十分方便。

1.3 存儲器

本系統(tǒng)中采用雙口RAM作為PCI總線和并口數(shù)據(jù)存儲和交換的媒介?？紤]到用于并口交換的數(shù)據(jù)量較大，因此選用IDT公司的64K×16 b雙口芯片IDT70V28。做成乒乓方式的存儲結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)并行操作，節(jié)約處理時間，保證實時處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計及原理

2.1 鎖相環(huán)

在印制板上采用的晶體或晶振的輸出頻率較低，并不能滿足系統(tǒng)需求，為了能夠得到較高的采樣速度，必須有一個高頻率時鐘作為系統(tǒng)時鐘。EPlC3內(nèi)部的鎖相環(huán)功能可以對輸入時鐘進行倍頻和降頻的處理，還可以根據(jù)需要產(chǎn)生不同的時鐘相位。倍頻后的時鐘可以作為CPLD內(nèi)部的系統(tǒng)時鐘使用，也可以輸出至CPLD 外部，作為其他器件的時鐘輸入。

在本系統(tǒng)中采用一個20 MHz的晶振作為CPLD的輸入時鐘，通過倍頻產(chǎn)生一個100 MHz的時鐘作為內(nèi)部的系統(tǒng)時鐘，同時產(chǎn)生一個33 HMz的時鐘輸出作為PCI9054的局部總線異步時鐘。

2.2 并口數(shù)據(jù)收發(fā)

雷達回波包括16位寬度的數(shù)據(jù)和握手信號，首先需要用CPLD對握手信號進行接收和處理。接收到的、握手信號都為下降沿觸發(fā)脈沖。需要注意的是，接收到的握手信號必須去除毛刺和噪聲產(chǎn)生的干擾，避免系統(tǒng)接收到錯誤的數(shù)據(jù)。為了去除毛刺干擾產(chǎn)生的影響，應(yīng)使低電平保持一段時間，以減少誤觸發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)中毛刺和噪聲的周期設(shè)定檢測門限，例如，當(dāng)握手信號經(jīng)電纜傳輸至接口板時，有時會在前沿產(chǎn)生一個15～20 ns的毛刺，因此可以在檢測到握手信號的下降沿后接著連續(xù)記錄四個以上時鐘周期的低電平信號，只有當(dāng)這四個周期的信號電平全為“0”時，才確定本次握手有效。并口接收數(shù)據(jù)示意圖如圖2所示。

需要輸出的并口數(shù)據(jù)從存儲器讀出后應(yīng)先于握手信號放置在輸出口上并進行保持，待并口數(shù)據(jù)穩(wěn)定后才能輸出握手信號。握手信號的延遲時間及握手信號的寬度可以進行設(shè)定以增強系統(tǒng)的適應(yīng)性。并口發(fā)送數(shù)據(jù)示意圖如圖3所示。

2.3數(shù)據(jù)存儲及與交換

本系統(tǒng)中由雙口RAM作為系統(tǒng)輸入和輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，由CPLD和總線接口PCI9054共同使用。由于系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)量較大，輸入輸出操作頻繁，因此可將雙口RAM的存儲空間平均分割成長度相同的兩半，輸入輸出數(shù)據(jù)占用一半存儲空間。這樣當(dāng)CPLD向第一塊存儲空間寫入數(shù)據(jù)時，PCI9054既可以從這塊存儲空間讀出數(shù)據(jù)，同時還可以向另外一塊存儲空間寫入數(shù)據(jù)，這樣可以幾乎節(jié)約一半的操作時間。但是當(dāng)雙口RAM的兩端同時對同一個地址單元分別進行讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的操作時，讀出的數(shù)據(jù)會是錯誤的。為了防止發(fā)生這種錯誤，可以使用雙口RAM內(nèi)部的仲裁機制，利用BUSY信號進行判斷。當(dāng)讀取一個地址單元中的數(shù)據(jù)時首先判斷BUSY信號是否為低電平，如果BUSY信號為低電平時表示雙口RAM的另外一邊正在對該地址單元進行寫操作。使用仲裁機制可以有效消除讀寫沖突，但是也需要系統(tǒng)不斷的對雙口RAM的BUSY信號進行判斷。這會嚴(yán)重的占用系統(tǒng)資源，同時也影響了數(shù)據(jù)的傳輸速度。本系統(tǒng)中，再次利用乒乓結(jié)構(gòu)將接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲空間各分為長度相等的兩部分。存儲空間最終分配示意圖如圖4所示。

接收數(shù)據(jù)時，當(dāng)CPLD將一塊出處空間寫滿數(shù)據(jù)以后向PCI9054產(chǎn)生中斷信號并產(chǎn)生一個標(biāo)志信息，PCI9054接收到中斷信號以后首先查詢標(biāo)志信息判斷是哪一塊存儲區(qū)域已經(jīng)寫滿，然后將這一存儲空間中的數(shù)據(jù)讀出并發(fā)送給系統(tǒng)。此時CPLD可以繼續(xù)向另一塊存儲空間寫入數(shù)據(jù)。同樣地，當(dāng)PCI9054 向其中一塊發(fā)送區(qū)寫入數(shù)據(jù)時，CPLD可以從另一塊區(qū)域中讀出數(shù)據(jù)。

乒乓結(jié)構(gòu)存儲形式使得數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理可以并行進行，極大地節(jié)約了處理時間，對系統(tǒng)滿足實時性要求具有及其重要的意義。

2.4 接口時序控制

當(dāng)雷達的回波數(shù)據(jù)與雙口RAM中的數(shù)據(jù)同時淮備好時，由于PCI9054局部總線讀寫速度較快，如果先接收數(shù)據(jù)，則雙口RAM中的數(shù)據(jù)有可能溢出，而如果先將雙口RAM中準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)發(fā)送出去則接收的數(shù)據(jù)需要等待一段時間，影響了系統(tǒng)的實時性。因此CPLD必須控制雙口RAM的讀寫時序，既使發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)不會溢出同時又不影響系統(tǒng)的實時性。由于雙口數(shù)據(jù)速率相對于系統(tǒng)來說速度相對比較慢，因此本系統(tǒng)采用分時處理的辦法解決。首先判斷握手信號是否有效，如果握手信號有效則表明并口正在將接收數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，否則并口正處于接收間隔時間，CPLD對雙口RAM沒有寫操作。由于每組并口數(shù)據(jù)的傳輸速率比較固定，因此間隔時間可以預(yù)知。在此間隔時間將雙口RAM中的數(shù)據(jù)讀出并發(fā)送，通過這種方法可以進一步提高數(shù)據(jù)的收發(fā)速率，減少數(shù)據(jù)在雙口中的滯留時間，更加提高了系統(tǒng)的實時性。

3 結(jié) 語

本文采用單片CPLD完成了以往需要大量外圍器件來完成的雷達并口數(shù)據(jù)收發(fā)及存儲功能，所設(shè)計的CPLD已應(yīng)用于雷達系統(tǒng)中，其應(yīng)用結(jié)果表明：

(1)采用CPLD極大的簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了板卡體積，降低了系統(tǒng)的發(fā)熱量和干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性，也給調(diào)試維修帶來了極大的方便。

(2)使用QuartusⅡ使得硬件“軟件化”自動設(shè)計，更新了傳統(tǒng)的電路設(shè)計和調(diào)試方式，大大縮短了開發(fā)周期，特別是其設(shè)計仿真和定時分析使得設(shè)計更可靠，確保了系統(tǒng)邏輯的正確性。