VXI總線是一種基于VME總線的模塊化儀器結(jié)構(gòu)標準，它是VME總線在儀器領域里的擴展，對所有廠家開放并兼容現(xiàn)有的工業(yè)標準。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)在武器系統(tǒng)中的應用，電子裝備在品種數(shù)量、技術(shù)復雜程度和保障模式等方面都有了許多新的變化，專用的測試設備往往功能單一、效費比低而難以滿足軍用測控系統(tǒng)的要求。VXI總線的出現(xiàn)為研制多功能通用測試系統(tǒng)提供了有利條件。
    基于VXI總線的自動測試系統(tǒng)中，接口電路的主要作用是完成系統(tǒng)模塊與VXI零槽控制器之間的通信，接收地址信息、數(shù)據(jù)信息和各種控制命令，并向上位機傳送系統(tǒng)模塊信息。傳統(tǒng)的設計方案由于受芯片功能限制，大多存在響應速度慢、存儲量小、可靠性差、使用不靈活及功耗大等缺點，不能完全發(fā)揮VXI總線的性能優(yōu)勢。
    為了解決傳統(tǒng)VXI接口電路模塊的集成度、速度以及靈活性等問題，本文提出了一種基于寄存器基器件的VXI總線接口電路設計方案。
1 VXI總線接口電路設計
    本方案的特點即是滿足大量數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度快、實時性要求高的應用。為此，系統(tǒng)采用了高性能的DSP（數(shù)字信號處理器），同時采用雙口RAM來實現(xiàn)上位機與DSP間的數(shù)據(jù)傳遞。寄存器基接口邏輯部分主要完成對VXI總線與本地總線的接口轉(zhuǎn)換、響應VXI總線的上電邏輯時序和讀寫操作等功能。為了達到設計目標，在本方案設計時又著重考慮了以下幾方面難點問題：
    (1)由于主控計算機執(zhí)行速度很快，再加上VXI總線數(shù)據(jù)傳輸速率也很高，因此指令譯碼、接口電路應盡量簡單以提高執(zhí)行速度；
    (2)要有足夠大的存儲空間以接收上位機發(fā)送來的控制數(shù)據(jù)，當上位機有控制數(shù)據(jù)發(fā)來時，能通知本地CPU及時讀取，并能防止因本地CPU響應不及時而漏讀數(shù)據(jù)；
    (3)使用雙端口RAM時，如果兩個端口同時訪問同一存儲單元而產(chǎn)生沖突時，必須有仲裁電路；
    (4)必須符合VXI總線規(guī)范設置配置寄存器，設置模塊的邏輯地址。A24尋址時還需確定偏移寄存器中各位的值。
1.1系統(tǒng)框圖
    基于以上考慮，設計了圖1所示的VXI總線接口電路框圖。接口電路主要由寄存器基接口邏輯和實時存儲器(雙口RAM)組成。其中，寄存器基接口邏輯的設計中采用Interface Technology公司研制的VXI總線寄存器基接口器件IT9010來實現(xiàn)寄存器基接口邏輯，既解決了系統(tǒng)模塊物理空間緊張的問題，又能提高接口邏輯電路的可靠性。

1.2 IT9010
    IT9010是專用VXI總線接口芯片，具有如下特點：
    (1)內(nèi)部集成了VXI總線所需的寄存器，它們分別是配置寄存器、STATUS/ID寄存器、儀器類型寄存器、偏移寄存器、STATUS/CON寄存器、ID寄存器，因此IT9010也被稱為寄存器基的接口芯片；
    (2)具有VXI總線地址譯碼功能；
    (3)可對VXI總線和本地總線(LocalBUS)進行仲裁；
    (4)具有譯碼所有31位VXI總線地址(A1～A31)的能力，因此用戶既可以用于24位地址(A24)設備的接口，也可以用于32位地址(A32)設備的接口；另外，IT9010還可通過外部撥碼開關(guān)設置ID寄存器和儀器類型寄存器；通過微處理器對IT9010進行編程等。
    這些功能特性使其與VXI總線接口變得簡單方便，即使用最少的外圍電路并且在PCB板上占據(jù)最小的空間。同時該器件僅需要4片廉價的支持芯片來驅(qū)動VXI總線大電流背板信號，允許設計者以最少的硬件、最低的功耗和最少的設計工時實現(xiàn)一個基于寄存器基的VXI總線接口，大大降低了接口電路的復雜性[1]。IT9010集成VXI總線所需的寄存器、VXI總線地址譯碼、VXI總線/本地總線仲裁于單一芯片中。MODID支持功能允許芯片能實現(xiàn)靜態(tài)或動態(tài)聯(lián)絡基地址配置。IT9010還有31位VXI總線地址線的譯碼能力，可以允許使用者將芯片配置成一個A24/A32地址空間的器件[2]。一個芯片內(nèi)的偏移寄存器能由器件類型配置和所需的內(nèi)存空間總和來決定自動生成、譯碼和換算VXI總線的地址線。
1.3 系統(tǒng)尋址方式
    為了有足夠大的存儲空間且方便尋址，VXI總線采用A16/A24尋址。A16尋址時配置寄存器的基地址由人工設置，采用SW DIP-8即可實現(xiàn)[3]。A24寄存器的基地址由系統(tǒng)資源管理器在初始化時寫入。配置寄存器中的ID寄存器和器件類別寄存器由IT9010的IDISEL*和DTISEL*初始化輸出一個已知值進行初始化。
1.4 實時存儲器
    實時存儲器的設計采用Xilinx公司的Spartan-6 FPGA器件，在其內(nèi)部設計實現(xiàn)雙口RAM功能。其最大優(yōu)點是有兩套獨立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，使得VXI總線和本地CPU可對其同時訪問，這樣可大大簡化電路。雙口RAM的沖突仲裁問題，可利用雙口RAM本身的BUSY線來解決，雙口RAM的BUSY邏輯如圖2所示，當VXI總線和本地CPU同時訪問其中一個存儲單元時，則BUSY線變低的一端讀、寫無效[4]。本設計中，將BUSYR線作為本地CPU機器時鐘等待的控制信號。當VXI總線及本地CPU同時訪問同一個存儲器單元造成沖突時，如果BUSYR變低，則該信號將控制DSP進入等待狀態(tài)直到BUSYR信號變?yōu)闊o效為止。而在VXI總線接口電路部分，用BUSYL線參與DTACK的邏輯控制，使VXI總線一方對雙端口RAM訪問也能正確可靠。

2 VXI總線接口電路功能分析
2.1地址譯碼
    由于A16寄存器空間較小，不能滿足整個系統(tǒng)的需求，在VXI接口設計時采用了A16/A24尋址模式。零槽進行A24尋址時，模塊必須對A24譯碼，究竟零槽使用的是A16地址還是A24地址，系統(tǒng)模塊可以從地址修改碼獲知。當進行A24尋址時，IT9010自動對地址修改碼3DH、3EH進行響應。在A24方式下，偏移寄存器中的值必須與地址線對應的高位相符才能選中當前模塊。此時，IT9010才驅(qū)動UASEL信號及VXI/LCL信號有效，其中UASEL可以作為片選信號送雙口RAM。同時，地址線低位直接對存儲單元尋址，在REGWR和REGRD的控制下，實現(xiàn)對雙口RAM的讀寫。
    此外，利用IT9010的SFAIL(系統(tǒng)故障)和SFINH*(系統(tǒng)故障禁止)與非后送VXI總線的SYSFAIL，主控模塊可禁止當前模塊的故障。
2.2配置寄存器的設置
    根據(jù)VXI總線規(guī)范，每個寄存器基器件必須包含配置寄存器，并在系統(tǒng)上電過程中對其進行初始化。本模塊中ID寄存器和器件類型寄存器的初始化由DSP完成，DSP啟動后將根據(jù)當前模塊的需求對IT9010中的相關(guān)寄存器進行寫操作。
2.3數(shù)據(jù)接口電路
    電路設計中由于使用了雙口RAM，使得電路變得簡單。雙口RAM的左端口由VXI總線訪問，右端口由本地CPU控制。
    當VXI總線對其訪問時，由IT9010的UACS*和VXI/LCL作為左端口片選信號，REGRD和REGWR作為讀寫信號。雙口RAM中的數(shù)據(jù)經(jīng)VD00~15寫入或讀出。
    當本地CPU訪問時，片選信號和讀寫信號由邏輯控制電路產(chǎn)生。本地CPU發(fā)出ZA0~9作為I/O端口地址送邏輯芯片CONTROL，并將WR、ZRD和BALE作為控制信號送CONTROL。同時本地CPU的ZD00~15發(fā)出RAM地址至鎖存器，CONTROL發(fā)出LEV1或LEV2后產(chǎn)生LADD0~12送到雙口RAM右邊的地址位，同時CONTROL還發(fā)出CER1、CER2、R/WR、OER信號控制雙口RAM右邊的片選、讀寫和輸出使能。雙口RAM中的數(shù)據(jù)經(jīng)ZD00~15寫入或讀出。
    考慮到VXI總線的驅(qū)動能力及緩沖隔離要求[5]，數(shù)據(jù)線D00~D15經(jīng)雙向緩沖器接到雙口RAM 的I/OL上。雙向緩沖器的使能引腳接IT9010上的VDBEN*引腳，作為數(shù)據(jù)選通；方向控制引腳接IT9010的VDDIR，以選擇數(shù)據(jù)流向。
2.4 “郵箱”邏輯
    為了確保本地CPU能及時讀取上位機向本系統(tǒng)模塊發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，在雙口RAM中設立了“郵箱”以實現(xiàn)VXI總線和本地CPU之間的握手。IDT7025 將存儲地址FFFH和FFEH這兩個單元作為“郵箱”使用。如果上位機發(fā)來控制數(shù)據(jù)寫入了RAM中，并對FFFH進行寫操作，則右端口的INTR*將有效，向DSP產(chǎn)生一個中斷。本地DSP將響應此中斷，運行中斷服務程序去讀取控制數(shù)據(jù)。
3 工程應用
    VXI總線在雷達多目標生成系統(tǒng)中有著廣泛的應用。圖3即是早期雷達多目標生成系統(tǒng)所采用的方案，其缺點主要有：(1)采用門陣列邏輯芯片（PAL）來實現(xiàn)接口電路的設計，接口電路集成度低、功耗大、可靠性差；(2)主控器為51系列單片機，速度較慢；(3)雙口RAM和計數(shù)器均為獨立器件實現(xiàn)，整個系統(tǒng)體積大，靈活性差。

    目前，基于該寄存器基器件的VXI總線接口電路已經(jīng)應用于某新型雷達多目標生成系統(tǒng)中，它為雷達提供多個參數(shù)可控的模擬目標信號以及后拖、連續(xù)波等干擾信號。某新型雷達多目標生成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
    在雷達多目標生成系統(tǒng)中VXI總線接口接收VXI總線上的命令并存儲起來，以中斷方式通知本地CPU讀取命令[6]。CPU對收到的命令數(shù)據(jù)進行處理，分別形成頻率碼、延遲碼和各個目標的特征字。頻率碼、延遲碼經(jīng)鎖存后送頻率引導部分；對接口電路的速度要求是：在400 ns內(nèi)完成頻率的引導。早期方案采用的是門陣列邏輯芯片（PAL）來實現(xiàn)接口電路的設計，接口電路集成度低、功耗大、可靠性差；主控器采用的是51系列單片機，讀寫速度慢。而本方案主控器為高端DSP器件，本地CPU速度更快[7]。由表1可見，該方案接口電路讀寫的速度完全滿足系統(tǒng)要求，并優(yōu)于早期方案。

    系統(tǒng)中的各個目標特征字是按照命令寫入雙口RAM中一定長度的地址范圍內(nèi)。同步信號到來時，計數(shù)器開始計數(shù)作為地址送給雙口RAM，將其中的特征字讀出，形成功率碼和目標指示信號送到微波部分。這樣在雙口RAM不同地址寫入特征字就可以模擬多個目標，且脈寬、距離均可改變。因此對接口電路的實時存儲容量要求是：不小于32 MB。早前方案采用的雙口RAM為獨立器件，而本方案采用Xilinx公司的Spartan-6 FPGA器件，在其內(nèi)部設計實現(xiàn)雙口RAM功能，可以很好地解決并行性和速度問題,且其靈活的配置易于進行修改[8]。由表2可見，該方案接口電路的實時存儲容量設計為128 MB，也完全滿足系統(tǒng)要求，并優(yōu)于早期方案。

    針對目前VXI接口電路模塊需要使用大量芯片、接口響應速度慢的問題，本文提出了一種基于寄存器基器件的VXI總線接口設計方案，并對其功能進行了詳細的分析，最后在具體應用中與早期的方案進行了性能對比，對比結(jié)果顯示本方案相對于早期方案具有明顯的優(yōu)勢并實現(xiàn)了設計目標。該方案可用于基于VXI接口電路的高速數(shù)據(jù)存儲的設計，并已應用于工程實踐中。目前該接口電路工作穩(wěn)定，響應速度快，完全能夠滿足高速實時系統(tǒng)的通信需求。該方案為基于VXI總線的高速數(shù)據(jù)存儲電路設計提供了新的思路，為進一步開發(fā)利用VXI總線奠定了基礎。
參考文獻
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