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,結合雙口" title="雙口">雙口RAM和EPLD邏輯電路,實現了TMS320C6701與PCI總線間的雙向高速實時數據交換" title="數據交換">數據交換;分析了DSP與SBSRAM接口信號的完整性,對PCB設計作了仿真分析。
關鍵詞: PCI? DSP? 數字信號處理
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隨著數字信號處理" title="信號處理">信號處理器(DSP)及其外圍支持芯片性能的提高,軟件無線電已經得到廣泛應用,大大增強了實時信號處理系統的整體性能。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地提高,使得DSP系統數據交換的帶寬成倍增長。傳統數據交換接口的瓶頸效應日趨明顯,因而相應地誕生了一批新的接口標準。PCI接口從1993年提出至今,得到了眾多計算機設備廠商的支持,已經在PC機、工業控制等相關領域得到了廣泛的應用。
無源雷達" title="無源雷達">無源雷達是利用非合作的外輻射源發出的信號作為探測信號(如廣播信號、電視信號、GSM手機基站信號等),從接收目標反射的回波信號中提取目標的方位、速度等參數的設備。與傳統的雷達相比,它是被動接收的,因此隱蔽性強。在隱身飛機出現后,無源雷達技術得到了廣泛的關注。由于隱身飛機引入特殊的微波吸收材料,并采用了特別的外形設計,因而傳統的單基地毫米波雷達很難發現它。而無源雷達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,從而使針對毫米波波長設計的微波吸收材料失去作用;另外,在收發站的配置上,由于無源雷達設計為雙站或多站系統工作,因此也破壞了隱身飛機對收發同方向消隱發射電磁波信號的設計思路;因而無源雷達正成為對抗隱身飛機的有力武器。本文針對無源定位雷達信號處理機的應用,利用PCI接口實現了將DSP處理結果快速實時地傳輸給PC機,由PC機完成數據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計
圖1是該板卡的原理框圖。無源雷達接收機輸出的中頻(30MHz)窄帶(帶寬為200kHz)正交信號經過緩沖、濾波后送入A/D變換器AD9051進行高速模數轉換。由于采用直接中頻帶通采樣,不但降低了接收機的復雜度,而且減小了接收機的輸出噪聲電平,有利于提高接收機的靈敏度和動態范圍。采用30MHz的采樣頻率,數據流首先進入FIFO存儲器IDT72V255中緩存。當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中的數據快速地傳輸到DSP片外的同步突發靜態存儲器(Samsung K7A163601M)中。DMA傳輸結束后,DSP對采樣的數據作時-空二維相關處理[1],處理的結果首先寫入雙口RAM(IDT70V25)中。PCI總線與雙口RAM的數據交換,采用了郵箱寄存器(Mail Box)的方式進行。具體實現如下: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。數據通信的發起方先檢查郵箱寄存器是否為空,如果郵箱寄存器是空的,則將數據寫入雙口RAM中;否則就等待郵箱寄存器為空。數據的接收方不斷地查詢郵箱寄存器,如果發現郵箱寄存器的值為非空,則將雙口RAM中的數據讀入,同時將郵箱寄存器置為空值。利用這種方法的優點是無需外加數據通信握手信號和邏輯,就可以直接完成雙向數據流的交換,對通信重復間隔長、數據塊大的傳輸十分適用。
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2 PCI接口設計
1991年下半年,Intel公司首先提出了PCI總線的概念,并聯合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司,于1993年推出了PC局部總線標準——PCI總線。PCI是一套整體的系統解決方案,較其它只為加速圖形或視頻操作的局部總線優越。PCI局部總線采用32位或64位數據總線,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,其數據傳送率高達132MB/s;在66MHz情況下,其數據傳送率翻倍。另外,它支持線性突發的數據傳輸模式,可確保總線不斷滿載數據。外圍設備一般會由內存某個地址順序接收數據,這意味著可以由一個地址起讀寫大量數據,然后每次只需將地址自動加1,便可接收數據流下一個字節的數據。線性突發傳輸能夠更有效地利用總線的帶寬傳送數據,以減少無謂的地址操作。在雷達信號處理中,對信號的實時性要求很高,這就要求信號傳輸的帶寬要足夠高,PCI接口非常適合將高速信號處理模塊和計算機橋接在一起。目前PCI接口的設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。這種方法可以針對自身的需要定制一定的功能,因而設計靈活性大,但必須嚴格遵循PCI總線的規范。采用通用接口芯片完成的好處是設計時可以不用關心PCI總線操作,只要處理好本地總線接口即可,設計簡單省時。本文采用PLX9054的C模式完成PCI接口功能。PLX9054有著獨立的本地總線(Local Bus),由它負責對雙口RAM進行訪問控制。
3 EPLD控制時序的實現
EPLD選用Altera公司的EMP7128S，用它來完成ADC采樣控制、FIFO的讀寫控制、采樣結束中斷的產生等功能。采用Altera提供的MAXPLUS II集成開發環境軟件,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是采樣觸發信號,INT是輸出的中斷信號。COUNT是數據采樣長度計數器,雖然FIFO可以提供全滿、半滿的標志位,但僅以此作為中斷的產生條件,就限制了采樣長度的靈活性。為了在應用中自定義采樣長度,實現對任意大小的數據(最大不超過FIFO的存儲深度)進行采樣,設計中引入了采樣長度計數器。只要恰當設置COUNT的計數初值(大小為采樣長度的補碼),使計數器溢出時給出INT中斷信號,就可以實現此項功能。ADC采用的是AD9051,它采用5級流水線(Pipeline)結構輸出數據,所以剛啟動采樣時,由于流水線未被充滿,前面輸出的5個數據是無效的,自第6個數據起才開始將A/D變換的結果存入FIFO中。
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4 SBSRAM接口設計
SBSRAM即同步突發靜態存儲器,其最大的優點是讀寫速度高、不需要刷新。在同步突發模式下,只要外部器件給出首次訪問地址,則在同步時鐘的上跳沿,就可以在內部產生訪問數據單元的突發地址,協助那些不能快速提供存取地址的控制器加快數據訪問的速度。由于TMS320C6701的EMIF(擴展存儲器接口)可以按SBSRAM的速度提供地址,所以應當將SBSRAM的突發模式禁止(/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在每個數據訪問周期都可以連續地輸出新的地址和控制命令,仍然能實現突發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,所以高速數字信號在線路板上傳輸的質量特別重要[2]。
在進行PCB設計時,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、串擾等。以前進行高速PCB設計時,對用戶經驗要求很高,現在借助于EDA輔助軟件,信號完整性問題可以在設計中預見,并且采用一定的措施去控制。根據所選PCB的基材(介電常數、板厚),利用Agilent公司提供的免費軟件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設計后,利用HyperLynx的BoardSim功能可以驗證設計。BoardSim采用流行的IBIS模型(Input/Output Buffer Information Specification),在仿真時應先將器件的IBIS模型加載到指定的端口中,設置時鐘的頻率與系統的工作頻率相等,連接好示波器的探頭,啟動仿真就可以看到仿真的結果。圖3是沒采用端接電阻的仿真波形,可以看到信號質量非常差,振鈴和過沖現象嚴重。圖4是采用33Ω串行電阻端接的仿真波形,振鈴和過沖現象都有了很大的改善,信號質量較好。
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5 DSP信號處理流程
DSP信號處理算法主要依據參考文獻[1]和[3],對信號進行時間和頻率二維相關運算。在時間維上的峰值可以計算出目標的距離,在頻率維上的峰值可以計算出目標的速度。信號處理流程圖如圖5所示。
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將PCI接口應用到DSP系統中,加速了數據傳輸的速度,可以充分運用PC機平臺上豐富的軟件和硬件資源,完成數據融合、目標顯示、參數設置等任務。將運算量大、實時性強的任務交給DSP芯片完成,充分利用了DSP芯片的特長,從而實現了PC機與DSP系統的優勢互補。二者的有機結合可以構建一個實時性強、界面友好、操控方便的信號處理系統。
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參考文獻
1 孫仲康,周一宇.單多基地有源無源定位技術.北京:國防工業出版社,1996:71～88
2 任麗香,馬淑芬,李方慧.TMS320C6000系列DSPS的原理與應用.北京:電子工業出版社,2000：249～258
3 楊振起,張永順,駱永軍.雙(多)基地雷達系統.北京:國防工業出版社，1998：207~252