（光学专业论文）高速ccd信号采集与局域网传输的实现.pdf

摘要 摘要 基于f p g a + d s p 的高速c c d 信号采集处理系统，将f p g a 强大的逻辑功能 与d s p 高速的数字信号处理能力相结合，具有结构灵活、开发周期短、易于维护 和扩展的特点，日益受到人们的关注与重视，并被广泛应用于工业检测、环境监 测、安保监控、科学测量等领域。 作为高速c c d 信号采集处理系统开发的重要组成部分，本文为系统实现高 速采集与局域网传输功能设计了相关的软件。利用f p g a 的高速片内存储器实现 了接收数据缓冲，使d s p 专注于数字信号处理；利用c p l d 与f p g a 的配合，修 正了a d c 输出延时造成的测量误差；设计网络接口芯片的通信软件，实现了系 统测量数据和计算机控制命令的相互传输，并局域网，充分发挥了远程传输和设 备共享的优势。对系统的测试表明，该系统工作正确、稳定，可满足实时快速检 测的需要。 关键词：c c df p g ad s p网络传输 a b s t r a c t a b s t r a c t h i g h s p e e dc c da c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nf p g aa n dd s p w h i c hc o m b i n ep o w e r f u ll o g i cf u n c t i o no ff p g aw i t hh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y o fd s ph a st h ea d v a n t a g e so ff l e x i b l es t r u c t u r e ，s h o r t d e v e l o p m e n tc y c l e ，e a s ym a i n t e n a n c ea n de x t e n d a b i l i t y t h es y s t e ma t t r a c t sm o r ea n d m o r ep e o p l e sa t t e n t i o n , a n dc a nb ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i a li n s p e c t i o n ，e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g ，s e c u r i t ym o n i t o r i n g ，s c i e n t i f i cm e a s u r e m e n ta n do t h e r f i e l d s r e l a t e ds o f t w a r e ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r to fh i g h - s p e e dc c ds i g n a l a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，i sd e s i g n e df o rt h es y s t e mt oa c h i e v eh i g h 。s p e e d a c q u i s i t i o na n dl o c a la r e an e t w o r kt r a n s m i s s i o n ar e c e i v e dd a t ab u f f e ri sa c h i e v e db y u s eo fc y c l o n e l i if p g a sh i 曲一s p e e do n c h i pm e m o r y , s od s pc a nb ef u l l ye m p l o y e d f o rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，a d cm e a s u r e m e n te r r o rc a u s e db yo u t p u t d e l a yi s a m e n d e dw i t ht h ec o o r d i n a t i o no fc p l da n df p g a t h ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e d e s i g n e do nt h eb a s i so ft h en e t w o r ki n t e r f a c ec h i p ，w h i c ha c c e s s e st ol o c a la r e a n e t w o r k ，r e a l i z e st h et r a n s m i s s i o no fm e a s u r e dd a t aa n dc o n t r o lc o m m a n d sb e t w e e n t h es y s t e mh a r d w a r ea n dc o m p u t e r t h et e s t sf o rt h es y s t e ms h o wt h a ti t w o r k s c o r r e c t l y , s t a b l ya n d m e e t st h ed e m a n do fr a p i da n dr e a l t i m ed e t e c t i o n k e y w o r d s ：c c d f p g ad s pn e t w o r kt r a n s m i s s i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期兰型! ，；! ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期兰丝：；，! 篁 日期丝! 里：主： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 伴随着科学技术的发展，光电检测系统在国防、工业及民用领域得到了越来 越广泛的应用，例如激光雷达、工件缺陷检测、管道泄漏检测、大气环境监测、 安保监控等。电荷耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是一种半导体光学成像 器件，由于具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、工作速度快、测量精度高、 寿命长等诸多优点，自其被提出的四十年来，受到人们的高度重视，c c d 现在已 经成为光学图像获取的主要器件，在工件尺寸测量，工件表面质量检测，物体 热膨胀系数检测，以及图像传真，摄像机，智能传感器等方面得到了广泛的应用。 c c d 利用光电转换原理将待测物的光场信息直接转换成电荷量信号，按指定时序 一路或多路串行输出，电荷量信号经必要的调理电路和处理软件处理可再现原待 测物的图像信息。线阵c c d 与一般的面阵c c d 的不同之处在于它只有一行光敏 成像单元，主要应用于高精度尺寸测量，图像扫描及光谱分析【2 j 。 随着高性能c c d 探测器、可编程逻辑器件f p g a 及数字信号处理芯片d s p 的出现，高速c c d 信号采集处理系统的工作频率、分辨率、精度以及抗干扰能 力等性能参数较传统的c c d 采集系统已经得到进一步的提高，高速动态目标的 识别和实时检测就成为发展的新方向【3 j 。 同时随着计算机技术和网络的发展，各种测控系统与网络的结合已经成为研 究热点。以太网络具有使用简便，价格低廉，稳定安全，兼容性好等特点1 4 j ，网 络接口不仅不需要像p c i 接口那样拆开计算机进行连接，而且在保持与u s b 接口 差不多速度和热拔插特性的情况下，能通过网线进行长距离的通信。利用计算机 与光电测量系统组成局域网，就能充分利用目前比较成熟的局域网设施，不仅能 实现更多资源的共享【5 】、降低组建系统的费用，还可提高系统的功能，并扩宽应 用范围。如果多光电测量系统接入局域网，一台计算机就可以对多系统进行控制 和数据的接收，例如接入多监控设备可扩展监控的范围，而访问不同的测量系统 则可实现不同功能。反之，如果单个测量系统接入局域网，就可以不必单独配置 实验用的计算机，在需要的时候局域网内任一计算机均可使用系统进行实验测量。 为满足高速光电信号的检测与处理需要，本论文研究的光电测量系统采用高 速线阵c c d 探测器、f p g a 、d s p 及计算机局域网相结合的方式，可完成被测图 像信息的快速采集、处理、存储及设备共享。系统充分地利用了高速线阵c c d 的速度优势、f p g a 强大逻辑控制功能、以及d s p 的高速信号处理能力，主要用 2 高速c c d 信号采集与局域网传输的实现 于空间光强分布及相关信号的检测与处理，若采用适当的光学系统和数字信号处 理方法，可满足多种用途的光电测量系统的需要，如光谱分析、激光粒度测量等， 实现对静态目标及动态目标的快速、准确的测量，同时系统接入局域网，充分发 挥远距离、共享设备的优点。与网络相结合的高速光电信号采集处理系统必将在 在大规模工业检测、环境监测、安保监控以及其他许多领域得到越来越广泛的应 用【6 2 1 。 1 2c c d 信号采集处理系统研究现状 c c d 信号采集处理系统需要完成从对c c d 输出图像信息的采集，到最后处 理成计算机能识别的数字信息的操作，一般要进行c c d 时序设计、a d c 转换、 数据传输与控制、相应的数据处理、系统与外设的接口设计等工作。绝大多数基 于线阵c c d 的图像采集设备都是采用分离模块搭建，目前比较通用的图像采集 处理系统通常都是由以下几个部分组成1 6 j ： ( 1 ) 光学传感器：作用是将光信号转变成为电压或电流信号，常用的有面阵 c c d 、线阵c c d 、c m o s 图像传感器、c i s 图像传感器。 ( 2 ) a d 转换模块：将从光学传感器接收到的信号通过模数转化变为数字信 号，以便处理。 ( 3 ) 同步及时序模块：用来控制c c d 的驱动时钟、各种同步控制时钟( a ，d 转换，数字信号存取) 以及存储器地址的产生。常用可编程逻辑器件c p l d 来实 现。 ( 4 ) 传输控制模块：主要用来实现数据缓存及控制数据传输。一般由单片机， f i f o ，f p g a 等来实现。 ( 5 ) 信号处理模块：常用计算机、单片机、d s p 、f p g a 等实现。 ( 6 ) 接口模块：常用的接口有并口、串口、s c s i 接口、p c i 接口、u s b 接 口、网络接口等等，可以根据不同的应用需要进行选择。 影响c c d 信号采集处理系统速度的关键因素主要有三个1 6 】：第一，c c d 芯 片的工作频率，这直接影响着系统的采集速度；第二，系统对数字信号的处理速 度；第三，数据的传输速度。这三个关键因素在设计时必须考虑周全，防止系统 瓶颈的产生，c c d 芯片一般为成品，其工作频率与性能已经固定，只要根据需要 进行选择即可，但是信号处理和数据传输方式具有较大的选择灵活性。 常用的信号处理方式主要有以下几种： ( 1 ) 通用计算机处理，将采集到的数据传入计算机，利用高级编程语言进行 信号处理，虽然通用计算机功能强大、使用方便，但是其自身的总线结构、以及 自身资源耗费在调用内部硬件和操作系统的情况严重，处理速度相对较慢，并不 第一章绪论3 适合对实时性要求较高的场合【1 3 11 1 4 1 。 ( 2 ) 单片机处理，但是由于单片机一般不属于专门的处理芯片，难以满足运 算量大、实时性要求较高的信号处理算法【l5 。 ( 3 ) 通用可编程d s p 芯片处理，d s p 芯片采用改进的哈佛总线结构，有专 门的硬件乘法器、累加器，能在单周期内完成乘累加运算；指令系统使用流水线 结构，具有良好的并行特性，并有专门设计的适合于图像信号处理的指令集等。 这种方法在实时处理系统中处于主导地位。另外，一些专用d s p 芯片可用于随信 号处理速度要求极高的场合，信号处理算法在芯片内部由硬件实现，无须编程。 但这种方式灵活性差，适用范围比较窄【1 6 1 8 】。 ( 4 ) f p g a 处理，近年来可编程逻辑器件取得了迅速的发展，其功能日益强 大，f p g a 内部可用逻辑资源飞速增长，推出的f p g a 都针对数字信号处理的特 点而做了相应的设计，集成了存储器、锁相环p l l 、硬件乘法器、d s p 模块等， 可使用硬件描述语言甚至f p g a 公司提供的开发软件，例如a l t e r a 的d s pb u i l d e r 支持m a t l a b ，利用f p g a 进行数字信号处理已经成为一种流行的趋势，但是较高 性能的d s p 还有一定的差距【1 9 2 2 1 。 ( 5 ) f p g a + d s p 处理，这种结构充分地利用了f p g a 的强大逻辑控制功能、 大量的内部逻辑资源和d s p 的数字信号处理优势，充分发挥其结构灵活、通用性 强的特点，两者协作可发挥各自的长处，f p g a 可实现高速数据的缓存与逻辑功 能，同时也可满足算法简单、运算量大的处理需要，而d s p 则专注于信号处理， 实现复杂的算法操作 2 3 3 1 j 。 使用网络芯片即可实现系统的网络访问的功能，而且网络芯片有着速度越来 越快，从有线到无线的发展趋势，目前应用较广的网络芯片有r e a l t e k 公司的 r t l 8 0 1 9 a s 3 2 1 、s m s c 公司的l a n 9 11 5 1 3 3 j 、d a v i c o m 公司的d m a 9 0 0 0 t 3 4 1 、i n t e l 公司的r t l 8 1 3 9 3 5 】、w i z n e t 公司的w 5 1 0 0 t 3 6 3 引、b r o a d c o m 公司的b c m 5 4 6 1s t 3 9 】 等，常用的无线网络芯片如s t m i c r o e l e c t r o n i c s 公司的s n 2 5 0 t 4 、m a r v e l l 公司的 8 8 w 8 6 8 6 4 l 】等，可根据需求选择合适芯片。 本论文基于正在开发中的高速c c d 信号采集处理系统，其分为硬件系统和 软件系统两大部分。楼维中【6 】完成了硬件系统的设计工作，包括器件的选型、p c b 制板以及部分调试。硬件系统由两部分组成：( 1 ) c c d 信号采集模块；( 2 ) 数 字信号处理传输模块。系统总体结构示意图如图1 1 所示。 4 高速c c d 信号采集与局域网传输的实现 一。1 广。一。一一。一。i 一 i- 计 f p g a d s p 网络芯片 - 叫 叫叫 l 算 i 芯片芯片 u s b j 广一 机ii iq 网络 - - r 一 ii i ii c c d 信号采集模块数字信号处理传输模块 图1 1 硬件结构示意图 驱动硬件正常工作并针对具体应用实现信号处理是系统软件设计的主要内 容，是整体系统能够正常工作的核心组成部分，系统软件的设计工作有以下几个 方面的内容： c c d 的驱动时序及a d c 采样时钟设计： f p g a 的逻辑功能设计； d s p 的应用软件设计； u s b 及网络接口的通信设计； 计算机应用软件的设计。 上述软件设计中，c c d 驱动及u s b 的通信设计已由楼维中【6 】完成，但c c d 驱动、a d c 的采样时钟及其输出延时问题仍需改进，d s p 和计算机的应用软件是 由李文俊蜊完成，而f p g a 的逻辑功能设计及网络接口的通信软件是本论文的重 点研究工作。 整套系统的工作流程如下：c c d 在由c p l d 器件产生的时序信号的驱动下对 光信号进行采集，通过a d c 转换将采集到的模拟信号变为适合于处理的数字信 号。经由f p g a 内部配置的两片双口r a m 存储器实现对采集到的数据进行乒乓 操作后，d s p 芯片对数据进行处理并将结果通过网络接口送入计算机进行数据显 示及分析。 1 3 本论文的研究内容及结构安排 基于已有的硬件电路，本论文进行了系统的软件设计与调试工作，使其能满 足高速c c d 的信号采集、传输及处理要求，可实现对目标的空间光强分布的实 时测量。主要研究内容如下： ( 1 ) 对c c d 驱动时序及a d c 采样时钟的设计改进，保证了c c d 的高速采 集，并针对a d c 的延时输出，进行了修正。 ( 2 ) 利用f p g a 实现对c c d 信号采集板的数据接收缓存操作，为d s p 提供 上电复位时序及总线片选信号。 ( 3 ) 网络接口通信的软件设计，实现了系统的局域网接入，不仅可进行数据 第一章绪论 5 的远距离传输，而且实现了局域网共享。 论文的主要章节安排如下： 第一章，介绍了本论文的研究背景及意义。c c d 信号采集处理系统总体概述 及发展现状，并提出了论文的研究内容。 第二章，硬件系统介绍。分别介绍了c c d 信号采集板和数字信号处理板的 硬件电路设计。 第三章，c p l d 与f p g a 中的软件设计。介绍了基于m a xi i 的c c d 驱动程 序改进和a d c 采样时钟的设计，配合f p g a 对a d c 输出延时进行修正，以及利 用c y c l o n e i i if p g a 的片内存储器实现数据流的乒乓操作，为d s p 提供上电复位 时序，设计总线片选信号。 第四章，网络接口的通信设计。设计了基于t c p 和u d p 模式的程序，可实 现d s p 与计算机的双向通信。 第五章，系统测试。对信号的高速采集以及网络接口传输进行了测试，并测 量了单模光纤的一阶彩虹强度分布。 第二章硬件系统设计舟绍 第二章硬件系统设计介绍 信号采集处理系统主要分为硬件系统嘲和系统软件两大部分，系统工作时， 需要两个部分的分工合作。硬件是软件的支撑平台，而软件是将设计思想和具体 功能实现的工具。因为硬件平台设计的决定了系统的性能上限，所以硬件的设计 要满足性能需求，并且保证结构合理、工作稳定。 线阵c c d 信号采集处理系统的硬件设计为了实现系统的模块化，方便升级 和维护，划分为信号采集板和处理板两个部分。下面将分别进行介绍。 2 1c c d 信号采集板介绍 c c d 信号采集板的正反面实物图如图2 1 中a ，b 所示。图a 中标示l ： a d 9 a 4 5 ( a d c ) ，标示2 ：t c d l 2 0 9 d ( c c d ) ，标示3 ：e p m 2 4 0 ( c p l d ) ，图b 中标 示4 为拨码开关，用来手动调整积分时间，标示5 为磁环，由于c c d 驱动时序 板由于存在着模拟地和数字地，硬件设计中将模拟地和数字地用铁氧体磁环单点 连接，这样有利于消除电容性耦合，提高电路的抗干扰性能。 图21c c d 信号采集板实物图( 为正面，b 为反面) 近年来c c d 的应用正向高速化、小型化、智能化发展，而当代的可编程逻 辑器件( f p g a 和c p l d ) 具有集成度高、速度快、可靠性好、易于编程重构等 优点，被广泛应用于多种数字逻辑电路的设计中。本系统就采用了基于c p l d 利 用硬件描述语言编程驱动线阵c c d 和a d c 工作的电路设计方案。c c d 信号采集 板的硬件框图如图2 2 所示 8 高速c c d 信号采集与局域网传输的实现 图2 2c c d 信号采集板的硬件框图 线阵c c d 作为采集电路板的核心器件，是整个系统信号采集性能标志， t c d l 2 0 9 d 最高工作频率为2 0 m h z ，像元数2 0 8 8 个，最快大约1 0 0 u s 就可以工 作一帧，可满足高速光谱信号的测量需求。 在采集电路板设计中，需要解决的两个关键问题是c c d 驱动时序和c c d 输 出信号的数字量化。硬件电路需要给c c d 提供正常工作所需要的逻辑时序脉冲 和偏置工作电压，使c c d 在输出端把将其光电转换得到的电荷量转变成电压量 输出。c c d 的驱动可以使用单片机、e p r o m 、专用i c 、可编程逻辑器件( p l d ) 等器件。其中可编程器件( p l d ) 驱动法与其他方法相比具有灵活性高的优点， 当需要改变驱动电路时序时，只需要对器件进行再编程即可，而无需更改硬件电 路。所以选用了a l t e r a 公司生产的低成本c p l d 芯片m a x i ie p m 2 4 0 ，可以为 c c d 提供驱动时序，并为a d c 提供采样时钟，具体将在第三章详细介绍。 a d c 负责将c c d 输出的模拟信号转换成信号处理板能够处理的数字信号， 它决定了采样的范围、精度与速度。为实现c c d 输出信号的高速采样，并且保 证采样的精度与范围，采用了a d i 公司生产的1 4 位高精度、高速度模数转换器 a d 9 4 4 5 。它性能优化，尺寸小，并易于使用，具有1 0 5 m s p s 的转换频率，工作 温度范围为- 4 0 。cn + 8 5 。c ，可根据用户需要选择l v d s 差分输出或者c m o s 输出方式。 a d 9 4 4 5 需要的低电压的差分输入时钟，同样由m a x i ie p m 2 4 0 提供。因 t c d l 2 0 9 d 的o s 管脚的实测输出电平为2 4 v 到4 2 v ，而a d 9 4 4 5 需要差分输入 的模拟信号，因此c c d 与a d c 之间放置了差分运放a d 8 1 3 9 ，保证a d 9 4 4 5 正 常将c c d 输出的模拟信号量化为数字输出。 2 2 数字信号处理板介绍 由上一节的介绍可知，信号采集板的工作就是将c c d 产生的模拟电信号转换 成1 4 位的数字信号通过并口送至数字信号处理板，而数字信号处理板主要实现信 第二章硬件系统设计介绍 号的处理及传输功能，数字信号处理板实物图如图2 _ 3 所示，其中标示1 至6 分 别为f p g a 、d s p 、u s b 、w 5 1 0 0 网络接口芯片、f l a s h 、备用的存储器扩展接 口。硬件结构如图2 4 所示，下面将具体介绍数字信号处理板的器件与接口设计。 图2 3 数字信号处理扳实物圈 图2 4 数字信号处理扳硬件结构图 本系统采用a l t e r a 公司的c y c l o n e i l l 系列的芯片e p 3 c 2 5 ，它的逻辑单元数量 为2 4 k ，片内嵌入式存储器容量为6 0 $ k b i t ，在系统中，f p g a 以其出色逻辑控制 功能给d s p 提供辅助，它主要完成以下三个功能：( 1 ) 为d s p 上电复位提供时 l o 高速c c d 信号采集与局域网传输的实现 序；( 2 ) 乒乓操作，在d s p 和采集板中间缓冲数据；( 3 ) 提供片选信号。具体将 在本文的第三章详细介绍。 由于f p g a 的掉电易失性，程序需要在a s 模式下通过j t a g 口下载到专用 的配置芯片e p c s l 6 ，上电以后f p g a 加载存储的程序。因为t c d l 2 0 8 d 产生的 一帧为2 0 4 8 个1 4 位的有效数据，为方便处理在f p g a 中扩展为1 6 位，高两位 接地，e p 3 c 2 5 芯片内部r a m 资源足够使用，所以不需要外接的s r a m 芯片或 者f i f o 芯片就可以实现乒乓操作，因此d s p 可从f p g a 中读取c c d 采集到数 据。d s p 与f p g a 的接口连接如图2 5 所示。 t s l o l a d d r f l 3 o 】 d a t a 1 5 o 】 m s l r d w r l i r q o r e s e t f p g a f a 1 3 0 】 f d 1 5 o 】 c sf p g a f p g ar d f j p g a 、) i ，r f p g as h d s pr e s e t 图2 5d s p 与f p g a 的接口 由于系统要处理的数据量较大，对处理速度的要求也很高，就要求d s p 具有 充足的片内资源和很高的内核工作频率。因此我们选用了a d i 公司的新一代的高 性能d s p 芯片t i g e r s h a r et s 1 0 1 。t s 1 0 1 的最高工作频率可以达到3 0 0 m h z ， 内部3 条1 2 8 位的数据总线可以实现高速的数据存取，6 m b i t 的片内r a m 足够存 储大量的程序和数据，丰富的接口包括主机接口、链路口、无缝连接的多d s p 共 享总线可以满足不同种类数据传输的需要，多种中断源可供选择方便t s 1 0 1 实现 各种控制。 当帧数据的缓存结束，下一帧数据开始缓存的时候，以s h 脉冲为标志， f p g a 通过d s p 的外部通用中断管脚m q o 请求触发外部中断，d s p 检测到外部 中断请求后，响应中断并启动d m a ，使用d m a 通道0 将f p g a 中的数据读取到 d s p 的内部存储区，完成后开始执行信号处理算法。d s p 进行d m a 读操作时送 出相应的地址、数据、和控制信号。其中数据总线接受来自f p g a 的1 6 位数据 f d 1 5 0 】，所以只接低1 6 位即可。f p g a 的1 4 位地址线f a 1 3 o 】，接到d s p 地 址总线的低1 4 位。 同样d s p 也属于掉电易失性器件，需要从外接存储器加载程序到片内r a m ， 外接存储器选用的是型号为s s t 3 9 v f 0 4 0 的f l a s h 芯片，其容量为4 m b i t 。电路 板中d s p 与f l a s h 的接口连接图如图2 6 所示。 第二章硬件系统设计介绍 t s l o f l a s h 图2 6 d s f 与f l a s h 的接口 在本系统电路板中的f l a s h 器件主要用来存储加载码和需要掉电保护的数 据。d s p 处理器耍将写好的程序代码生成i d r 文件，井写入f l a s h 中存储，以备 加电后自动加载。f l a s h 存储器加载只读取存储的低8 位数据，而给f l a s h 存 储器写一个字时，这个字驱动到外部总线1 3 1 ：0 】上。因此，在向f l a s h 写入数 据时，需事先编程将所有字节搬移到写出的低8 位。 u s b 芯片采用c y p r e s s 公司推出的c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片，带有e z - u s b f x 2 单片 机，通过计算机的u s b 接1 ：3 将数据传输至计算机，其最佳的传输距离为5 米，与 d s p 的连接如图27 所示。 s # l “e c f x 2 f i f o t s l 0 1 一一 _ 。 图27 u s b 与d s p 接口 w 5 1 0 0 是韩国w i z n e t 公司推出的一款集成硬件t c p i p 协议栈的网络芯片， 在系统中主要实现两个功能：( 1 ) 将d s f 处理的数据传输至计算机；( 2 ) 将计 算机发来的控制命令传给d s f 。这部分工作将在第四章详细介绍。 w 5 1 0 0 有三种与m c u 连接的接口方式t 直接总线接口、自 接总线接口和s f i 总线接口。在本系统中，c c d 信号采集板上选择的是直接总线接口方式。直接总 线接口采用1 5 位地址线，8 位数据线，另n c s ，r d ，w r 及i n t 等信号线。 w 5 1 0 0 与d s f 的接口连接如图2 g 所示。 j 2 高速c c d 信号采集与局域网传输的实现 c s w 5 1 0 0 c s w rw r a d s p t s l o l 承r d q ，r ，d 。w 5 1 0 0 l n t a d d r 1 4 ：0 】 a d d r 1 4 ：0 】 d a t a 7 ：0 一o 1 圈4 7 服务器模式( 左) 及客户端模式( 右) 示意图 由于实验室中实验系统只有一个可作为服务器端，而计算机较多，可作为访 问客户端，所以本文采用了服务器模式。服务器模式的软件流程如图4 8 所示： 团 应 图4 8 t c p 服务器模式的软件流程图 高速c c d 信号采集与局域网传输的实现 ( 1 ) 芯片初始化及s o c k e t 初始化：芯片初始化与u d p 模式的方法相同，然 后将s o c k e t l 设置为t c p 模式，设置源端口号，打开s o c k e t l ，查询s o c k e t l 状态 寄存器( s 1s r ) 是否处于s o c ki n i t 状态，确认t c p 模式是否打开成功。 ( 2 ) 侦听：设置s o c k e t l 的命令寄存器( s 1c r ) 为侦听状态，并查询s 1 一s r 是否处于s o c kl i s t e n 状态，设置不成功，则关闭s o c k e t l 返回f a l s e ，设置成 功则返回t r u e ，等待客户端的连接。 ( 3 ) 连接的建立：当收到远程客户端发来的连接请求，s 1s r 将变为 s o c ks y n r e c v 状态，w 5 1 0 0 将回复确认字符( a c k ) ，将状态改变为 s o c ke s t a b l i s h 。对状态进行查询，即可知道连接是否建立，连接建立以后， 就可以发送和接收数据了。 ( 4 ) 数据的接收和发送基本与u d p 模式相同。 ( 5 ) 数据收发完成后，查询客户端发送终止连接请求的方式有两种：一种是 查询s o c k e t l 的中断寄存器( s 1i r ) 的第1 位，d i s c o n 是否被置“1 ”，另一 种是查询s 1s r ，当收到终止连接请求时，将处于s o c kc l o s ew a i t 状态。 ( 6 ) t c p 模式超时的判断方法分为两种：一种与u d p 模式相同，查询s 1 一r 的t i m e o u t 位，另一种是s 1s r 是否处于s o c kc l o s e 状态。 ( 7 ) 终止连接并关闭s o c k e t ：若是客户端请求了终止连接，则向s l c r 写 入d i s c o n ，终止连接，然后再查询并关闭s o c k e t ，向s 1c r 写入c l o s e 。需 要注意的是先使用d i s c o n 命令，如果只写c l o s e 命令则只强行关闭了端口， 但是并没有进行终止连接过程。 4 5w 51 0 0 与计算机的通信设计 编程实现网络接入的方法主要有两种：( 1 ) 直接调用w i n d o w sa p i 函数， w i n d o w sa p i 是微软公司w i n d o w s 操作系统中的应用程序编程接口，可使用 c c + + 对其进行调用，优点是开但是开发难度相对较大。( 2 ) 利用集成网络相关 a p i 函数功能的控件，如w i n s o c k 、f a s t n e t 、i n d y 等控件集带有很多控件，优点 是开发难度小。 因c + + b u i l d e r 中集成了f a s t n e t 和i n d y 组件，u d p 的通信使用n m u d p 控件， t c p 客户端使用i d t c p c i i e n t 控件。 ( 1 ) u d p 的通信主要实现的是对信号处理板数据的接收，首先需要对 n m u d p 控件进行本地端口号、远程主机p 地址、端口号及事件响应进行设置， 如图4 9 所示， 第四章网络接口的通信软件设计 4 5 o b j e c ti n s 哪。r ”固o b j e c t i n s p e c t o r + 厨 n m u d p i t n m u d p p r o p e 舾le v e n t s i l o c a l p o r t4 4 5 0 l n a m e 疆二雹笺羽 r e m o l e h o s i1 9 2 1 6 8 0 1 0 0 - r e m o t e p o f t 4 4 5 0 r e p 研t l e v d 1 t a g 0 n m u d p it n m u d p 二 p m p e r t i e s e v e n t s l o n b u f f 日i n v 蒯 0 n d a t a ll e c 咖n m u d p id a t a r e o n d a t a s e n d 0 n l n v a l i d h o s i | 0 n s t a t l m o n s t m a m l n v a i l 7 i 图4 9n m u d p 属性设置( 左) 和事件响应设置( 右) 数据响应事件设置成功以后，则会生成n m u d p i d a t a r e c e i v e d 函数，在函数 中写入n m u d p i r e a d b u f f e r ( c h h + s c r o l l p o s ，n u m b e r b y t e s ，r c o u n t ) 语句，即可将数 据读入，然后进行数据的处理或结果显示。 ( 2 ) t c p 的通信主要实现将计算机的控制命令发送到数据处理板的功能， 关键设计流程就是设置服务器i p 地址和使用端口号、连接服务器、发送数据、断 开连接，以下是实现这些关键功能的程序： i d t c p c i i e m l h o s t = ”1 9 2 1 6 8 0 1 0 0 ”；设置t c p 服务器i p 地址 i d t c p c i i e n t l - p o r t = 4 0 0 5 ；设置通信端口 i d t c p c i i e n t l - c o n n e c t ( ) ；连接t c p 服务器 i d t c p c i i e n t l - w r i t e ( c o m m a n d ) ；发送控制命令 i d t c p c i i e n t l d i s c o n n e c t ( ) ；超时或发送成功后，断开连接 4 6 小结 本章主要针对系统的网络应用所涉及的协议、硬件、软件进行了简要介绍， 重点介绍了网络接口的通信软件设计，分别在d s p 及计算机中编程实现了u d p 模式和t c p 模式的通信，完成了将d s p 中的数据发送至计算机以及传输计算机 控制命令到d s p 的功能。 第五章系统测试 4 7 第五章系统测试 在第三章中重点介绍了利用c p l d 驱动c c d 以及a d c 工作的程序设计、利 用f p g a 接收a d c 输出的数字信号的软件设计，第四章介绍了通过网络接口实 现d s p 与计算机通信的软件设计，本章的内容就是对以上设计的验证及测试。 5 1 系统在高速工作下的性能测试 5 1 1 信号的高速采集测试 根据设计初衷，t c d l 2 0 9 d 的工作频率在1 m h z 2 0 m h z 之间，这样就意味着 数据的产生频率也在1 m h z 2 0 m h z 之间，本节的主要内容就是对接收数据的 f p g a 进行测试。 在t c d l 2 0 9 d 工作频率为2 0 m h z 的情况下，首先对f p g a 的乒乓操作的正 确性进行验证。正确的乒乓操作应满足两个条件：1 缓存模块的正确切换；2 整帧 数据的完整性。我们在f p g a 中设计了如图5 1 所示的一个模块来模拟c c d 信号 采集板输出的信号，利用c c d 信号采集板提供的s mc l k 和s h 产生已知数据，可 方便地对乒乓操作进行验证。 图5 1 模拟c c d 信号采集板输出信号的模块 在这个测试中，仍然需要连接c c d 信号采集板，乒乓操作模块只需将数据 接收端接到这个模块的数据输出端，与直接接收c c d 信号采集板数据相比较， 由于数据都是已知的，乒乓操作的正确与否一目了然。以s me l k 为时钟，s h 为 复位清零及切换的标志位，模块产生两组不同的数据：一组数以1 开始，从5 加 到2 0 5 1 ，共2 0 4 8 个数；另一组以2 开始，从5 加到2 0 5 1 ，共2 0 4 8 个数。在d s p 的j t a g 仿真调试情况下对f p g a 中的数据进行读取，并在v i s u a l d s p + + 中查看 d s p 内存相应的地址空间，如图5 2 所示。 高速o c d 信号采集与局域阿传输的实现 匠互z 互互正a 正= 翟翻- x t k h “ - j 口 皿= 工互互互疆e = 置捌x r xe rll_l，u t l b u f f 盱 “ fc9 e 0 k 】口o o 0 0 0 0 2o o e 0 0 0 0 s f0 8 0 0 2 e 0 0 0 0 0 0 0 60 0 4 0 0 0 0 ， f 。搴0 0 j 0 0 0 口d 0 0 0 80 0 0 0 0 0 0 ， f0 8 cd ! ：10 0 0 0 0 0 0 0 0 e 0 0 0 0 b f 蚴0 0 4 ：0 0 0 0 0 0 0 c0 0 a 0 0 d o d 00 0 d ：b3 0 0 0 0 0 0 0 eo g 口0 0 0 0 f h o ：b3 0 0 0 0 0 0 l a0 0 口0 0 0 1 l re 0 0 0 0 0 0 0 1 z0 0 口0 0 0 1 3 【1g ( i t k10 0 0 d 0 0 1 4 0 0 0 0 0 0 1 5 k # 口e 0 0 0 0 0 0 1 60 0 a 0 0 0 ” 【0 日0 0 口0 0 0 0 0 l b0 0 口0 0 0 l f0e 0 d 】0 0 0 1 1 f l o i 0 0 口0 0 0 1 e 00 0 】0 0 0 0 0 0 | c0 0 a 0 0 0 1 d fca 0 b 】0 0 0 0 9 0 1 e0 0 0 0 0 0 l f 0 b 】g 0 0 1 ) 0 0 2 00 0 0 0 0 0 2 i c 、0 0 0 d 0d 2 20 0 0 0 0 0 2 3v 图5 2 读取到d s p 内存中的模拟数据 这两组数是交替出现的，并且顺序正确、完整。由此可见，f p g a 中设计的 乒乓操作模块的功能正确，且实现了2 0 m i t z 的高速采集。凰5 3 为接收实测数据 的内存截图。 叵= = 盈= 暑卫墨= 互簟x m b n 三 口 h h “自 “ 【0 9 蛐j c 0 0 0 0 2 5 e ，0 0 0 0 2 s 3 3 ：0 8 r o j0 0 0 0 2 4 b d0r l o f l 2 ，d 【0 8 0 0 ：0 0 0 0 0 2 4 10 | 0 0 0 2 b b 【0 e c 0 ：z 0 0 0 0 2 70 0 0 0 2 1 ，7 ：u 0 。“0 0 0 0 2 5 ，0 0 0 0 2 7 4 c0 0 0 ，b 0 0 0 0 2 6 10 d 0 0 0 5 日 08 e 0 ：b 、0 0 0 0 2 4 2 70 0 0 0 2 4 3 i0b cn 。 0 0 0 0 2 40 10 0 d 0 2 17 f0b c 02 , 2 ；0 0 0 0 2 3 f 80d 0 0 2 4 0 c 。 图5 3 读取到d s p 内存中的实测数据 5 1 2 网络接口与局域网测试 在保证硬件电路的正确性情况下，w 5 1 0 0 网络芯片的正常工作除了相关软件 要符合工作流程以外，寄存器的读写也要满足需求，图5 4 、5 5 分别为寄存器读 时钟图和写时钟图，表5 1 为读，写时钟要求。 第五章系统测试 4 9 a d d r e s s c s r d a d d r e s s c s 图5 4 寄存器读时钟图 图5 5 寄存器写时钟图 表5 1w 5 1 0 0 读写时钟要求 描述m i nm a x描述m i n m a x 1 读时钟周期 8 0 n s 写时钟周期 7 0 n s 2有效地址n c s 下降沿8 n s 有效地址n c s 下降沿 7 n s 3