摘? 要: 介紹了PCI接口的基本功能和特點;利用PLX9054接口芯片" title="接口芯片">接口芯片,結(jié)合雙口" title="雙口">雙口RAM和EPLD邏輯電路,實現(xiàn)了TMS320C6701與PCI總線間的雙向高速實時數(shù)據(jù)交換" title="數(shù)據(jù)交換">數(shù)據(jù)交換;分析了DSP與SBSRAM接口信號的完整性,對PCB設(shè)計作了仿真分析。
關(guān)鍵詞: PCI? DSP? 數(shù)字信號處理
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隨著數(shù)字信號處理" title="信號處理">信號處理器(DSP)及其外圍支持芯片性能的提高,軟件無線電已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,大大增強(qiáng)了實時信號處理系統(tǒng)的整體性能。但另一方面,隨著ADC和DAC向射頻方向前移,信號的采樣頻率也相應(yīng)地提高,使得DSP系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的帶寬成倍增長。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交換接口的瓶頸效應(yīng)日趨明顯,因而相應(yīng)地誕生了一批新的接口標(biāo)準(zhǔn)。PCI接口從1993年提出至今,得到了眾多計算機(jī)設(shè)備廠商的支持,已經(jīng)在PC機(jī)、工業(yè)控制等相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
無源雷達(dá)" title="無源雷達(dá)">無源雷達(dá)是利用非合作的外輻射源發(fā)出的信號作為探測信號(如廣播信號、電視信號、GSM手機(jī)基站信號等),從接收目標(biāo)反射的回波信號中提取目標(biāo)的方位、速度等參數(shù)的設(shè)備。與傳統(tǒng)的雷達(dá)相比,它是被動接收的,因此隱蔽性強(qiáng)。在隱身飛機(jī)出現(xiàn)后,無源雷達(dá)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。由于隱身飛機(jī)引入特殊的微波吸收材料,并采用了特別的外形設(shè)計,因而傳統(tǒng)的單基地毫米波雷達(dá)很難發(fā)現(xiàn)它。而無源雷達(dá)采用的探測信號是廣播電視號,由于廣播電視信號波長在米波范圍內(nèi),從而使針對毫米波波長設(shè)計的微波吸收材料失去作用;另外,在收發(fā)站的配置上,由于無源雷達(dá)設(shè)計為雙站或多站系統(tǒng)工作,因此也破壞了隱身飛機(jī)對收發(fā)同方向消隱發(fā)射電磁波信號的設(shè)計思路;因而無源雷達(dá)正成為對抗隱身飛機(jī)的有力武器。本文針對無源定位雷達(dá)信號處理機(jī)的應(yīng)用,利用PCI接口實現(xiàn)了將DSP處理結(jié)果快速實時地傳輸給PC機(jī),由PC機(jī)完成數(shù)據(jù)融合與顯示記錄等功能。
1 基于PCI接口的高速信號處理板卡的設(shè)計
圖1是該板卡的原理框圖。無源雷達(dá)接收機(jī)輸出的中頻(30MHz)窄帶(帶寬為200kHz)正交信號經(jīng)過緩沖、濾波后送入A/D變換器AD9051進(jìn)行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于采用直接中頻帶通采樣,不但降低了接收機(jī)的復(fù)雜度,而且減小了接收機(jī)的輸出噪聲電平,有利于提高接收機(jī)的靈敏度和動態(tài)范圍。采用30MHz的采樣頻率,數(shù)據(jù)流首先進(jìn)入FIFO存儲器IDT72V255中緩存。當(dāng)FIFO充滿時,EPLD(EMP7128)給TMS320C6701 DSP一個外中斷信號,啟動DSP的DMA傳輸,將FIFO中的數(shù)據(jù)快速地傳輸?shù)紻SP片外的同步突發(fā)靜態(tài)存儲器(Samsung K7A163601M)中。DMA傳輸結(jié)束后,DSP對采樣的數(shù)據(jù)作時-空二維相關(guān)處理[1],處理的結(jié)果首先寫入雙口RAM(IDT70V25)中。PCI總線與雙口RAM的數(shù)據(jù)交換,采用了郵箱寄存器(Mail Box)的方式進(jìn)行。具體實現(xiàn)如下:先在雙口RAM中的某一固定的地址處定義一個存儲單元作為雙方通信的“郵箱”,該存儲單元被稱作郵箱寄存器。數(shù)據(jù)通信的發(fā)起方先檢查郵箱寄存器是否為空,如果郵箱寄存器是空的,則將數(shù)據(jù)寫入雙口RAM中;否則就等待郵箱寄存器為空。數(shù)據(jù)的接收方不斷地查詢郵箱寄存器,如果發(fā)現(xiàn)郵箱寄存器的值為非空,則將雙口RAM中的數(shù)據(jù)讀入,同時將郵箱寄存器置為空值。利用這種方法的優(yōu)點是無需外加數(shù)據(jù)通信握手信號和邏輯,就可以直接完成雙向數(shù)據(jù)流的交換,對通信重復(fù)間隔長、數(shù)據(jù)塊大的傳輸十分適用。
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2 PCI接口設(shè)計
1991年下半年,Intel公司首先提出了PCI總線的概念,并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司,于1993年推出了PC局部總線標(biāo)準(zhǔn)——PCI總線。PCI是一套整體的系統(tǒng)解決方案,較其它只為加速圖形或視頻操作的局部總線優(yōu)越。PCI局部總線采用32位或64位數(shù)據(jù)總線,以33MHz或66MHz的時鐘頻率操作,可支持多組外圍部件及附加卡。在33MHz情況下,其數(shù)據(jù)傳送率高達(dá)132MB/s;在66MHz情況下,其數(shù)據(jù)傳送率翻倍。另外,它支持線性突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模式,可確保總線不斷滿載數(shù)據(jù)。外圍設(shè)備一般會由內(nèi)存某個地址順序接收數(shù)據(jù),這意味著可以由一個地址起讀寫大量數(shù)據(jù),然后每次只需將地址自動加1,便可接收數(shù)據(jù)流下一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。線性突發(fā)傳輸能夠更有效地利用總線的帶寬傳送數(shù)據(jù),以減少無謂的地址操作。在雷達(dá)信號處理中,對信號的實時性要求很高,這就要求信號傳輸?shù)膸捯銐蚋?PCI接口非常適合將高速信號處理模塊和計算機(jī)橋接在一起。目前PCI接口的設(shè)計一般采用兩種方法:其一是采用通用接口芯片完成。常用的芯片有:AMCC公司的S5933,PLX公司的PLX9054等。其二是采用EPLD或FPGA實現(xiàn)。這種方法可以針對自身的需要定制一定的功能,因而設(shè)計靈活性大,但必須嚴(yán)格遵循PCI總線的規(guī)范。采用通用接口芯片完成的好處是設(shè)計時可以不用關(guān)心PCI總線操作,只要處理好本地總線接口即可,設(shè)計簡單省時。本文采用PLX9054的C模式完成PCI接口功能。PLX9054有著獨(dú)立的本地總線(Local Bus),由它負(fù)責(zé)對雙口RAM進(jìn)行訪問控制。
3 EPLD控制時序的實現(xiàn)
EPLD選用Altera公司的EMP7128S，用它來完成ADC采樣控制、FIFO的讀寫控制、采樣結(jié)束中斷的產(chǎn)生等功能。采用Altera提供的MAXPLUS II集成開發(fā)環(huán)境軟件,它支持VHDL、Verilog HDL和AHDL語言,此外它還支持直接輸入原理圖的方式。本文采用AHDL語言編寫。圖2是仿真的時序圖,其中CLK是輸入的外時鐘信號,WR是FIFO的寫信號,ENCODE是ADC的采樣時鐘信號,TR是采樣觸發(fā)信號,INT是輸出的中斷信號。COUNT是數(shù)據(jù)采樣長度計數(shù)器,雖然FIFO可以提供全滿、半滿的標(biāo)志位,但僅以此作為中斷的產(chǎn)生條件,就限制了采樣長度的靈活性。為了在應(yīng)用中自定義采樣長度,實現(xiàn)對任意大小的數(shù)據(jù)(最大不超過FIFO的存儲深度)進(jìn)行采樣,設(shè)計中引入了采樣長度計數(shù)器。只要恰當(dāng)設(shè)置COUNT的計數(shù)初值(大小為采樣長度的補(bǔ)碼),使計數(shù)器溢出時給出INT中斷信號,就可以實現(xiàn)此項功能。ADC采用的是AD9051,它采用5級流水線(Pipeline)結(jié)構(gòu)輸出數(shù)據(jù),所以剛啟動采樣時,由于流水線未被充滿,前面輸出的5個數(shù)據(jù)是無效的,自第6個數(shù)據(jù)起才開始將A/D變換的結(jié)果存入FIFO中。
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4 SBSRAM接口設(shè)計
SBSRAM即同步突發(fā)靜態(tài)存儲器,其最大的優(yōu)點是讀寫速度高、不需要刷新。在同步突發(fā)模式下,只要外部器件給出首次訪問地址,則在同步時鐘的上跳沿,就可以在內(nèi)部產(chǎn)生訪問數(shù)據(jù)單元的突發(fā)地址,協(xié)助那些不能快速提供存取地址的控制器加快數(shù)據(jù)訪問的速度。由于TMS320C6701的EMIF(擴(kuò)展存儲器接口)可以按SBSRAM的速度提供地址,所以應(yīng)當(dāng)將SBSRAM的突發(fā)模式禁止(/ADV接高電平)。但這一點并不意味著降低讀寫性能。事實上由于DSP在每個數(shù)據(jù)訪問周期都可以連續(xù)地輸出新的地址和控制命令,仍然能實現(xiàn)突發(fā)模式下的峰值讀寫速度。由于對SBSRAM存取訪問的同步時鐘頻率在80MHz,所以高速數(shù)字信號在線路板上傳輸?shù)馁|(zhì)量特別重要[2]。
在進(jìn)行PCB設(shè)計時,信號完整性(SI,Signal Integrity)必須引起重視。它主要包括反射、振鈴、地彈、串?dāng)_等。以前進(jìn)行高速PCB設(shè)計時,對用戶經(jīng)驗要求很高,現(xiàn)在借助于EDA輔助軟件,信號完整性問題可以在設(shè)計中預(yù)見,并且采用一定的措施去控制。根據(jù)所選PCB的基材(介電常數(shù)、板厚),利用Agilent公司提供的免費(fèi)軟件AppCAD很容易計算傳輸線的阻抗,然后計算出最佳的端接匹配電阻。
在完成PCB設(shè)計后,利用HyperLynx的BoardSim功能可以驗證設(shè)計。BoardSim采用流行的IBIS模型(Input/Output Buffer Information Specification),在仿真時應(yīng)先將器件的IBIS模型加載到指定的端口中,設(shè)置時鐘的頻率與系統(tǒng)的工作頻率相等,連接好示波器的探頭,啟動仿真就可以看到仿真的結(jié)果。圖3是沒采用端接電阻的仿真波形,可以看到信號質(zhì)量非常差,振鈴和過沖現(xiàn)象嚴(yán)重。圖4是采用33Ω串行電阻端接的仿真波形,振鈴和過沖現(xiàn)象都有了很大的改善,信號質(zhì)量較好。
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5 DSP信號處理流程
DSP信號處理算法主要依據(jù)參考文獻(xiàn)[1]和[3],對信號進(jìn)行時間和頻率二維相關(guān)運(yùn)算。在時間維上的峰值可以計算出目標(biāo)的距離,在頻率維上的峰值可以計算出目標(biāo)的速度。信號處理流程圖如圖5所示。
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將PCI接口應(yīng)用到DSP系統(tǒng)中,加速了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?可以充分運(yùn)用PC機(jī)平臺上豐富的軟件和硬件資源,完成數(shù)據(jù)融合、目標(biāo)顯示、參數(shù)設(shè)置等任務(wù)。將運(yùn)算量大、實時性強(qiáng)的任務(wù)交給DSP芯片完成,充分利用了DSP芯片的特長,從而實現(xiàn)了PC機(jī)與DSP系統(tǒng)的優(yōu)勢互補(bǔ)。二者的有機(jī)結(jié)合可以構(gòu)建一個實時性強(qiáng)、界面友好、操控方便的信號處理系統(tǒng)。
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參考文獻(xiàn)
1 孫仲康,周一宇.單多基地有源無源定位技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社,1996:71～88
2 任麗香,馬淑芬,李方慧.TMS320C6000系列DSPS的原理與應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,2000：249～258
3 楊振起,張永順,駱永軍.雙(多)基地雷達(dá)系統(tǒng).北京:國防工業(yè)出版社，1998：207~252