0 引言

    隨著科學技術(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)傳輸速率成為信號處理系統(tǒng)亟待解決的問題。因而，開發(fā)一種能夠?qū)崟r處理大量高速數(shù)據(jù)，同時兼具穩(wěn)定性和通用性的新總線成為整個數(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械標準，可提供132 MB/s的峰值帶寬^[1]，同時CPCI構(gòu)架開放，性能優(yōu)良，在可靠性、兼容性和機械性能等方面均有優(yōu)勢。 因此，CPCI總線已成為當今應(yīng)用最廣泛的工業(yè)計算機總線，基于CPCI總線的工業(yè)控制計算機已經(jīng)成為解決大量高速數(shù)據(jù)處理的一個新方向。

    基于某測試任務(wù)，本文詳細闡述了通過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

    本設(shè)計的主要工作是對外接CPCI設(shè)備進行命令下發(fā)、狀態(tài)檢測及數(shù)據(jù)接收操作。其主要工作流程是：由上位機下發(fā)命令字控制整個系統(tǒng)的正常運行，主控芯片XC3S400通過PCI9054橋接從背板總線接收主機卡發(fā)出的命令字，完成邏輯控制；通過RS422接口與外接設(shè)備進行通信，控制外接設(shè)備進入相應(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)回傳至主機卡?？傮w設(shè)計框圖如圖1所示。

    整個設(shè)計以FPGA為控制核心，充分利用其強大的可編程能力^[2]，能夠靈活控制總線傳輸速率等多個指標，在增加系統(tǒng)通用性的同時，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

    RS422接口用來下發(fā)命令字和接收狀態(tài)字，由于信號碼率較低，為625 kb/s，因此設(shè)計中主要考慮傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。本設(shè)計針對此問題首先選擇了抗干擾性強的差分對信號傳輸數(shù)字量，同時對信號采取隔離措施，以防止前后級設(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，噪聲抑制需要一個低電感高頻電容，紋波抑制需要一個大容量電容。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將差分輸入負端接地，這樣做的好處是可以防止因為差分信號長距離傳輸造成的信號削弱，阻值均選擇1 kΩ；因為數(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

3.1 硬件接口

    LVDS技術(shù)采用低壓擺幅和和低電流驅(qū)動輸出，具有很強的抗干擾性^[2-4]。TI公司的DS92LV1023和DS92LV1224分別是高速串行差分數(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，啟動鎖相環(huán)跟蹤并鎖定本地的全局時鐘。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，當解串器鎖相環(huán)成功鎖定同步時鐘后，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，時鐘紊亂，則LOCK信號會置高電平以通知串化器進行再同步的操作。

    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)動器和電纜均衡器，以此來增強差分信號的驅(qū)動和補償能力。驅(qū)動器CLC001AJE的傳輸速率最高可達622 Mb/s，通過配置外圍電阻將DS92LV1023輸出的低壓差分信號壓差從200 mV提升至0.9 V~1.1 V，有效增強了信號的驅(qū)動能力。在信號的接收端，信號經(jīng)過屏蔽雙絞線傳輸，衰減后很容易造成碼間串擾，均衡器CLC014AJE可針對帶寬50 Mb/s~650 Mb/s的信號進行補償。恢復信號強度后，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

    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Sync，F(xiàn)IFO空標志信號Prog_empty為0時，F(xiàn)IFO讀使能信號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，線上空閑時發(fā)送無效數(shù)據(jù)^[6-7]。

    LVDS接收模塊在時鐘Rclk的上升沿，對從被測設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)進行糾錯；在時鐘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總線接口實現(xiàn)

    目前，CPCI總線接口的實現(xiàn)主要有2種方法：(1)使用可編程邏輯器件自行設(shè)計；(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]。第二種傻瓜式的實現(xiàn)方法雖然不如第一種方法靈活，但勝在省時省力，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)線相互獨立，用戶可以自行定義需要的本地時序，實現(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現(xiàn)數(shù)據(jù)的突發(fā)傳輸。本設(shè)計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，對于命令字的下發(fā)采用Target模式下的單周期訪問模式，對于數(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實現(xiàn)的，即PCI9054的CPCI信號通過串接10 Ω匹配電阻與J1的相應(yīng)信號引腳連接，串接10 Ω電阻是為了減少總線分支因為較大的背板阻抗對總線產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾，保證信號傳輸?shù)臏蚀_性。PCI9054的本地時鐘由外部有源晶振提供，且與FPGA端的時鐘同步。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現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨時鐘域傳輸，同時也方便了本地時序的設(shè)計。

4.2 CPCI本地總線接口實現(xiàn)

    CPCI本地總線接口是本設(shè)計的核心所在。整個CPCI接口的設(shè)計思路是：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序?qū)崿F(xiàn)對總線的狀態(tài)控制，同時產(chǎn)生片內(nèi)讀寫及地址信號完成單周期讀寫和突發(fā)傳輸?shù)墓δ堋Ｔ贔PGA內(nèi)部劃分一塊FIFO作為數(shù)據(jù)緩存來實現(xiàn)數(shù)據(jù)突發(fā)讀取，由其半滿信號作為上位機的讀取標志?；谶@種設(shè)計思路，為了保證通信的可靠性，本文設(shè)計了類似握手協(xié)議的通信方式，具體操作如圖6所示。

    系統(tǒng)上電復位后狀態(tài)機在S0狀態(tài)循環(huán)等待。當上位機下發(fā)指令時，CPCI總線將Lhold信號拉高來申請本地總線，本地總線將Lholda信號拉高作為應(yīng)答信號將總線控制權(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進入S1狀態(tài)。判斷Blast#為低，進入單周期傳輸模式，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)機返回S0繼續(xù)檢測Ads#信號。根據(jù)協(xié)議，F(xiàn)PGA會接著執(zhí)行一次單周期Target寫操作，將收到的命令字向上位機返回，由上位機對比兩次命令字，結(jié)果一致表明命令下發(fā)成功，否則重新發(fā)送。這種增加反饋確認程序的命令下發(fā)模式有效保證了命令發(fā)送的準確性。

    當下發(fā)的命令字要求上傳數(shù)據(jù)時，F(xiàn)PGA將內(nèi)部FIFO緩存的半滿標志根據(jù)協(xié)議寫入固定地址，上位機每間隔一定個CLK會自動執(zhí)行一次單周期讀操作，讀取該地址的標示內(nèi)容，若標示有效，則狀態(tài)機進入DMA突發(fā)傳輸模式時，結(jié)束后返回S0狀態(tài)，繼續(xù)讀取半滿標示，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資源的同時保證了命令的準確下發(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 仿真與試驗結(jié)果分析

    調(diào)試使用ISE配套的ChipScope Pro軟件實時分析本地總線操作時序，圖7為單周期讀操作時序。在上位機下發(fā)上傳數(shù)據(jù)的指令42H后，CPCI總線每400個CLK自動執(zhí)行一次單周期讀操作，判斷地址0x3000內(nèi)的數(shù)據(jù)標示是否為AA，如果是，說明緩存已準備好有效數(shù)據(jù)，上位機可以突發(fā)取數(shù)。經(jīng)過390個CLK后，上位機開始突發(fā)取數(shù)，圖8為突發(fā)取數(shù)操作時序，上位機從地址0x0020~0x1820取走FPGA寫入的2K數(shù)據(jù)，每次突發(fā)4 B。實際工作時序與CPCI本地接口的理論時序一致。圖9是上位機解包后的原始數(shù)據(jù)，其中包標示用于區(qū)分模擬量和數(shù)字量，包計數(shù)用于鑒定丟包。整個數(shù)據(jù)文件幀結(jié)構(gòu)完整，包計數(shù)連續(xù)，沒有丟數(shù)現(xiàn)象，進一步證明了本設(shè)計中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，從軟硬件兩個方面介紹了CPCI總線和本地總線的交互設(shè)計，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片簡化了整個設(shè)計，完成了數(shù)據(jù)傳輸卡與上位機之間的通信。測試結(jié)果表明，本設(shè)計方案可行、可靠，同時也可以為PCI、PXI平臺的設(shè)計提供參考價值。

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作者信息:

李  金，焦新泉，劉東海，王淑琴

（中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原030051）