1 前言

　　近年來,，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)和設(shè)計方法的迅速發(fā)展,，系統(tǒng)級芯片SOC的設(shè)計得以高速發(fā)展，這已成為業(yè)界熱點,。但是,，由于SOC產(chǎn)品設(shè)計具有開發(fā)周期相對較長、高成本和高風(fēng)險等特點,，對市場的變化非常敏感,，這使得SOC在消費電子、汽車電子,、工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展進程仍然緩慢,。與此同時，當(dāng)今的制造工藝能夠提供更多更高速的邏輯、更快的1/O和更低價位的新一代可編程邏輯器件,，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)己然進入嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域,，高性能FPGA也不再局限于引進系統(tǒng)粘合邏輯，也可作為SOC平臺,，而在過去,，由于性能緣故，只有專用集成電路（ASIC）或?qū)Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)才能達(dá)到相應(yīng)的要求,。不僅如此,，由于FPGA的現(xiàn)場可編程特征，它己成為更具靈活性和廣泛性發(fā)展前景的工業(yè)設(shè)計平臺,。

　　FPGA可輕易地被修改變更,、修復(fù)缺陷，或在用戶需要升級和配合市場發(fā)展時去創(chuàng)制未來的衍生產(chǎn)品,。這一趨勢在工業(yè)無線通信設(shè)計方面更加明顯,。當(dāng)考慮到上市時間、實施靈活性及未來過時等問題時,，采用FPGA作為專用芯片設(shè)計是一個最佳的項目實施方案,。

　　基于摩爾斯信號的通信是人類最早的無線通信方式，它仍應(yīng)用在海事移動通信,、航空移動通信,、廣播、衛(wèi)星通信當(dāng)中,。由于摩爾斯電碼信號通信的傳統(tǒng)性,、經(jīng)濟性和有效性，它在海事移動通信中仍占主導(dǎo)地位,，特別是船與船,、船與岸、岸與船之間的摩爾斯通信更是占據(jù)通信業(yè)務(wù)總量的80%以上,。

　　基于PC機的MORSE電碼信號自動處理己經(jīng)實現(xiàn),，但在海事移動通信中，它還是受到一些客觀條件的約束,，缺泛方便性和靈活性,。本文從基于FPGA平臺的專用芯片設(shè)計技術(shù)入手,，分析和設(shè)計了一種摩爾斯電碼的無線通信發(fā)射模塊設(shè)計方案,，并對設(shè)計進行了仿真驗證。

　　2 可編程邏輯電路設(shè)計方法

　　基于可編程邏輯電路的設(shè)計基本方法,，一種是傳統(tǒng)的系統(tǒng)硬件電路設(shè)計方法,，它是采用自下而上(bottom-up)的設(shè)計方法。另一種就是20世紀(jì)80年代開始興起的EDA(Electronic Design Automation)硬件電路設(shè)計方法。

　　隨著大規(guī)模專用集成電路的開發(fā)和研制,，為了提高開發(fā)效率和增加己有開發(fā)成果的可繼承性,，以及縮短開發(fā)時間，各種新興的EDA工具開始出現(xiàn),，特別是硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)的出現(xiàn),，使得傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方法發(fā)生了巨大的變革，新興的EDA設(shè)計方法采用了自上而下(top-down) 的設(shè)計方法,。所謂自上而下的設(shè)計方法就是從系統(tǒng)總體要求出發(fā),，自上而下地逐步將設(shè)計內(nèi)容細(xì)化，最后完成系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計,。利用語言對系統(tǒng)硬件電路的自上而下設(shè)計一般分為三個層次：第一個層次為行為描述,，它是對整個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的描述；第二層次是寄存器傳輸描述RTL,，又稱為數(shù)據(jù)流描述,； 第三層是邏輯綜合。

　　利用邏輯綜合工具,，可將RTL方式描述的程序轉(zhuǎn)換成為用基本邏輯元件表示的文件一門級網(wǎng)表,，也可將綜合結(jié)果以邏輯原理圖方式輸出，也就是說邏輯綜合結(jié)果相當(dāng)于在人工設(shè)計硬件電路時,，根據(jù)系統(tǒng)要求畫出了系統(tǒng)的邏輯電原理圖,。再對邏輯綜合結(jié)果在門電路級上進行仿真，并檢查定時關(guān)系,，如果一切正常,，那么系統(tǒng)的硬件設(shè)計基本結(jié)束。自上而下設(shè)計系統(tǒng)硬件的過程如圖一所示,。

圖一：自上而下設(shè)計系統(tǒng)硬件的過程

　　由邏輯綜合工具產(chǎn)生門級網(wǎng)表后,，在最終完成硬件設(shè)計時，還可以有兩種選擇：一種是由自動布線程序?qū)⒕W(wǎng)表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的ASIC芯片的制造工藝,，定制ASIC芯片,；第二種是將網(wǎng)表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PLD編程碼點，利用PLD器件完成硬件電路的設(shè)計,。

　　3 基于FPGA的摩爾斯碼功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　摩爾斯電碼被視為一種開關(guān)鍵控的數(shù)據(jù)模式,，摩爾斯電碼中的‘劃’比‘點’的時間長3～4倍，不同的‘點’和‘劃’組合形成長短不一的摩爾斯電碼,，不同的摩爾斯電碼表示不同的電報符號,。發(fā)信者先將所要傳遞的文字翻譯成電報符號，再利用電報機發(fā)送出去,，收信者將收到的電報符號翻譯成報文,，以此實現(xiàn)無線文字的傳播,。目前通過微機模擬的方法實現(xiàn)摩爾斯碼信號的自動處理，使無線摩爾斯碼信號數(shù)據(jù)進入計算機信息網(wǎng)的方案已得到解決,，利用微機處理摩爾斯的方案是先通過軟件編程的方法將ASCLL碼進行摩爾斯編碼,，然后通過微機并口發(fā)送摩爾斯電碼信號，接收時,，先通過聲頻卡來識別接收摩爾斯電碼信號,，最后通過軟件解碼成ASCLL碼，此方法在成本相對較高,，在實際應(yīng)用中缺乏方便性和靈活性,。

　　根據(jù)海洋通信業(yè)務(wù)的要求，MORSE碼處理系統(tǒng)功能定義為:其一,、根據(jù)指令自動編碼,、串行發(fā)送MORSE碼。即根據(jù)指令可自動提取ASCLL碼,，再將ASCLL碼自動編碼成摩爾斯編碼,，將編好的MORSE碼自動串行發(fā)送輸出。其二,、根據(jù)指令自動接收,、解碼摩爾斯碼，并將ASCLL碼送入系統(tǒng),。即根據(jù)指令自動接收摩爾斯碼輸入,，將接收的摩爾斯碼自動解碼成ASCLL碼。將ASCLL碼存儲至目標(biāo)地址或送入系統(tǒng)處理,。

　　通過對摩爾斯碼特點的研究可知,，在設(shè)計摩爾斯碼收發(fā)模塊中必須要有能接收和發(fā)送摩爾斯碼信息幀的串行異步通信模塊。首先,，該串行通信模塊在指令的控制下,，要具有摩爾斯碼的自動發(fā)送能力，同時具有MORSE碼的識別接收能力,，因為摩爾斯碼串行異步幀的起始位和停止位都不同于ASCLL碼串行異步幀,，并且不同的摩爾斯碼串行幀長度也不一樣。二是摩爾斯碼的解碼和編碼問題,，因為計算機內(nèi)核是以ASCLL碼為信息交換碼的,。

　　由此而來，只要設(shè)計出具有接收和發(fā)送MORSE碼串行信息幀功能,，并且具有解碼和編碼摩爾斯碼功能的串行通信子模塊,，并將其嵌入在系統(tǒng)總線上，則用計算機直接處理MORSE碼就成為可能,。據(jù)此分析,，可以得出摩爾斯碼收發(fā)模塊的設(shè)計要求,，一方面能從串行接收端將摩爾斯碼解碼成并行的ASCLL碼,，另一方面能將并行的ASCLL碼編碼成串行摩爾斯碼,。由此，本文設(shè)計的基于FPGA的摩爾斯碼收發(fā)模塊內(nèi)部組成框圖如圖二所示,。

圖 二：基于FPGA的摩爾斯碼收發(fā)模塊內(nèi)部組成框圖

　　該處理系統(tǒng)的主要功能模塊有：

• 　　核心控制模塊
• 　　總線控制模塊
• 　　可編程中斷處理模塊
• 　　可編程并行I/O接口（P0,、P1、P2,、P3）
• 　　可編程串行接口單元（SIU）
• 　　可編程定時計數(shù)器0～3（Timer0~Timer3）
• 　　可編程摩爾斯碼異步收發(fā)模塊

　　中斷處理模塊有4個外中斷源（int0~int3）和6個內(nèi)中斷源（TF0~TF3,、T1/R1、mT1/mR1）,，SIU是系統(tǒng)的通用串行接口,，它有4種工作模式，工作模式1～3是通用串行異步接收發(fā)送USART（Universal Serial Asynchronous Receiver/Transmitter）工作方式,。當(dāng)SIU工作于工作模式1或3時,，Timer1是其波特率發(fā)生器。

　　4 仿真與驗證

　　設(shè)計的驗證包括功能仿真,、時序仿真和電路驗證,。仿真驗證往往是借助第3方提供的EDA開發(fā)工具軟件包或?qū)Ｓ梅抡婀ぞ哕浖韺崿F(xiàn)的。電路驗證還需要開發(fā)驗證平臺,，對于系統(tǒng)級芯片驗證平臺的設(shè)計也是一項艱巨而不能回避的任務(wù),。

　　本文選用的是Altera公司的MaxPlusII作EDA開發(fā)工具，MaxPlusII編譯器支持功能仿真（前仿真）和時序仿真（后仿真）,。完成源代碼（VHDL）設(shè)計輸入之后,，若要進行功能仿真，則在MaxplusII/Compile下,，通過選擇Processing菜單下的Functional SNF Extractor命令,，打開功能仿真器網(wǎng)表文件（SNF）提取器，再進行編譯仿真,；若要進行定時模擬（時序）仿真,，則須在MaxPlusII/Compile下，選擇Processing菜單中的Timing SNF Extractor命令,，打開定時模擬器網(wǎng)表文件提取器來進行編譯仿真,。

　　電路驗證就是器件編程測試過程。對于常規(guī)的芯片設(shè)計,，時序仿真結(jié)束后,，仿真軟件就可以產(chǎn)生供器件編程使用的數(shù)據(jù)文件。對EPLD/CPLD來說,，是產(chǎn)生熔絲圖文件,，即JED文件,，對于FPGA來說，是產(chǎn)生位流數(shù)據(jù)文件（Bitstream Generation）,，然后將編程數(shù)據(jù)下載到對應(yīng)的具體可編程器件中去,，然后對其進行實際環(huán)境的電路測試。

　　本文選擇CLK頻率為25MHZ,，波特率為25M/16＝1562500bps,。當(dāng)發(fā)送字符‘7’，執(zhí)行發(fā)送命令后,，將啟動數(shù)據(jù)發(fā)送的進程,，將字符‘7’的ASCLL碼值送入ASCLL碼發(fā)送緩存器，通過MaxPlusII的Simulator仿真器,，進行時序仿真驗證,，研究結(jié)果如圖三所示。從圖中可看出,，串行信號端子輸出的“2長劃”,，“3點”，經(jīng)查表對應(yīng)的就是摩爾斯數(shù)字‘7’,，證明數(shù)據(jù)發(fā)送是正確的,。另外當(dāng)數(shù)據(jù)輸出結(jié)束后，立刻置高電平,，即產(chǎn)生中斷信號mTI,字符‘7’的發(fā)送用時大約10us,。

圖 三：仿真驗證數(shù)據(jù)

　　5  創(chuàng)新點總結(jié)

　　本文的創(chuàng)新點在于提出了一種基于FPGA的無線通信收發(fā)模塊，并以當(dāng)今海事通信中占重要地位的摩爾斯電碼為例,，研究了摩爾斯電碼的數(shù)字化編碼方法,，并通過大量的分析設(shè)計和實驗仿真，實現(xiàn)了基于FPGA處理摩爾斯電碼的收發(fā)模塊,，仿真結(jié)果也驗證了本文所設(shè)計的摩爾斯電碼數(shù)字化編碼方法正確可行,，工作運行可靠。