（信号与信息处理专业论文）改进型td网iu接口光信号采集卡硬件设计与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着科技的飞速发展，移动通信技术发生了一次又一次的革命性巨变。由我国 自主提出并得以运营的第三代移动通信标准t d s c d m a 及其业务更是填补了国际 通信标准领域“中国创造”的空白，丰富了人民的信息化生活方式。一个成功的通 信网络除了本身需要先进成熟的技术支撑外，也离不开其赖以生存的诊断医生 通信测试仪。 t d 网络中包含不同的接口，每个接口以不同的方式承载不同的信息，而t d 网 络中连接r n c 与核心网的i u 接口是其中一个极为重要的接口，移动用户的语音与 数据信息通过此接口由无线网络控制器传输到核心网上。通过采集i u 接口上的高层 信令来进行分析，有利于相关人员检测和解决网络中出现的问题。因此设计一种针 对i u 接口数据进行采集的板卡是十分必要的。 为顺应市场的激烈竞争、满足移动通信网测试的需要，本文提出了一种改进的 t d 网络i u 接口光信号采集卡的硬件设计方法，并对其工作原理及整个设计过程进 行了全面的分析介绍。 文章首先对改进方案及芯片器件的选型进行了较为详细的说明，并侧重描述了 采集卡硬件电路的具体设计，详解了板卡的每个部件及功能模块的设计方法，如： 处理器模块、外围存储模块、光信号收发模块、成帧模块、板级控制与状态寄存器 模块、电源及时钟模块等；其次在完成电路原理图的基础上对测试用p c b 板的具体 设计进行了细致的描述；接着对电路板上的高速传输线系统进行了信号完整性分析， 详细阐述了电路板各模块的硬件调试内容、方法及步骤，实现了l i n u x 操作系统内 核到板卡的移植、引导装载程序u - b o o t 的配置及相关芯片的初始化程序设计；然后 在成功调试完各模块后，对系统进行了整机调测，验证了硬件开发平台的可行性， 并对调试中出现的问题及解决方法进行了论述：最后对产品的开发成果和不足以及 进一步的工作和改进作了概括。 关键词：i u 接口，复合嵌套式，光信号采集卡，电路设计，硬件调试 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g yo fm o b i l e c o m m u n i c a t i o nh a su n d e r g o n et h er e v o l u t i o n a r yc h a n g e so v e ra n do v e ra g a i n p r o p o s e d a n dt ob ei n d e p e n d e n tf r o mt h eo p e r a t i o no f l i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t a n d a r dt d s c d m aa n di t sb u s i n e s si st of i l lt h ef i e l do fi n t e r n a t i o n a lc o m m u n i c a t i o i l s s t a n d a r d si nt h eb l a n ka b o u t ”c r e a t e di nc h i n a ”，n c ht h ep e o p l e sl i f e s t y l eo ft h ei n f o r - m a t i o n as u c c e s s f u lc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kn o to n l yr e q u i r e st h es u p p o r to ft h e a d v a n c e da n dm a t u r et e c h n o l o g y , b u ta l s ob ei n s e p a r a b l ef r o mt h es u r v i v a ld o c t o r sw h o d i a g n o s ei t - t h et e s t e r so f t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h ed i f f e r e n ti n t e r f a c e sa r ec o n t a i n e di nt dn e t w o r k ，e a c hi n t e r f a c ec a r r yd i f f e r e n t i n f o r m a t i o ni nd i f f e r e n tw a y s ，t h ei ui n t e r f a c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n t e r f a c e t h r o u g hw h i c ht h er n ca n dt h ec o r en e t w o r ka r ec o n n e c t e di nt h et dn e t w o r k m o b i l e u s e r sv o i c ea n dd a t ai n f o r m a t i o na r et r a n s m i t t e dt ot h ec o r ei n t e m e tt h r o u g hi ui n t e r f a c e b yt h er a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r b ya n a l y z i n gt h eh i g h - l e v e ls i g n a l i n gw h i c hi sc o l l e c t e d 协i ui n t e r f a c ei sc o n d u c i v et ot h er e l e v a n ts t a f ft od e t e c ta n dr e s o l v en e t w o r kp r o b l e m s t h e r e f o r e ，t od e s i g nad a t aa c q u i s i t i o nb o a r di sv e r yn e c e s s a r yf o r t h ei ui n t e r f a c e t om e e tt h em a r k e t sf i e r c ec o m p e t i t i o na n dt h en e e d so ft e s t i n ga b o u tt h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k ，ad e s i g nm e t h o do fa c q u i s i t i o nc a r da b o u to p t i c a ls i g n a li nt d n e t w o r ki ui n t e r f a c ew h i c hi si m p r o v e di sp r e s e n t e d ，a n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h e w h o l ed e s i g np r o c e s sa r ea n a l y z e da n di n t r o d u c e d f i r s t ，t h ep r o g r a mi m p r o v e da n dt h es e l e c t i o no fc h i pd e v i c ea led e s c r i b e di nd e t a i l ， a n df o c u so nd e s c r i b i n gt h es p e c i f i cd e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i to ft h ea c q u i s i t i o nc a r d , t h e d e s i g nm e t h o d so fe a c hc o m p o n e n ta n df u n c t i o nm o d u l ea b o u tb o a r da r ee x p l a i n e d , i n c l u d i n g t h ep r o c e s s o rm o d u l e 、t h ee x t e r n a lm e m o r ym o d u l e 、t h eo p t i c a l s i g n a l t r a n s c e i v e rm o d u l e s ，t h ef r a m i n gm o d u l e 、t h eb c s rm o d u l e 、p o w e ra n dc l o c km o d u l e s a n ds oo n ；s e c o n d , b a s i n go nc o m p l e t i n gt h ec i r c u i td i a g r a m ，t h ed e s i g no ft h ep c bw h i c h i su s e dt ot e s ti sd e s c r i b e di nd e t a i l ；t h e n ，t h ec o n t e n t s 、m e t h o d sa n ds t e p sa b o u tt h e h a r d w a r ed e b u g g i n go ft h ee a c hm o d u l ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，t h el i n u xo p e r a t i n g s y s t e mk e r n e li st r a n s p l a n t e dt ot h ec a r d 、t h eu - b o o to ft h ec a r di sc o n f i g u r a t e da n dt h e i n i t i a l i z a t i o np r o c e d u r ed e s i g n sa b o u tt h e c h i p - r e l a t e da r ea c h i e v e d ；a f t e rs u c c e s s f u l d e b u g g i n go fe a c hm o d u l e ，t h ew h o l es y s t e mo f t h ea c q u i s i t i o nc a r di st e s t e d , d e m o n s t r a t e t h ef e a s i b i l i t yo fh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n dt h ep r o b l e m sa n ds o l u t i o n sa b o u t 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t d e b u g g i n g a r ed i s c u s s e d ；f i n a l l y , t h er e s u l t sa n dl a c ko fp r o d u c td e v e l o p m e n ta n df u r t h e r i m p r o v e m e n to ft h ew o r ka r es u m m e du pi na r t i c l e k e y w o r d s ：i ui n t e r f a c e ，c o m p l e xn e s t e d a c q u i s i t i o nc a r do fo p t i c a ls i g n a l ，c i r c u i td e s i g n ， h a r d w a r ed e b u g g i n g i i i 重庆邮电大学硕士论文 插图清单 图2 图2 图2 图2 插图清单 1t d s c d m a 网络系统结构图5 2采集卡改进方案架构图8 3a t m 复用进s d hs t m l 中的映射图9 4采集卡数据处理流程1 1 图3 1采集卡硬件平台整体框架图1 4 图3 2m p c 8 2 8 0 结构功能框图1 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 2 2 图4 2 3 m p c 8 2 8 0 外部信号2 1 单一m p c 8 2 8 0 总线存储器扩展模式2 3 m p c 8 2 8 0 内部p c i 模块功能结构框图2 4 p c i 总线接口插销电路原理图2 5 m p c 8 2 8 0g 2 内核处理器外部总线接口设计电路原理图2 6 m p c 8 2 8 0u t o p i a 2 接口主模式信号传输图2 7 m p c 8 2 8 0u t o p i a 2 接口电路设计原理图2 9 m p c 8 2 8 0 与s 2 9 g l l2 8 m 的连接示意图3 0 f l a s hr o m 电路设计原理图31 s d r a m 与m p c 8 2 8 0 的连接示意图3 3 s d r a m 扩展电路原理图3 4 f p g a t 0 1 4 4i o 引脚信号定义3 5 t q l 4 4 的具体设计电路原理图3 9 m p c 8 2 8 0 串口电平转换电路原理图4 0 采集核心板接口插槽设计原理图4 1 光电收发器电路连接示意图4 2 4 路光信号采集收发器详细电路原理图4 3 p m 5 3 5 1 与m p c 8 2 8 0 及光电转换收发器连接示意图4 4 p m 5 3 5 1 电路设计原理图4 5 接口板插销设计连接示意图4 6 采集接口板接口插销设计4 7 系统时钟信号零延时设计电路4 9 系统稳压电路设计4 9 v i 重庆邮电大学硕士论文插图清单 图4 2 4 测试p c b 板布局图5 3 图4 2 5 特殊信号线布线5 4 图4 2 6 测试p c b 板成功完成布线及修整后全图5 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 传输线阻抗匹配示意图5 8 采集卡b o o t l o a d e r 过程5 9 采集卡硬件调试系统6 0 m p c 8 2 8 0 上电初始化过程6 4 a t m 协议下f c c l 参数r a m 的初始化和f c c l 中断初始化流程6 5 k 4 s 5 616 3 2 e 初始化过程时序6 6 调测k 4 s 5 6 1 6 3 2 e 芯片数据线的操作流程6 7 s 2 9 g l l2 8 m 的块擦除操作时序6 9 s 2 9 g l l 2 8 m 的编程操作时序7 0 擦除操作与编程操作程序流程7 0 跳变位d q 6 的查询算法流程7 1 p m 5 3 5 1 环回模式调测结果显示界面7 3 p m 5 3 51 的初始化流程7 4 采集卡系统启动信息7 6 v i i 重庆邮电大学硕士论文 表格清单 表格清单 表2 1传统式与嵌套式采集卡设计比较7 表3 1芯片选型信息及功能任务表1 9 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 表4 9 表4 1 0 表4 1 1 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表5 8 表5 9 表5 1 0 表5 1 1 参与互连设计的6 0 x 总线管脚功能定义表2 3 m p c 8 2 8 0u r o p 认2 接口信号定义2 7 s 2 9 g l l 2 8 m 的引脚功能定义3 0 m p c 8 2 8 0 内部实际的3 2 位地址代表的含义3 2 m p c 8 2 8 0 行列地址复用相关寄存器位段值配置3 3 k 4 s 5 6 1 6 3 2 e 引脚功能描述3 4 寄存器b c s r 0 b c s r 7 各位段功能表3 7 调试用j t a g 口的引脚定义4 0 h s f p 0 3 3 3 11 s 1 2 f 的主要管脚功能描述4 3 主要芯片的封装信息表5 2 特殊信号线布线要求5 4 调试过程中主要用到的命令6 0 系统存储器地址分配6 1 寄存器m s r 各位的配置值6 2 针对f l a s h 的寄存器b r 0 各位具体值配置情况6 2 针对s d r a m 的寄存器b r l 各位具体值配置情况6 3 针对b c s r 的寄存器b r 2 各位具体值配置情况6 3 针对成帧器的寄存器b r 3 各位具体值配置情况6 3 k 4 s 5 6 1 6 3 2 e 调测主要用到的函数6 7 s 2 9 g l l 2 8 m 调试程序中用到的主要函数7 2 光电转换收发器性能指标7 4 物理层成帧器性能指标7 5 v l i l 重庆邮电大学硕士论文缩略语 缩略语 t d s c d m at i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分同步 码分多址 u t o p i au n i v e r s a lt e s ta n do p e r a t i o np h yi n t e r f a c ef o ra t m异步传输 通用测试及操作物理层接口 s d h s t m 1 a t m r n c aa i ， r i s c d m a c p m f c c s c c s i u s d r a m b c s r g p c m j t a g p c i t t l p e c l f i f o s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d u l e 一1 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r a t m a d a p t a t i o nl a y e r r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r d i r e c tm e m o r ya c c e s s c o m m u n i c a t i o np r o c e s s o rm o d u l e f a s tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r s y s t e mi n t e r f a c eu n i t s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y b o a r dc o n t r o la n ds t a t u sr e g i s t e r g e n e r a l p u r p o s ec h i p s e l e c tm a c h i n e j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t t r a n s i s t o r - t r a n s i s t o rl o g i c p o s i t i v ee m i t t e rc o u p l e dl o g i c f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t i x 同步数字体系 同步传输模块1 异步传输模式 无线网络控制器 异步传输模式适配层 精简指令集计算机 直接存储器访问 通信处理器模块 快速通信控制器 串行通信控制器 系统接口单元 同步动态随机存取存储器 板级控制与状态寄存器 通用片选控制机制 联合测试行动小组 外设组件互连标准 晶体管晶体管逻辑 正射极耦合逻辑 先进先出队列 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 2 0 0 8 年4 月1 日，中国移动正式开始了1 0 个城市t d s c d m a 社会化业务测试 及商用，标志着t d s c d m a 技术已经正式跨入市场化的新阶段。 t d s c d m a 在中国国内1 0 城市试商用网成功服务奥运会，此举证明 t d s c d m a 技术已经成熟，产业链完整壮大，并且产业链各环节企业已经建立起可 满足大规模商用的产能，可以很好地提供商用服务。 t d s c d m a 测试仪器仪表的研发及产业化，是整个产业链的重要组成部分，通 过三年的市场磨练，相关的测试仪器仪表得到了显著提升。国内的移动、联通、电信 三家运营商分别组建了以t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 为标准的3 g 网络， 但是到目前为止，针对t d s c d m a 系统实验研发、建网和运行的网络测试设备的自 主研发力度还不够大，依然是其庞大产业结构链中比较薄弱的一环，这一现状必须得 到及时解决【l j 。 1 2 课题来源及意义 现阶段国际上传统的通信测试仪表厂商主要侧重于w c d m a 以及c d m a2 0 0 0 标准开发产品，如美国著名的通信测试设备研发公司安捷伦、雷卡；德国的罗德施瓦 茨；日本的安利、爱德万等在光网络，交换网络，接入网，核心网等通信网络领域有 着独立研发的先进测试仪器，而针对我国自主知识产权的t d s c d m a 标准的网络测 试设备还并不完善，针对相关产品的自主研发还不够重视。目前安立、安捷伦、雷卡 公司以及中国的一些研发企业，如中创信测、重邮东电等都针对此领域推出了测试产 品，但还有些方面不令人满意。因此完善t d s c d m a 产业链，自主研发相关的测试 产品，丰富市场具有极其重要的战略意义，必将产生巨大的经济和社会效益。 此课题来源于本人在一家通信设备制造公司参与实习时开发的项目。“改进的 t d 网络i u 接口光信号采集卡”的设计因市场需要应运而生，它满足了运营商在维 护网络方面的需要，有效地缓解了t d s c d m a 网络测试仪领域供不应求的局面，也 有利于进一步完善国家力推的t d s c d m a 技术及产业结构链。更重要的是改进的板 卡与现有的产品相比，在设计方面更具优势，充分体现了打造节约型社会及科学可持 续发展的价值理念，它的出现将刺激相关产品的竞争，从而丰富现有的t d s c d m a 测试仪市场。 重庆邮电大学硕士论文 1 3 课题主要任务 本人在公司实习时主要承担产品的硬件开发任务，为后续从事板卡采集功能实 现的设计者提供一个可靠、有效、稳定的开发平台。采集卡硬件平台的搭建是整个 项目的基础，所有的采集功能开发都是通过此平台完成，因此，在设计的过程中务 必保证每一个部件、每一个模块都能有条不紊地实现其特定功能，这就要求设计者 在设计的过程中必须一丝不苟，详抓每一个细节，这样才能确保开发的顺利完成。 从采集对象i u 接口入手，考虑到数据采集与处理过程中涉及的相关通信协议等 因素，应先对采集卡的功能进行分析，确定每种功能的实现需要设计哪些模块，然 后给出整体的设计方案。方案确定后需对此进行可行性分析，对各功能模块涉及到 的芯片与器件进行选型，综合考虑其电气特性和功能特点，选择性价比最优者。 在搜集相关芯片器件资料后，对其进行全面深入的阅读与了解，力求熟练掌握 其相关知识，接下来就是进行具体的采集卡电路原理图和测试用p c b 的设计了。电 路原理图的设计是以采集卡所要实现的功能为目的的，因此在芯片及器件的互连过 程中应对号入座，设计出满足需要的电路，确保每个连接关系正确无误。p c b 的设 计是比较大的工程，它在原理图无误的情况下才能顺利进行，否则设计出的p c b 是 不能满足要求的。规范的p c b 设计要求从元件封装、布局、布线到最后的覆铜定型 都需要高质量，高标准的进行，确保每个信号线上的高频信号都能无失真传输。 采集卡成形后，需对板卡的各个功能模块及整体进行调试，确认各个部件能否 正常工作，整体能否运行起来。遇到问题时，必须仔细检查测试，直到调试通过。 主要工作任务概括如下： 了解“改进型t d 网i u 接口光信号采集卡”的系统组成及工作原理，认识 国内外对相关产品的研究和开发现状，对产品进行相关的市场调研。 根据电子行业开发要求，确定采集板卡的技术指标，对产品开发进行可行 性分析。 在可行性的基础上对采集卡进行硬件的总体构架设计，选择合适的芯片， 电子元器件及其型号。 设计具体的电路，绘制电路原理图，制作p c b 板，焊接元器件。 调试采集卡并与软件联调，确定板卡能够正常启动。 所有工作都需有条不紊地按要求进行，每个细节都需一丝不苟，只有做到这样， 项目才能顺利进行与最终完成。 1 4 论文结构 本文侧重于描述改进型t d 网i u 接口光信号采集卡的硬件部分设计与实现，并 2 第一章绪论 对采集卡硬件调试过程进行了分析。论文主要包括以下几章内容： 第一章介绍了课题的背景、来源及意义，明确了课题的主要任务。 第二章介绍了光信号采集卡的改进方案，从理论层次分析了采集卡相关的工 作原理。 第三章提出了改进的光信号采集卡硬件的总体设计方案，对设计所需的芯片 进行了选型。 第四章着重在硬件电路板的设计。详细描述了采集核心板与接口板上每个模 块的电路原理图，对其工作特点进行了分析；最后对测试p c b 板的设计进行了详细 介绍。 第五章着重在采集卡的硬件调试。对板卡信号完整性进行了分析；介绍了板 卡的引导启动过程；对主要芯片的调试内容、步骤与方法等进行了详细描述；最后 成功启动并获取了板卡相关的信息。 第六章总结全文，并展望了未来的工作。 重庆邮电大学硕士论文 4 第二章光信号采集卡的改进方案及工作原理 第二章光信号采集卡的改进方案及工作原理 2 1 采集卡的应用介绍 下图2 1 为t d s c d m a 网络系统结构图，连接网络设备的每个接口具有不同的 含义，承载信息的方式也各异。所以针对不同接口的数据采集需要能够完成相应采 集功能的不同板卡来实现，这些数据采集卡主要用来实现t d 网的呼叫跟踪、业务 统计及分析、网络优化与异常分析、协议分析和仿真等功能；完成对t d 网络完整 性、稳定性、一致性、互操作性等相关性能的测试工作1 2 1 。它的主要测试接口包括 i u b 、i u r 、i u c s 、i u p s 、n c 、f i b 、唰g p 、g i 等，而i u ，i u b ，i u r 为t d 系统主要 的测试端口【3 1 。本课题为针对i u 接口开发的光信号数据采集板卡，用来实现对核心 网c s 域及p s 域中i u 接口高层信令的采集。 ；围困回国； ： 接入网 ： ：_ i 图2 1t d s c d m a 网络系统结构图 t d 网络目前处于一个全面完善和发展的阶段，网络系统在实际运行过程中常 常因为设备本身存在的隐患以及其他外界环境因素的影响而出现用户终端的串话、 通话掉线、无法拨通等通信质量问题。为了及时有效地查出网络故障，准确无误地 对设备进行检修，t d 网络i u 接口光信号采集板卡可以有效地对i u 接口高层信令进 行采集分析，从而有助于解决网络故障问题。 改进的t d 网络i u 接口光信号采集板卡是采用以p o w e r p c 为核心，结合成熟 的应用芯片及相关元器件组成的一个集成系统。整个板卡是由多个能够完成特定功 能的模块构成，相互协调工作，以此来实现系统的采集功能。采用这种方法设计出 的板卡具有可行性，其安全性和稳定性也能够得到保障，从而能满足市场的需要。 重庆邮电大学硕士论文 2 2 采集卡的改进方案 2 2 1 采集卡改进的理论分析 目前市场上相关的采集板卡大都采用单板设计( 传统一体式设计) ，即板卡上的 中央处理模块和其他功能模块集成在一块板卡上。本课题采用的是板卡复合嵌套方 案，整个采集卡由中央处理核心板及数据采集接口板两块独立的板卡组成，两块板 卡采用嵌套模式，即将接口板嵌入核心板组成一个完整的板卡进行数据的采集。 t d s c d m a 网络不同的接口上传输的数据的承载方式是不同的，对于i u 光口， 高层信令以a t m 信元的形式承载于s t m 1 光信号上进行传输【4 】，而对于连接n o d e b ( t d 移动基站) 与i 矾c ( 无线网络控制器) 的l u b 接口，信令是以e l ( 3 0 3 2 路 脉冲编码调制标准) 的形式承载于s t m 1 光信号上进行传输的。因此，要对这两个 接口进行数据采集的话，一般要用两块不同的采集板卡，而本课题设计的嵌套式采 集卡相对来说更具有优势，它具有兼容性，能够将不同的采集接口板与核心板结合 起来实现不同的采集功能。 以采集i u 接口与i u b 接口的信号为例，采用传统方案设计必须要用到两块集成 了不同采集功能的板卡：一块采用a t mo v e rs d h ( 数字同步系列承载a t m 信元) 模式，另一块采用i m a e lo v e rs d h ( 数字同步系列承载经a t m 反向复用的e 1 信 号) 模式，这两块板卡都要集成中央处理最小系统。而嵌套式方案将中央处理最小 系统独立出来，单独对它进行设计，调试过程中可对它进行独立的处理，调通后就 只需对剩下的两个接口板进行调试，这样就避免了传统设计中对中央处理最小系统 的重复设计与调试，从而降低了开发设计的复杂度与工作量。 由以上分析可知：嵌套式设计方案在实现i u 接口与i u b 接口信号采集功能时省 去了一整块中央核心板设计的费用，以此类推，如果要实现更多的接口数据采集功 能，只需更换不同的接口板，并与同一块中央核心板嵌套即可，这样就能省去多个 中央核心板的设计费用，能成倍地降低设计及调试的复杂度和工作量。 经项目预算可知：一块接口板的研发费用大约占整个费用的4 0 ，核心板费用 大约占6 0 。采用嵌套式方案实现i u 接口与i u b 接口光信号采集的设计成本将节约 3 0 左右，若实现i u 、i u b 、i u r 接口的数据采集功能的设计成本可节约4 0 左右， 如果要实现更多的接口采集功能，则成本节约会更高。 假设需要实现n ( n 2 ) 个接口的采集功能，由上可知，若设节约成本百分比为 a c ，理论上，采用嵌套式方案能够节约的成本范围约为： 6 0 x ( 2 - 1 ) a c l i m 6 0 ( n - 1 ) ，( n 2 ) ( 2 1 ) 1 0 0 2 一一一 1 0 0 n 。 即： a c ( 3 0 ，6 0 ) 。 6 第二章光信号采集卡的改进方案及工作原理 核心板和接口板设计与调试的复杂度相仿，且工作量与复杂度成正比，大约各 占5 0 。若设降低的复杂度与工作量百分比分别为心，a g ，则理论上，采用嵌套 式方案能够降低的复杂度和工作量范围约为： 5 0 x ( 2 - 1 ) ( a f ：g ) ，j 器懈墟号 懈一一一 、，j一 控争舱与酶藉 复制号畏撵钉 一一枞一一 一蝴煳斛鹪黼 重庆邮电大学硕士论文 输入端口，同时取另8 个i o 口作为内部寄存器读写数据输入输出端1 3 ，3 根地址线 的寻址空间为8 ( 即内含8 个寄存器) ，且寄存器外部数据总线宽度为8 位。内部寄 存器空间由状态位与控制位构成，状态位用来存储板卡硬件基本配置信息；控制位 的不同位段值代表不同的控制信息，用来对板卡上其它模块进行相应的控制。 m p c 8 2 8 0 采用g p c m 的存储器控制机制，以访问外部存储器的方式对t q l 4 4 内部 寄存器进行读写。 m p c 8 2 8 0 的复位与部分控制功能。m p c 8 2 8 0 的外部有三个不同的复位信号 输入引脚，它们分别是p o r e s e t ( 上电复位) 、h r e s e t ( 硬复位) 、s r e s e t ( 软复位) ，三种复位信号都是在低电平时才有效。上电复位实现所有硬件与软件的 初始化；硬复位与上电复位不同之处在于它不复位内部的锁相环；软复位只对 m p c 8 2 8 0 的g 2 、c p 内核及部分逻辑单元进行复位，因此可以根据不同的复位对象 选择相应的复位方式，使操作更灵活有效。t q l 4 4 的3 个复位i o1 ：3 与m p c 8 2 8 0 的 3 个复位端相连，通过复位信号的输入来实现不同的复位功能。m p c 8 2 8 0 的部分控 制状态信号也是通过t q l 4 4 的i o1 2 1 输入输出，如缓冲控制信号( b c t l ) 与p c i 模式选择信号( p c 垤o d e ) 等。 f l a s h 的复位与部分控制功能。f l a s h 的复位通过t q l 4 4 来实现，除此 之外，t q l 4 4 还负责输出写保护信号给f l a s h ，同时f l a s h 的繁忙与等待状态信 号r yb y 也是通过t q l 4 4 反馈给m p c 8 2 8 0 的。 光电收发器的部分控制与模式定义功能。t q l 4 4 对采集接1 2 1 板上光电收发 器执行部分信号控制与状态反馈，而且收发器的工作模式也是通过t q l 4 4 的i o 口 不同的信号值来定义的。 成帧器的控制信号时序调整与部分控制功能。由于m p c 8 2 8 0 存储器控制信 号时序与物理层成帧器所要求的读写及控制信号时序存在差异，为了准确地读写成 帧器的配置寄存器信息，要求时序的统一，因此设计过程中将成帧器内部寄存器的 片选、读写控制、地址锁存及复位等信号输入到t q l 4 4 内部配置的锁相环电路中进 行时序调整，然后将调整后的信号输出到成帧器的相应引脚上，从而完成寄存器的 读写操作。 采集接口板扩展功能。不同接口板由于物理层芯片的不同，所以在互连设 计上也会有较大的差异。为了实现不同接口板的兼容，一个有效的办法就是将核心 板上可能与不同接口板互连的所有信号线引向插槽，这里t q l 4 4 的所有i o 口都通 过信号线连在了插槽的特定连接点位置，目的在方便不同接口板的扩展。 以上功能需要通过设置t q l 4 4 内部的相关状态控制寄存器来实现。本系统设计 了8 个b c s r 寄存器( b c s r 0 b c s r 7 ) ，每个寄存器包含3 2 位，但在设计过程中 只使用每个寄存器的卜7 位，8 3 1 位保留为以后的扩展所用。 第四章光信号采集卡硬件电路板设计 b c s r 0 ：负责6 0 x 总线s d r a m 控制交错模式设定； b c s r l ：负责m p c 8 2 8 0 的复位与p c i 工作模式选择； b c s r 2 ：负责f l a s h 的复位与部分状态控制； b c s r 3 ：负责光电收发器的部分状态控制； b c s r 4 ：负责物理层成帧器的校正信号输入； b c s r 5 一b c s r 7 ：保留，待扩展。 寄存器b c s r 0 一b c s r 7 各位段的功能如下表4 7 所述： 表4 7 寄存器b c s r 0 - b c s r 7 各位段功能表 b c s r 0 寄存器位位段名称功能描述 6 0 x 总线s d r a m 控制交错模式设定 0p b i旺采用体交错模式 l 一采用页交错模式 1 7 保留保留 8 3 1 保留 保留 b c s r l 寄存器位位段名称 功能描述 m p c 8 2 8 0 上电复位控制 om p c 8 2 8 0p r s t旺不执行复位 1 一执行复位 m p c 8 2 8 0 硬复位控制 1m p c 8 2 8 0h r s t不执行复位 1 一执行复位 m p c 8 2 8 0 软复位控制 2m p c 8 2 8 0s r s t旺不执行复位 1 一执行复位 p c i 总线工作模式选择 3 p c im o d e旺选择从模式 1 一选择主模式 4 7保留保留 8 3 1 保留保留 b c s i 也 寄存器位位段名称功能描述 重庆邮电大学硕士论文 f l a s h 复位控制 0f l a s hr s t旺不执行复位 1 一执行复位 f l a s h 写保护控制 1 f l a s hw p 0 一不执行写保护 1 一执行写保护 f l a s h 准备繁忙信号反馈 2f l a s hi b 偶 旺正在进行擦出编程操作( 繁忙) 1 擦出编程操作，进入可读模式( 准备) 3 7 保留保留 8 3 1 保留 保留 b c s r 3 寄存器位位段名称功能描述 光电收发器发送错误指示 ot r e rt ) 【f a u l t旺正常工作 1 一差错指示 光电收发器内部发送器禁用 1 t r e r1 x d i s a b l e旺光信号输出使能 1 一光信号输出禁用 2 7 保留保留 8 3 1 保留 保留 b c s i h 寄存器位位段名称功能描述 成帧器传输帧校正信号输入控制 0f r a m e rt f p i旺无校正信号 1 一有校正信号 l - 7 保留保留 8 3 1保留 保留 b c s r 5 一b c s r 7 保留 下图4 1 3 为t q l 4 4 的具体设计电路原理图。设计中t q l 4 4 需完成的6 项功能 是通过v h d l 硬件编程语言来实现的。t q l 4 4 的配置下载文件保存在外部的一片 p r o m ( 掉电后配置信息依然保存其中) 1 1 5 ，每次上电启动时，它需要从p r o m 的 3 8 第四章光信号采集卡硬件电路板设计 特定地址处读取配置文件来对其内部电路进行构建。t q l 4 4 被设定为主串模式( 在 读取配置文件的过程中，t q l 4 4 作为主器件，p r o m 作为从器件，以串行传输方式 读入配置信息) ，即t q l 4 4 的配置模式引脚m 【o ：2 输入应为低电平，如下图4 1 3 所示：引脚m o ：2 以接地的方式实现主串模式的配置l l 引。 p r o m 采用x i l i n x 公司型号为x c f 0 8 p 的芯片，b c s r 内部寄存器映射到 m p c 8 2 8