摘? 要: 介紹了PCI接口的基本功能和特點(diǎn);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(shí)現(xiàn)了TMS320C6701與PCI總線間的雙向高速實(shí)時(shí)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(hào)的完整性,對(duì)PCB設(shè)計(jì)作了仿真分析,。

　　關(guān)鍵詞: PCI? DSP? 數(shù)字信號(hào)處理

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　　隨著數(shù)字信號(hào)處理" title="信號(hào)處理">信號(hào)處理器(DSP)及其外圍支持芯片性能的提高,軟件無(wú)線電已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,大大增強(qiáng)了實(shí)時(shí)信號(hào)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(hào)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(zhǎng),。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(jì)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(wú)源雷達(dá)" title="無(wú)源雷達(dá)">無(wú)源雷達(dá)是利用非合作的外輻射源發(fā)出的信號(hào)作為探測(cè)信號(hào)(如廣播信號(hào),、電視信號(hào),、GSM手機(jī)基站信號(hào)等),從接收目標(biāo)反射的回波信號(hào)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(dòng)接收的,因此隱蔽性強(qiáng),。在隱身飛機(jī)出現(xiàn)后,無(wú)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(jì),因而傳統(tǒng)的單基地毫米波雷達(dá)很難發(fā)現(xiàn)它,。而無(wú)源雷達(dá)采用的探測(cè)信號(hào)是廣播電視號(hào),由于廣播電視信號(hào)波長(zhǎng)在米波范圍內(nèi),從而使針對(duì)毫米波波長(zhǎng)設(shè)計(jì)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(wú)源雷達(dá)設(shè)計(jì)為雙站或多站系統(tǒng)工作,因此也破壞了隱身飛機(jī)對(duì)收發(fā)同方向消隱發(fā)射電磁波信號(hào)的設(shè)計(jì)思路;因而無(wú)源雷達(dá)正成為對(duì)抗隱身飛機(jī)的有力武器,。本文針對(duì)無(wú)源定位雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的應(yīng)用,利用PCI接口實(shí)現(xiàn)了將DSP處理結(jié)果快速實(shí)時(shí)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(hào)處理板卡的設(shè)計(jì)

　　圖1是該板卡的原理框圖,。無(wú)源雷達(dá)接收機(jī)輸出的中頻(30MHz)窄帶(帶寬為200kHz)正交信號(hào)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(dòng)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(chǔ)器IDT72V255中緩存,。當(dāng)FIFO充滿時(shí),EPLD(EMP7128)給TMS320C6701 DSP一個(gè)外中斷信號(hào),啟動(dòng)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(chǔ)器(Samsung K7A163601M)中,。DMA傳輸結(jié)束后,DSP對(duì)采樣的數(shù)據(jù)作時(shí)-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(shí)現(xiàn)如下:先在雙口RAM中的某一固定的地址處定義一個(gè)存儲(chǔ)單元作為雙方通信的“郵箱”,該存儲(chǔ)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(shí)將郵箱寄存器置為空值,。利用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需外加數(shù)據(jù)通信握手信號(hào)和邏輯,就可以直接完成雙向數(shù)據(jù)流的交換,對(duì)通信重復(fù)間隔長(zhǎng),、數(shù)據(jù)塊大的傳輸十分適用。

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2 PCI接口設(shè)計(jì)

　　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(shí)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(huì)由內(nèi)存某個(gè)地址順序接收數(shù)據(jù),這意味著可以由一個(gè)地址起讀寫大量數(shù)據(jù),然后每次只需將地址自動(dòng)加1,便可接收數(shù)據(jù)流下一個(gè)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(wú)謂的地址操作。在雷達(dá)信號(hào)處理中,對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求很高,這就要求信號(hào)傳輸?shù)膸捯銐蚋?PCI接口非常適合將高速信號(hào)處理模塊和計(jì)算機(jī)橋接在一起,。目前PCI接口的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn),。這種方法可以針對(duì)自身的需要定制一定的功能,因而設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)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(jì)簡(jiǎn)單省時(shí),。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(duì)雙口RAM進(jìn)行訪問控制。

3 EPLD控制時(shí)序的實(shí)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(yǔ)言,此外它還支持直接輸入原理圖的方式。本文采用AHDL語(yǔ)言編寫,。圖2是仿真的時(shí)序圖,其中CLK是輸入的外時(shí)鐘信號(hào),WR是FIFO的寫信號(hào),ENCODE是ADC的采樣時(shí)鐘信號(hào),TR是采樣觸發(fā)信號(hào),INT是輸出的中斷信號(hào),。COUNT是數(shù)據(jù)采樣長(zhǎng)度計(jì)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(zhǎng)度的靈活性,。為了在應(yīng)用中自定義采樣長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)對(duì)任意大小的數(shù)據(jù)(最大不超過FIFO的存儲(chǔ)深度)進(jìn)行采樣,設(shè)計(jì)中引入了采樣長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器,。只要恰當(dāng)設(shè)置COUNT的計(jì)數(shù)初值(大小為采樣長(zhǎng)度的補(bǔ)碼),使計(jì)數(shù)器溢出時(shí)給出INT中斷信號(hào),就可以實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能。ADC采用的是AD9051,它采用5級(jí)流水線(Pipeline)結(jié)構(gòu)輸出數(shù)據(jù),所以剛啟動(dòng)采樣時(shí),由于流水線未被充滿,前面輸出的5個(gè)數(shù)據(jù)是無(wú)效的,自第6個(gè)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(jì)

　　SBSRAM即同步突發(fā)靜態(tài)存儲(chǔ)器,其最大的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(chǔ)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(diǎn)并不意味著降低讀寫性能,。事實(shí)上由于DSP在每個(gè)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(shí)現(xiàn)突發(fā)模式下的峰值讀寫速度。由于對(duì)SBSRAM存取訪問的同步時(shí)鐘頻率在80MHz,所以高速數(shù)字信號(hào)在線路板上傳輸?shù)馁|(zhì)量特別重要^[2],。

　　在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí),信號(hào)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(jì)時(shí),對(duì)用戶經(jīng)驗(yàn)要求很高,現(xiàn)在借助于EDA輔助軟件,信號(hào)完整性問題可以在設(shè)計(jì)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(jì)算傳輸線的阻抗,然后計(jì)算出最佳的端接匹配電阻。

　　在完成PCB設(shè)計(jì)后,利用HyperLynx的BoardSim功能可以驗(yàn)證設(shè)計(jì),。BoardSim采用流行的IBIS模型(Input/Output Buffer Information Specification),在仿真時(shí)應(yīng)先將器件的IBIS模型加載到指定的端口中,設(shè)置時(shí)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(dòng)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(hào)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(hào)質(zhì)量較好,。

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5 DSP信號(hào)處理流程

　　DSP信號(hào)處理算法主要依據(jù)參考文獻(xiàn)[1]和[3],對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間和頻率二維相關(guān)運(yùn)算,。在時(shí)間維上的峰值可以計(jì)算出目標(biāo)的距離,在頻率維上的峰值可以計(jì)算出目標(biāo)的速度。信號(hào)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(tái)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(shí)時(shí)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(zhǎng),從而實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與DSP系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。二者的有機(jī)結(jié)合可以構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)性強(qiáng),、界面友好,、操控方便的信號(hào)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(wú)源定位技術(shù).北京:國(guó)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(guó)防工業(yè)出版社,，1998：207~252