基于PC104總線的2FSK調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要： 本調(diào)制器是一種基于PC104總線的嵌入式系統(tǒng)的外圍設(shè)備，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)PC104總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到端口，調(diào)制器接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行調(diào)制后，將信號(hào)輸出到受控設(shè)備，從而對(duì)相應(yīng)設(shè)備起到控制的功能。在本調(diào)制器的硬件電路中使用FPGA，提高了系統(tǒng)的通用性。
Abstract：
Key words :
嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)控制中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，它具有便攜、可靠、低功耗、通用、易擴(kuò)展等諸多優(yōu)點(diǎn)。使用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)控制要涉及到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸、采集、調(diào)制解調(diào)等一系列問(wèn)題。
本調(diào)制器是一種基于PC104總線的嵌入式系統(tǒng)的外圍設(shè)備，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)PC104總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到端口，調(diào)制器接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行調(diào)制后，將信號(hào)輸出到受控設(shè)備，從而對(duì)相應(yīng)設(shè)備起到控制的功能。在本調(diào)制器的硬件電路中使用FPGA，提高了系統(tǒng)的通用性。
1總體結(jié)構(gòu)
該調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：識(shí)別并接收總線發(fā)送的數(shù)據(jù)；根據(jù)不同地址控制信號(hào)將數(shù)據(jù)按路區(qū)分(共四路)；每路分別將數(shù)據(jù)按照連續(xù)調(diào)制的方式進(jìn)行2FSK調(diào)制；對(duì)調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行放大整形并發(fā)送到端口。
因此，該調(diào)制器的電路部分分別包括數(shù)據(jù)接收部分、FPGA及外圍電路(實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分路及數(shù)字調(diào)制功能)、D／A轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 PC104總線及數(shù)據(jù)接收電路
PC104總線是專門為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)總線，是一種自堆棧式、模塊化的總線，它基于ISA總線發(fā)展而來(lái)，有16位和8位兩種接口方式(分別為64+40引腳和64引腳端口結(jié)構(gòu))，該總線具有結(jié)構(gòu)緊湊、便攜、可靠、功耗低、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于工程開(kāi)發(fā)而言，常用的引腳主要有以下幾個(gè)：
SD0～SD7，SD8～SD15：數(shù)據(jù)總線，當(dāng)采用8位接口方式時(shí)，只有SD0～SD7工作；
SA0～SA19，LA17～LA23：地址信號(hào)，對(duì)端口進(jìn)行操作時(shí)使用SA0～SA9；
AEN：DMA選通信號(hào)，為高電平時(shí)表示處于DMA模式；
IOW，IOR：端口寫、讀信號(hào)，低電平有效；
SYSCLK：系統(tǒng)提供的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，是標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)，約為8 MHz；
VCC，GND，+12 V，-12 V：系統(tǒng)提供的電源接口。
數(shù)據(jù)接收電路就是要在正確的時(shí)序上將所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，還要實(shí)現(xiàn)將電路工作狀態(tài)傳送回總線，以便總線決定是否發(fā)送下組數(shù)據(jù)的功能。由于PC104總線最高支持約8 MHz的時(shí)鐘頻率，而受控設(shè)備所需的2FSK信號(hào)頻率為幾千赫茲，因此這里只用8位數(shù)據(jù)總線就完全能夠滿足要求。
總線接收電路如圖2所示。其中SD0～SD9，SA0～SA9是從總線發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)、地址信號(hào)，SEL0～SEL3為分路選擇信號(hào)，ANSWER0～ANSWER3為FPGA的狀態(tài)返回信號(hào)，由于總線速度要比2FSK輸出速度高得多，因此，總線要對(duì)FPGA數(shù)據(jù)緩存器是否為空進(jìn)行查詢，當(dāng)FPGA沒(méi)有完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)，總線要等下個(gè)周期，直到狀態(tài)返回信號(hào)顯示FPGA內(nèi)部為空時(shí)，總線才可以發(fā)送下組數(shù)據(jù)到FPGA。74LS273負(fù)責(zé)將每路的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行鎖存，4路數(shù)據(jù)共使用4個(gè)。OUT1D0～D7為第一路8位數(shù)據(jù)輸出，LOCK0為其控制信號(hào)，表示數(shù)據(jù)的更新。
3 FPGA及其外圍電路
FPGA具有集成度高、設(shè)計(jì)靈活、易于修改、節(jié)省空間、通用性高等優(yōu)點(diǎn)。本調(diào)制器中FPGA采用的是Altera公司的EPF10K20TC144-4器件，該器件具有20 000個(gè)典型門，1 153個(gè)邏輯單元，144引腳，包括2個(gè)全局輸入時(shí)鐘，4個(gè)全局輸入，86個(gè)通用可編程I／O引腳。該芯片采用TQFP封裝，芯片面積較小，功耗低，其輸入、輸出與TTL，與PC104總線電平完全兼容。FPGA電路主要實(shí)現(xiàn)的功能為：接收數(shù)據(jù)提取電路發(fā)送的分路數(shù)據(jù)；以總線上的SYSCLK時(shí)鐘為基準(zhǔn)，通過(guò)分頻產(chǎn)生受控設(shè)備能識(shí)別的頻率；為每路輸出進(jìn)行2FSK的數(shù)字調(diào)制，保證信號(hào)的連續(xù)性；完成本身的FPGA電路配置。
FPGA配置電路如圖3所示。
FPGA的配置使用PS和JTAG兩種方式，既能實(shí)現(xiàn)JTAG方式下電路在線調(diào)試，又能保證調(diào)試完成后能夠正確使用相應(yīng)的配置器件。其中JP5*2插座為JTAG配置端口，TDI、TDO、TMS、TCK為JTAG配置引腳，該配置方式采用BlasterMV線，通過(guò)配置計(jì)算機(jī)的并口與電路板配置端口進(jìn)行連接，用于將編寫好的配置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到FPGA，該方式主要用于電路調(diào)試；EPC1PC8為FPGA配置器件，采用PS(被動(dòng)串行)配置方式，由于FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)器屬于易失性RAM存儲(chǔ)，因此每次加電后都要將程序重新寫入FPGA，配置器件本身就是存儲(chǔ)器，其主要作用就是在每次加電后將程序?qū)懭隖PGA，保證調(diào)試完畢的電路能夠正常單獨(dú)進(jìn)行工作。
來(lái)自前級(jí)電路的數(shù)據(jù)及控制信號(hào)、發(fā)到D／A轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)都連接到FPGA芯片的通用I／O引腳，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)所需功能。對(duì)FPGA的編程使用Altera公司的QuartusⅡ軟件，該軟件采用圖形化與VHDL語(yǔ)言混合編程，易于調(diào)試修改。編程實(shí)現(xiàn)的主要功能為：對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存移位，確保每位數(shù)據(jù)都能得到正確處理；產(chǎn)生兩組分頻時(shí)鐘參與2FSK調(diào)制，并使分頻后的時(shí)鐘按照時(shí)序進(jìn)入數(shù)字調(diào)制器；數(shù)字調(diào)制器負(fù)責(zé)將不同頻率始終按照順序依次產(chǎn)生連續(xù)量化的8位正弦波數(shù)字量輸出到端口。
本設(shè)計(jì)中由于采用兩種頻率分時(shí)產(chǎn)生，按時(shí)序進(jìn)入調(diào)制器，而正弦波數(shù)字調(diào)制器單獨(dú)工作的方法，保證了輸出正弦波具有連續(xù)的相位，不會(huì)產(chǎn)生相位突變。
4 D／A轉(zhuǎn)換電路
D／A轉(zhuǎn)換共包括四路，其主要功能是將FPGA輸出的已調(diào)制好的2FSK數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為正弦波信號(hào)。由于FPGA在進(jìn)行數(shù)字調(diào)制時(shí)產(chǎn)生的是連續(xù)量化的正弦波形，兩個(gè)頻率之間不存在相位的突變，不會(huì)存在大量的高頻雜波，因此，后期的信號(hào)處理電路使用放大電路與簡(jiǎn)單的π型濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理即可得到比較理想的2FSK信號(hào)。
D／A轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。
此電路采用AD7524作為D／A轉(zhuǎn)換器，AD7524屬于T型電阻網(wǎng)絡(luò)型DAC，電流輸出，8位數(shù)字輸入，輸出建立時(shí)間0.2μs／0.15μs，其數(shù)字輸入端可采用5 V／15 V兩種輸入，本電路采用兼容TTL電平的5 V輸入。電路中將其輸入控制端CS、WR同時(shí)接地，當(dāng)有來(lái)自FPGA的數(shù)據(jù)AD101～7輸入時(shí)無(wú)需鎖存，直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此要求FPGA的輸出要具有鎖存功能，此接法可減少輸出控制線，減少時(shí)序干擾。R1AD1和R1AD2為D／A輸出波形調(diào)整電阻，主要用于調(diào)整波形位置，不致產(chǎn)生失真。D／A輸出采用雙極性接法，通過(guò)兩路LM324通用放大器進(jìn)行電壓放大，輸出2FSK信號(hào)。圖5(a)為經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換后輸出的波形在示波器上的截圖，由圖中可以看到，數(shù)字調(diào)制并經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后，波形是一種階梯狀正弦波，且波形連續(xù)，頻率變換交界處無(wú)相位突變。該信號(hào)經(jīng)過(guò)雙極性放大器放大并通過(guò)π型濾波器后變成如圖5(b)所示的連續(xù)正弦波。
圖5 2FSK信號(hào)濾波前后波形比較
5結(jié)語(yǔ)
采用FPGA進(jìn)行2FSK調(diào)制不但能產(chǎn)生連續(xù)相位，還能通過(guò)軟件直接修改其調(diào)制方式、產(chǎn)生頻率等一系列參數(shù)，具有很好的通用性。
本電路中數(shù)據(jù)提取電路屬于原理性電路，實(shí)際設(shè)計(jì)中可將該部分電路置于FPGA內(nèi)部進(jìn)行設(shè)計(jì)，而系統(tǒng)參考時(shí)鐘SYSCLK可接在FPGA的全局時(shí)鐘輸入端，減少延遲差異。
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