0 引言

    隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越大的數(shù)據(jù)傳輸量和越來越高的數(shù)據(jù)傳輸速率成為信號(hào)處理系統(tǒng)亟待解決的問題。因而，開發(fā)一種能夠?qū)崟r(shí)處理大量高速數(shù)據(jù)，同時(shí)兼具穩(wěn)定性和通用性的新總線成為整個(gè)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)中迫切需要解決的瓶頸之一。CPCI (緊湊外圍設(shè)備互聯(lián)總線)結(jié)合了PCI總線的電氣特性和歐式卡的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)，可提供132 MB/s的峰值帶寬^[1]，同時(shí)CPCI構(gòu)架開放，性能優(yōu)良，在可靠性、兼容性和機(jī)械性能等方面均有優(yōu)勢。 因此，CPCI總線已成為當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的工業(yè)計(jì)算機(jī)總線，基于CPCI總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為解決大量高速數(shù)據(jù)處理的一個(gè)新方向。

    基于某測試任務(wù)，本文詳細(xì)闡述了通過CPCI總線接口和LVDS接口接收和傳輸測試數(shù)據(jù)，在保證可靠性的前期下，提高了地面設(shè)備接收和處理數(shù)據(jù)的速度。測試結(jié)果表明，此方法可行可靠，圓滿完成了測試任務(wù)。

1 總體設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)的主要工作是對(duì)外接CPCI設(shè)備進(jìn)行命令下發(fā)、狀態(tài)檢測及數(shù)據(jù)接收操作。其主要工作流程是：由上位機(jī)下發(fā)命令字控制整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，主控芯片XC3S400通過PCI9054橋接從背板總線接收主機(jī)卡發(fā)出的命令字，完成邏輯控制；通過RS422接口與外接設(shè)備進(jìn)行通信，控制外接設(shè)備進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)以及接收其相應(yīng)的狀態(tài)返回；通過LVDS接口接收外接設(shè)備的高速數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫入FPGA的FIFO后，由PCI9054通過DMA控制器將接收的數(shù)據(jù)回傳至主機(jī)卡。總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

    整個(gè)設(shè)計(jì)以FPGA為控制核心，充分利用其強(qiáng)大的可編程能力^[2]，能夠靈活控制總線傳輸速率等多個(gè)指標(biāo)，在增加系統(tǒng)通用性的同時(shí)，也充分發(fā)揮了CPCI總線高速傳輸?shù)膬?yōu)勢。

2 RS422接口設(shè)計(jì)

    RS422接口用來下發(fā)命令字和接收狀態(tài)字，由于信號(hào)碼率較低，為625 kb/s，因此設(shè)計(jì)中主要考慮傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。本設(shè)計(jì)針對(duì)此問題首先選擇了抗干擾性強(qiáng)的差分對(duì)信號(hào)傳輸數(shù)字量，同時(shí)對(duì)信號(hào)采取隔離措施，以防止前后級(jí)設(shè)備之間的互相干擾。接口電路示意圖如圖2所示。

    該接口電路選用ADI公司的磁隔離全雙工收發(fā)器ADM2682E，無需外接DC/DC隔離模塊。但是輸入輸出的供電引腳需要電源旁路，噪聲抑制需要一個(gè)低電感高頻電容，紋波抑制需要一個(gè)大容量電容。為了抑制噪聲和降低紋波，至少需要并聯(lián)兩個(gè)電容，其中容值較小的電容靠近器件擺放。因此，在器件的V_CC與GND₁，V_ISOIN、V_ISOOUT與GND₂之間均要加去耦電容。

    差分輸入端R2將差分輸入正端上拉至V_ISO，R4將差分輸入負(fù)端接地，這樣做的好處是可以防止因?yàn)椴罘中盘?hào)長距離傳輸造成的信號(hào)削弱，阻值均選擇1 kΩ；因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸電纜為特性阻抗為100 Ω的第五類屏蔽雙絞線，R3的作用是可以減少信號(hào)的反射和衰減，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，阻值選為120 Ω。

3 LVDS接口設(shè)計(jì)

3.1 硬件接口

    LVDS技術(shù)采用低壓擺幅和和低電流驅(qū)動(dòng)輸出，具有很強(qiáng)的抗干擾性^[2-4]。TI公司的DS92LV1023和DS92LV1224分別是高速串行差分?jǐn)?shù)據(jù)流串化器和解串器。

    在系統(tǒng)上電后，DS92LV1023和DS92LV1224將所有輸出引腳置為三態(tài)后，啟動(dòng)鎖相環(huán)跟蹤并鎖定本地的全局時(shí)鐘。LVDS串化器連續(xù)給數(shù)據(jù)接收端的解串器發(fā)送同步信號(hào)，當(dāng)解串器鎖相環(huán)成功鎖定同步時(shí)鐘后，LVDS接口將串行數(shù)據(jù)送出。同理，LVDS解串器也需要與發(fā)送端同步后才能接收數(shù)據(jù)。若在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中解串器鎖相環(huán)失鎖，時(shí)鐘紊亂，則LOCK信號(hào)會(huì)置高電平以通知串化器進(jìn)行再同步的操作。

    為了延長LVDS數(shù)據(jù)的傳輸距離，在發(fā)送端和接收端分別增加了電纜驅(qū)動(dòng)器和電纜均衡器，以此來增強(qiáng)差分信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和補(bǔ)償能力。驅(qū)動(dòng)器CLC001AJE的傳輸速率最高可達(dá)622 Mb/s，通過配置外圍電阻將DS92LV1023輸出的低壓差分信號(hào)壓差從200 mV提升至0.9 V~1.1 V，有效增強(qiáng)了信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。在信號(hào)的接收端，信號(hào)經(jīng)過屏蔽雙絞線傳輸，衰減后很容易造成碼間串?dāng)_，均衡器CLC014AJE可針對(duì)帶寬50 Mb/s~650 Mb/s的信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?；謴?fù)信號(hào)強(qiáng)度后，再通過DS92LV1224將串行數(shù)據(jù)解串^[5]。LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收電路分別如圖3、圖4所示。

3.2 軟件邏輯設(shè)計(jì)

    LVDS邏輯控制示意圖如圖5所示，控制模塊由FPGA內(nèi)部的FIFO完成數(shù)據(jù)的緩存。上電后，LVDS發(fā)送模塊向外部發(fā)送同步信號(hào)Sync，F(xiàn)IFO空標(biāo)志信號(hào)Prog_empty為0時(shí)，F(xiàn)IFO讀使能信號(hào)FIFO_rden_reg置1，將FIFO中的數(shù)據(jù)讀出，然后向外部接口發(fā)送，線上空閑時(shí)發(fā)送無效數(shù)據(jù)^[6-7]。

    LVDS接收模塊在時(shí)鐘Rclk的上升沿，對(duì)從被測設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)；在時(shí)鐘Rclk的下降沿，判斷若接收到的數(shù)據(jù)為有效數(shù)，則內(nèi)部的數(shù)據(jù)有效信號(hào)置1，將有效數(shù)據(jù)發(fā)送給FIFO，通過主控制模塊上傳至CPCI總線。

4 CPCI總線接口實(shí)現(xiàn)

    目前，CPCI總線接口的實(shí)現(xiàn)主要有2種方法：(1)使用可編程邏輯器件自行設(shè)計(jì)；(2)使用專用的協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，將CPCI總線轉(zhuǎn)換為用戶自定義的本地總線^[8]。第二種傻瓜式的實(shí)現(xiàn)方法雖然不如第一種方法靈活，但勝在省時(shí)省力，簡單易用，開發(fā)周期短，因此應(yīng)用較為廣泛。

4.1 PCI9054工作模式

    本設(shè)計(jì)采用PLX公司的PCI9054協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，其本地工作模式采用邏輯控制簡單、開發(fā)難度較低的C模式，該模式下PCI9054芯片內(nèi)部的地址線和數(shù)據(jù)線相互獨(dú)立，用戶可以自行定義需要的本地時(shí)序，實(shí)現(xiàn)CPCI接口的通信功能。CPCI接口與本地總線之間的數(shù)據(jù)傳輸有3種方式：PCI Initiator模式、PCI Target和DMA模式。PCI Target模式是CPCI主設(shè)備通過PCI9054發(fā)起對(duì)本地總線上資源的訪問；DMA模式即PCI9054通過控制CPCI和本地兩條總線來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的突發(fā)傳輸。本設(shè)計(jì)主要工作是命令字的下發(fā)和數(shù)據(jù)的上傳，考慮操作的簡易度，對(duì)于命令字的下發(fā)采用Target模式下的單周期訪問模式，對(duì)于數(shù)據(jù)的上傳采用DMA模式突發(fā)傳輸^[9]。

    PCI9054與CPCI總線的連接是通過CPCI連接器J1實(shí)現(xiàn)的，即PCI9054的CPCI信號(hào)通過串接10 Ω匹配電阻與J1的相應(yīng)信號(hào)引腳連接，串接10 Ω電阻是為了減少總線分支因?yàn)檩^大的背板阻抗對(duì)總線產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾，保證信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。PCI9054的本地時(shí)鐘由外部有源晶振提供，且與FPGA端的時(shí)鐘同步。在FPGA內(nèi)部劃分一塊FIFO作為數(shù)據(jù)緩存，利用其雙口操作的特性實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨時(shí)鐘域傳輸，同時(shí)也方便了本地時(shí)序的設(shè)計(jì)。

4.2 CPCI本地總線接口實(shí)現(xiàn)

    CPCI本地總線接口是本設(shè)計(jì)的核心所在。整個(gè)CPCI接口的設(shè)計(jì)思路是：主控芯片F(xiàn)PGA通過橋接PCI9054與CPCI總線交互，由其內(nèi)部邏輯自定義本地總線的工作時(shí)序?qū)崿F(xiàn)對(duì)總線的狀態(tài)控制，同時(shí)產(chǎn)生片內(nèi)讀寫及地址信號(hào)完成單周期讀寫和突發(fā)傳輸?shù)墓δ?。在FPGA內(nèi)部劃分一塊FIFO作為數(shù)據(jù)緩存來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)突發(fā)讀取，由其半滿信號(hào)作為上位機(jī)的讀取標(biāo)志?；谶@種設(shè)計(jì)思路，為了保證通信的可靠性，本文設(shè)計(jì)了類似握手協(xié)議的通信方式，具體操作如圖6所示。

    系統(tǒng)上電復(fù)位后狀態(tài)機(jī)在S0狀態(tài)循環(huán)等待。當(dāng)上位機(jī)下發(fā)指令時(shí)，CPCI總線將Lhold信號(hào)拉高來申請(qǐng)本地總線，本地總線將Lholda信號(hào)拉高作為應(yīng)答信號(hào)將總線控制權(quán)交給PCI9054。然后CPCI總線將Ads#拉低，開啟新的總線傳輸，將命令字寫入約定好的地址LA0。FPGA在檢測到Ads#有效后離開S0進(jìn)入S1狀態(tài)。判斷Blast#為低，進(jìn)入單周期傳輸模式，判斷LW/R#為低，執(zhí)行Target讀操作，即從CPCI總線接收上位機(jī)下發(fā)的命令字，然后拉高Ready#和Blast#表示單周期讀操作結(jié)束。接著狀態(tài)機(jī)返回S0繼續(xù)檢測Ads#信號(hào)。根據(jù)協(xié)議，F(xiàn)PGA會(huì)接著執(zhí)行一次單周期Target寫操作，將收到的命令字向上位機(jī)返回，由上位機(jī)對(duì)比兩次命令字，結(jié)果一致表明命令下發(fā)成功，否則重新發(fā)送。這種增加反饋確認(rèn)程序的命令下發(fā)模式有效保證了命令發(fā)送的準(zhǔn)確性。

    當(dāng)下發(fā)的命令字要求上傳數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA將內(nèi)部FIFO緩存的半滿標(biāo)志根據(jù)協(xié)議寫入固定地址，上位機(jī)每間隔一定個(gè)CLK會(huì)自動(dòng)執(zhí)行一次單周期讀操作，讀取該地址的標(biāo)示內(nèi)容，若標(biāo)示有效，則狀態(tài)機(jī)進(jìn)入DMA突發(fā)傳輸模式時(shí)，結(jié)束后返回S0狀態(tài)，繼續(xù)讀取半滿標(biāo)示，直到命令結(jié)束。

    這種結(jié)合PCI Target單周期模式讀寫指令和DMA突發(fā)模式傳輸數(shù)據(jù)的傳輸模式，既在節(jié)省CPU資源的同時(shí)保證了命令的準(zhǔn)確下發(fā)和反饋，也有效發(fā)揮了CPCI總線的高速傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)勢^[10]。

5 仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

    調(diào)試使用ISE配套的ChipScope Pro軟件實(shí)時(shí)分析本地總線操作時(shí)序，圖7為單周期讀操作時(shí)序。在上位機(jī)下發(fā)上傳數(shù)據(jù)的指令42H后，CPCI總線每400個(gè)CLK自動(dòng)執(zhí)行一次單周期讀操作，判斷地址0x3000內(nèi)的數(shù)據(jù)標(biāo)示是否為AA，如果是，說明緩存已準(zhǔn)備好有效數(shù)據(jù)，上位機(jī)可以突發(fā)取數(shù)。經(jīng)過390個(gè)CLK后，上位機(jī)開始突發(fā)取數(shù)，圖8為突發(fā)取數(shù)操作時(shí)序，上位機(jī)從地址0x0020~0x1820取走FPGA寫入的2K數(shù)據(jù)，每次突發(fā)4 B。實(shí)際工作時(shí)序與CPCI本地接口的理論時(shí)序一致。圖9是上位機(jī)解包后的原始數(shù)據(jù)，其中包標(biāo)示用于區(qū)分模擬量和數(shù)字量，包計(jì)數(shù)用于鑒定丟包。整個(gè)數(shù)據(jù)文件幀結(jié)構(gòu)完整，包計(jì)數(shù)連續(xù)，沒有丟數(shù)現(xiàn)象，進(jìn)一步證明了本設(shè)計(jì)中CPCI接口與本地接口銜接合理，方案可行。

6 結(jié)論

    本設(shè)計(jì)以PCI9054和FPGA控制器為核心，以LVDS為數(shù)據(jù)傳輸接口，從軟硬件兩個(gè)方面介紹了CPCI總線和本地總線的交互設(shè)計(jì)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片簡化了整個(gè)設(shè)計(jì)，完成了數(shù)據(jù)傳輸卡與上位機(jī)之間的通信。測試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)方案可行、可靠，同時(shí)也可以為PCI、PXI平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

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作者信息:

李  金，焦新泉，劉東海，王淑琴

（中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051）