（信号与信息处理专业论文）基于fpga和cpci的中频波形显示控制技术研究.pdf

摘要 被动雷达系统本身不发射电磁波，完全是被动工作方式，具有很强的隐蔽性 和威慑力，随着科技的发展，雷达电子战发展到了一个新的阶段，被动雷达系统 在军用任务中扮演着越来越重要的角色，日益受到各国的广泛关注。 中频波形实时显示是被动雷达系统显示技术中的一项重要内容，对中频波形 实时显示控制技术进行研究，在工程应用中具有现实意义。本文正是结合实际要 求和现有的技术条件，提出了一种高存储的中频波形实时显示控制系统的硬件实 现方案，并在此基础上完成了系统的设计和联调测试。该系统采用f p g a 为核心 控制芯片，前端对接收的2 0 0 m b s 中频数据流解码并进行数据处理后，将其缓 存于大容量内存条d d r 2s d r a m 内，后端通过p c i 与主机进行通讯，接收波形 显示控制命令，从而根据控制参数对波形进行处理，并将处理之后的视频数据， 送入后面显示模块进行显示。该模块与接口模块、显示模块及主机通讯由c p c i 总线接口完成，主要实现了波形的实时显示、暂停、放大缩小、左右移和波形的 滚动等控制功能。由于波形显示控制完全用硬件来实现，未占用主机c p u 时间， 因此具有实时性等优点。 本文首先介绍了系统的总体方案设计，然后分别从系统的硬件设计、f p g a 逻辑设计、系统软件三部分，详细介绍了中频显示控制模块的实现方法，最后给 出了系统测试的结果。通过实验证明，该系统实现了波形显示控制的主要功能， 达到了预期目标，具有实际工程应用价值。 关键字：中频数据，实时波形显示，f p g a ，c p c i ，d d r 2s d r a m a b s t r a c t p a s s i v er a d a rw o r k si na p a s s i v em o d ea n di td o e s n tt r a n s m i tr a d i ow a v e ，s oi ti s e a s yt ob eh i da n di sag r e a tt h r e a tt oe n e m y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n i q u e s ， r a d a re l e c t r o n i cw a rh a sp r o m o t e dt oan e ws t a g e p a s s i v er a d a rs y s t e mp l a y sam o r e a n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nm i l i t a r yt a s ka n di sc o n c e r n e db ym o s to ft h ec o u n t r i e s i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yr e a lt i m ed i s p l a yi st h ek e yp a r to fc o n t r o ld i s p l a yi n p a s s i v er a d a rs y s t e ma n dt h er e s e a r c h o ni th a sag r e a ts i g n i f i c a n c ei np r o j e c t a p p l i c a t i o n t h i sp a p e rc o m b i n e st h en e e d o fa c t u a lr e q u i r e m e n ta n de x i s t i n g t e c h n o l o g yc o n d i t i o n s ，a n db r i n g sf o r w a r da c a s eo fr e a lt i m ed i s p l a ys y s t e mh a r d w a r e r e a l i z a t i o nf o rh i g hc a p a c i t yi fw a v e f o r md i s p l a y , w h i c hi sp a s s e db yo n l i n et e s t i n g t h es y s t e ma d a p t e df p g aa sac p u ，2 0 0m b si fd a t as t r e a m sa r er e c e i v e da n d p r o c e s s e db yf r o n tm o d u l e ，t h e ns t o r e di nl a r g ec a p a c i t yd d r 2s d r a m t h er e a l p a r tc o m m u n i c a t e s 埘t l lh o s tb yp c ib u sa n dr e c e i v e sd i s p l a yc o n t r o lc o m m a n d ，t h e n p r o c e s s e sw a v e f o r ma c c o r d i n gt ot h e6 0 m m a n da n dt r a n s m i t st h ep r o c e s s e dv i d e od a t a t od i s p l a ym o d u l ef o rd i s p l a y i n g t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h i sm o d u l ea n df r o n t i n t e r f a e em o d u l ea n dr e a r d i s p l a yb o a r di sr e a l i z e db yc p c ib u s ，a n dt h em a i n f u n c t i o ne n c l o s e sr e a lt i m ed i s p l a y , p a u s e ，z o o m ，l e f ta n d r i g h tm o v ea n dt h e w a v e f o r ms c r o l l t h i sm o d u l eh a sg o o dr e a lt i m ea b i l i t yf o ri td e p e n d so nh a r d w a r e a n dt a k e sn oc p ut i m eo ft h eh o s t t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h em a i nc a s eo ft h es y s t e ma n dt a l k sa b o u tt h ed e s i g n m e t h o df o ri fd i s p l a ym o d u l ei nd e t a i lf r o mt h r e ep a r t si n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g n ， f p g a l o g i cd e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n a tl a s t ，t h et e s t i n gr e s u l t sa r eg i v e ni nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，w ec a nc o n c l u d et h a tt h es y s t e mh a sr e a l i z e dt h em a i n f u n c t i o no fw a v e f o r md i s p l a yc o n t r o la n dr e a c ht h ea n t i c i p a t eg o a l 、析t l lav a l u eo f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：i fd a t a ，r e a l - t i m ew a v e f o r md i s p l a y , f p g a ，c p c i ，d d r 2s d r a m 独创性声明 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。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他机 构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中 作了声明并表示了谢意。 学位论文作者签名：三垒塞墓l 签字日期：二等产 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通过网 络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保 密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全 部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究生部办理。 、厶开口保密( 年月)( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名： 南京信息工程大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 本课题是某新型被动雷达显示技术研究项目中的一部分。 被动雷达与一般主动雷达相比，本身并不发射电磁波信号，只专门用于截获、分析、记 录敌方的各种辐射源信号，并对辐射源进行侧向定位，及判断辐射源的功能、工作状态和威 胁程度等。由于自身不发射信号，完全处于被动工作状态，因而被动雷达具有极强的隐蔽性， 能够对抗电子侦查并避免战时被敌方反辐射导弹摧毁，这对于提高系统在电子战环境下的生 存能力具有重要意义【1j - 1 4 1 。 被动雷达为了获取辐射源目标位置功能等信息，需要对接收到的辐射源信号进行混频处 理，将高频信号变为中频信号( 1 f ) ，然后经过正交数字化得到正交的两路i 、q 信号，供后 端进行处理和分析。随着电子对抗系统发展，辐射源目标信号越来越复杂，而中频信号包含 了丰富的辐射源信息，因此将中频信号直接在显示器上实时显示具有实际意义：一方面，富 有经验的操作员可以根据显示的信号波形进行人工辅助判断，确定是否有目标存在睁儿6 j ；另 一方面，观察中频波形信号可以为后端信号和数据进行如何处理提供依据，方便系统的整体 调试。 传统的中频波形显示方法一种就是利用性能优良的示波器直接测量，这种方法实时性比 较好，但仪器价格高，存储深度有限，同时比较笨重，携带不方便。另外一种方法是软件化 显示，一般就是先通过数据采集系统把大容量数据保存在磁盘等存储设备中，然后通过简单 软件方法实现波形的快速显示，但这种软件形成波形显示需要乘法和除法运算以及大量累 加、数据存储、移位等运算，那么在图像显示的过程中就需要系统的c p u 不断的对所传输的 图像数据信号进行控制，占用大量的c p u 处理时间，使得重复频率和显示刷新频率难以提 高，难以满足波形显示的实时性要求口h 引，随着近年来微波集成电路技术的飞速发展，高速 a d c 、高速数据信号处理( d s p ) 和f p g a 等器件性能提高，数字下变频直接对中频进行采样 成为可能，经过a d 后数字正交化的两路i 、q 数据速率大幅度提高伽1 ，软件的实时显示 变的更加困难。 鉴于此，研究直接利用硬件对中频数据进行快速实时显示成为当前首要目标。目前用硬 件实现波形显示已经在某被动雷达模拟视频显示方面取得了成功应用，但还存在采样率低、 存储深度不高等诸多不足，从而影响了信号波形的包络等细节。 本论文也正是立足于现有成熟技术，结合原有的工程背景，对中频波形实时显示控制技 术进行了深入研究，并设计出一种高存储的中频波形实时显示控制模块，该模块工作平台为 c p c i 工控机。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 论文的主要工作 本文在研究雷达中频信号波形实时显示控制基础上，设计出了一种基于f p g a 和c p c i 的中频波形显示控制模块，主要内容有： ( 1 ) 完成了中频显示控制系统的总体方案设计，选择了f p g a + c p c i + d d i 也s d r a m 的实现方式。并根据系统方案，采用a l t i u md e s i g n7 0 完成了硬件电路的原理图设计和p c b 设计。 ( 2 ) 完成1 g b 的大容量d d r 2s d r a m 的读写控制，实现了c p c i 接口( 主要是i o 、 m e m o r y 的) 的读写控制。 ( 3 ) 编写并完成中频数据的接收、解码和求模模块代码。实现了波形实时显示、暂停、 放大缩小、左右移及波形滚动等波形显示控制功能。 ( 4 ) 利用d r i v e r w o r k s 完成了p c i 的驱动代码编写。并完成了测试界面的编写。 ( 5 ) 完成了系统的调试，验证了各模块的功能。接收前端接口模块的1 0 0 m h z x1 6 b i t 的中频串行测试数据，进行中频数据接收处理，将处理之后的数据送给显示模块在显示器上 显示，达到了预期的显示和控制目的。 1 3 论文的结构安排 论文具体研究了中频波形显示控制的设计实现，共分七章，基本结构如下： ( 1 ) 第一章为绪论，概括了本文研究背景和实际意义，介绍了作者的主要研究工作和 论文章节结构安排。 ( 2 ) 第二章为系统的总体方案设计，首先介绍了中频波形显示控制系统的结构设计， 然后介绍了论文中需要用到的数据处理和波形显示控制实现的工作原理，最后给出了本系统 的指标要求。 ( 3 ) 第三章为中频波形显示控制系统的硬件设计，介绍了系统各模块器件的选择和硬 件电路设计和p c b 设计。 ( 4 ) 第四章为基于x i l i n x 的i s e 逻辑设计，给出了各模块采用f p g a 实现的方法。 ( 5 ) 第五章为系统的软件设计，介绍了用户测试界面设计和如何利用d r i v e r w o r k s 实 现p c i 的驱动代码编写。 ( 6 ) 第六章为系统调试及测试结果分析，给出了系统调试结果和调试中需要注意的若 干问题。 ( 7 ) 第七章为总结和展望，介绍了论文研究所取得的成果以及还存在的不足。 2 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 2 1 系统功能指标要求 设计中频显示控制模块，主要实现中频数据接收解码、存储以及波形控制，功能指标设 计要求如下： ( 1 ) 模块工作平台为c p c i 工控机，结构尺寸为标准6 uc p c i 前置印制板，电讯设计 时安装5 个c p c i 插座以增加定位准确度和紧固性。 ( 2 ) 模块接收前端接口模块的中频数据，进行解码处理后，缓存于d d r 2s d r a m 内， 最前端a d 采样率为2 0 0 m h z ，中频数据位宽为1 6 b i t ，d d r 2s d r a m 的存储时间不小于2 5 s 。 ( 3 ) 对中频信号幅度进行实时显示，并能根据软件送来的控制命令，实现波形的暂停、 放大缩小、左右移和波形滚动等功能。 ( 4 ) 在显示数据的抽点方法选择上有两种方式：一是时间段内选择幅度最大值，二是 显示时间点的幅度信息。 ( 5 ) f p g a 的加载方式具有主串和主s e l e c t j a p 两种模式。 2 2 系统设计 根据系统的功能指标要求，设计的中频波形显示控制模块总体方案如图2 1 所示，主要 由外部接口模块、单端差分转换模块、f p g a 模块、数据存储模块和外部辅助电路等几部分 组成。f p g a 是系统的核心控制芯片，前端对接收的中频数据解码并进行数据处理后，将其 图2 1 中频波形显示控制模块方框图 数据缓存于大容量内存条d d r 2s d r a m 内，后端通过p c i 与主机进行通讯，接收波形显示 控制命令，从而根据控制参数对波形进行处理，并将处理之后的视频数据，送入后面显示模 南京信息工程大学硕士学位论文 块进行显示。 外部接口模块 本系统与前端接口模块板卡、后端显示模块板卡及主机通讯主要由c p c i 总线接口完成， 设计中充分利用c p c i 接口资源，采用j 1 、j 4 和j 5 进行数据传输。为了满足高速数据传输 的要求和降低板卡之间的数据干扰，j 4 和j 5 统一采用l d v s 电平。j 4 定义了包括备用信 号在内的2 4 对l v d s 信号，其中一对起始位、1 6 对中频数据位、一对时钟线、3 对方位线 和3 对备用线，实现了与前端采集板的互联。j 5 与后端显示板设计了1 0 对l v d s 信号，其 中包括一对起始位、8 对视频数据位和一对时钟线。在j 1 上采用3 3 m h z 、3 2 b i t 的p c i 总线 与主机进行数据交互，主机通过p c i 向本板卡发送波形控制命令参数，同时本板卡也通过 p c i 总线将波形控制状态传输到主机。 一 单端差分转换模块 对于l v d s 电平，有2 5 v 和3 3 v 两种电压工作模式。在本设计中各板卡之间的数据传输 采用l v d s3 3 电平，考虑到用到的f p g ax c 5 v l x 3 0 t 不兼容l v d s3 3 标准，同时根据驱动能 力的要求，有必要将接收到的差分信号转换为单端l v t t l 信号，同时将发送的单端l v t t l 信号转换为差分l v d s 信号，这主要由t i 公司的s n 6 5 l v d m l 6 7 7 芯片完成。 f p g a 模块 f p g a 做为本设计的核心控制器件，不但完成对d d r 2s d r a m 、s r a m 和p c i 等接口的读写控 制，还要完成对接收到的中频数据进行解码、数据处理和波形显示控制等。f p g a 模块可以分 成如下5 个主要功能模块： ( 1 ) 中频数据解码：根据一定的解码规则，将来自前端采集板卡送来的串行数据流转换 成并行数据，并分离出中频i 和q 数据。 ( 2 ) 数据处理：将分离出的i q 数据对准，对其进行模运算，从而得到中频数据的幅度。 ( 3 ) 数据存储：对d d r 2s d 呲行读写控制，根据软件提供的幅度门限将中频数据的幅 值按时间顺序存入d d r 2s d r a m 内，且连续存储时间不小于2 5 s 。 ( 4 ) p c i 控制模块：实现p c i 接口的i o 、m e m o r y 读写，f p g a 将主机发送来的波形显示控制 命令参数写入其寄存器，同时将波形控制状态返回到主机。 ( 5 ) 波形显示控制模块：能够根据软件要求，实现屏显( m a i n ) 和滚动( r o l l ) 两种显 示模式。在m a i n 模式下，波形数据能够实时显示( r e a l ) 和保持( k e e p ) 显示。数据实时显 示时，能够调节时基大小，改变实时显示速率。数据保持显示时，存在r u n 和s t o p 两种操作。 r u n 操作是指在给定的开始时间和结束时间之间连续显示，假定此时开始时间和结束时间全 为o 时，进入s t o p 操作，r u n 操作时可调节时基大小，改变连续显示速率，s t o p 操作时能够进 行波形放大、缩小、左移和右移等功能。滚动( r o l l ) 显示模式除不具有屏显( m a i n ) 模式 下k e e p 显示功能之外，其它功能具有相似之处。在两种显示模式下，对数据的点数抽取方法 有两种方式：一种是时间段内选取幅度最大的值，另一种是选取固定点上的幅度值。 数据存储模块 存储模块包括大容量d d r 2s d r a m 内存条和s r a m ，d d r 2s d r a m 主要缓存未进行抽取的原 4 南京信息工程大学硕士学位论文 始中频数据幅度，根据缓存要求，d d r 2s d r a m 至少选择容量大小为l g 以上。s r a m 缓存进行处 理之后的中频数据。 其它外部辅助电路 本系统除前面介绍的几个主要模块之外，还要有供电电源、提供时钟的晶振、存储程序 的p r o m 、调试程序的拨码开关和测试指针、j t a g 接口和l e d 指示灯等。 2 3 数据处理及波形显示控制工作原理 l 中频数据处理 数字下变频直接对中频信号进行采样，必然要求a d 变换器的输入带宽比基带采样时 宽许多，同时采样频率f s 要满足s h a n n o n 带通采样定理。根据整体系统的实际需要，本系 统前端的数据采集板卡拟采用转换率为2 0 0 m h z 的1 2 位分辨力a d 对中频进行采样，即中 频数据采样点数间隔为5 n s 。图2 2 所示数字接收机在中频对接收信号直接进行数字下变频 和数字低通滤波形成基带数字i 、q 过程i l0 | 。 士s 图2 2 带通采样信号数据分离框图 给出中频数据是s ( t ) = a ( t ) c o s w o t + 9 ( f ) ，可得： ，( 刀) = a ( n l j 詹) c o s 妒( 玎f s ) q ( 胛) = a ( n f s ) s i n t p ( n 声) 则中频信号s ( f ) 采样之后的幅值： i q ( 2 1 ) ( 2 2 ) a ( n ) = ，2 ( 胛) + q 2 ( 刀) ( 2 3 ) 前端a d 变换器采用了12 位分辨力、2 0 0 m h z 时钟频率采样，在此状况下将产生2 0 0 m h z x1 6 b i t = 4 0 0 m b y t e s 的采样数据流，但经过幅值检波等数据处理和高速缓存之后，送给本板 卡的数据流限制在1 0 0 m h z x1 6 b i t = - 2 0 0 m b y t e s 左右，中频数据流格式为i ( 1 6 b i t ) 、q ( 1 6 b i t ) 交替发送的串行数据。 2 波形显示控制原理 在设计中，波形显示窗口大小为1 0 2 4 x 2 5 6 像素数，时间轴共分1 6 格，每格1 0 2 4 1 6 = 6 4 个像素点，由于前端a d 采样间隔为5 n s ，在不对其进行内插和波形重建处理时，时基最小 为6 4 5 = 3 2 0 n s d i v 本系统中，前端a d 采样速率恒定不变，而时基大小的改变，主要在 5 南京信息工程大学硕士学位论文 f p g a 内进行一个抽取过程实现的，将需要的数据送到后端显示模块进行显示，不需要的数 据被过滤掉。例如，目前时基设置为3 2 0 m s d i v ，那么1 0 0 0 个采样点中只需取一个点显示， 这个点可以时间点取值，也可以从1 0 0 0 个采样点中取一个最大值。 m a i n 模式下的实时波形显示，是根据时分复用原理，中频数据在满足写条件时写入d d r 2 s d r a m ，同时在满足读条件下读出数据，由于d d r 2s d r a m 的读写速度远大于中频数据幅值速 度，中频数据流就像流水一样连续从d d r 2 内写进读出，然后进行抽取之后送入后端显示。 在选取m a i n 模式下k e e p 显示，此时暂停向d d r 2 内写数据，只从d d r 2 内读出缓存的数 据，选择r u n 命令同时软件给出开始时间和结束时间时，f p g a 将开始时间和结束时间转换 为d d r 2 对应的开始地址和结束地址，只读出d d r 2 的当前地址区间的数据，并根据当前时基 大小经过进一步抽取，循环的送给后端显示。任何情况下，选择到s t o p 命令或在k e e p 下的 开始时间和结束时间同时为o ，都将进入s t o p 状态，此时锁存d d r 2 最后一个读地址，读取 最后1 0 2 4 x n ( n 当前的抽取数大小) 个数据送给后端显示。至于放大缩小，是根据改变抽 取数的多少来实现，如果抽取数减小，便是放大功能，抽取数增加，便是缩小功能，波形左 右移时，步进大小为屏幕上的1 个像素点，即每进行一次右移开始地址和结束地址都将加上 一次当前抽取数大小，每进行一次左移，开始地址和结束地址都将减去一次当前抽取数大小。 滚动( r o l l ) 模式下可以使波形从显示窗口右边向左边滚动显示，只有在3 2 7 6 8 u s d i v 或更高的时基下起作用，如果时基设置低于3 2 7 6 8 u s d i v ，此时r o l l 模式下的时基默认为 3 2 7 6 8 u s d i v 。具体实现过程，就是在f p g a 开辟一个1 0 2 4 * 1 6 b i t 大小的双口r a m 的空间， 从d d r 2 中读取的数据按照时基大小进行抽取，抽取之后的每一个数据都将存入开辟的双口 r a m 空间中，写入地址的顺序由低向高，存储x 个数据( 相当于x 个像素点) 时，同时将1 0 2 4 个数据全部读出送到后端板卡进行显示，这完成了一屏数据的滚动显示，下一次存储x 个数 据，同时读出下一屏1 0 2 4 个数据送到后端板卡进行显示，依次类推，直到用户选择了其他 命令按钮。滚动显示过程中，能够调节时基大小，改变波形滚动速度快慢，s t o p 之后能够 进行波形放大、缩小、左移和右移等功能，具体实现同m a i n 显示模式下的一样，这里将不 再赘述。 6 南京信息工程大学硕士学位论文 第一- - - 章硬件设计弟早仪什恢丌 3 1 外部存储模块设计 3 1 1s r a m 模块设计 在进行数据存储时，可以将数据直接写入f p g a 的b l o c kr a m 中，但这样减少了f p g a 的逻辑资源。在设计中，考虑到x c 5 v l x 3 0 t 的b l o c kr a m 只有1 2 9 6 k b ，存储资源存在不 足，因此在外部加入了s r a m 模块。 3 1 1 1s r a m 芯片的选择 s r a m 是s t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ( 静态随机存取存储器) 的缩写，与d r a m 及 闪速存储器相比，尽管存储容量方面非常不利，但却具有以下特点：在通电状态中不需要类 似d r a m 刷新操作那样存储保持操作，因此存储速度很快；也没有类似闪存及e e p r o m 那 样的数据替换寿命的要求；不需要特殊的高电压；能够快速替换：而且在非操作时的功耗可 以非常之小【12 1 。 由于s r a m 种类及生产厂家非常多，但性能都大同小异，考虑到容量及价格因素，在 本课题设计中，s r a m 器件我们选择了c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 3 5 6 a 型号的同步s r a m ，容 量大小5 1 2 k 1 8 b i t ，图3 1 是c y 7 c 1 3 5 6 a 管脚结构框图m j 。 图3 1c y 7 c 13 5 6 a 管脚结构框图 器件主要特征： ( 1 ) 在读写周期中无死循环和零总线延时； 7 南京信息工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 时钟频率：2 0 0 、1 6 6 、1 3 3 、1 0 0 m h z ； ( 3 ) 快速存取时间：3 2 、3 6 、4 2 、5 0 n s ； ( 4 ) 工作电压v c c ：3 3 v ，i o 驱动电压可以是3 3 v 或者2 5 v ： ( 5 ) 交错或线性4 字突发能力： ( 6 ) 封装：1 1 9 管脚的1 4 m m x 2 2 m m b g a 和1 0 0 管脚t q f p ； _主要管脚功能描述： ( i ) a 0 a 1 8 ：同步地址输入，突发传输时，根据内部的突发式计数器，a 0 和a i 被自 动更新，如果a 0 及a 1 引脚颠倒连接，则在突发传输中将出现异常，因此一定要明确 a 0 作为l s b 使用。 ( 2 ) b w a # 、b w b # ：这是1 字节( 实际上9 位) 的数据写控制信号，b w a # 控制d q a ， b w b # 控制d q b 。 ( 3 ) c l k 、c e n # ：同步时钟及时钟使能输入信号。 ( 4 ) 恻撑：读写操作控制信号，低电平时为写操作，高电平时为读操作。 ( 5 ) c e # 、c e l 、c e 3 # ：c h i pe n a b l e 信号，全都有效，则器件被选择。 ( 6 ) o e 拌：数据输出使能信号，当希望读取数据时，使其有效。 ( 7 ) d q a 、d q b ：双向的输入输出数据信号。 s r a m 周期定义： 由于都是与时钟同步的，所以可以通过时钟沿中各个控制线的状态确定下一个状态。表 3 2 表示了c y 7 c 1 3 5 6 a 的周期定义。 表3 - 2c y 7 c 13 5 6 a 的周期定义 前一使用 、 ，e n 拌a d v l d 群c e 捍c e n 撑b w x #o 群 d q 操作周期地址 ( 2 t 后) 非选择状态xxxlhlxxh i z 从外部 开始读 xhlllxx q 锁存 f 连续读读 xhxlxx q 地址 虚读 x 从外部 hlllxhh i z ( 开始读)锁存 虚读 读 下 ( 连续读)地址 xhxlxhh j z 从外部 开始写 xlllllxd 锁存 下 连续写写 xhxllxd 地址 8 南京信息工程大学硕士学位论文 异常写 x 从外部 lll lhxh i z ( 开始写) 锁存 异常写 写 卞 x hxlhxh i z ( 连续写)地址 n o pxxxhxh xx 3 1 1 2s r a m 的电路设计 在s r a m 的电路设计中，为了减少控制复杂度，片选使能信号c e # 、c e l 、c e 3 # 置为 全部有效，即c e # 和c e 3 # 接地，c e l 接3 3 v 。操作模式不用突发读写传输，而是采用线性 单一读和单一写的一般顺序模式，因此直接把a d v l d # 、m o d e 和z z 管脚接地即可。同时 i 0 驱动电压v d d q 可以设计为3 3 v 。为了达到良好的去耦效果，v c c 和v d d q 旁边就近 放置o 1 盯的钽电容。最终设计出的s r a m 电路如图3 3 所示，其中数据线，地址线和控制 线直接与f p g a 相连，o 1 岍的去耦电容没有表示出来。 l r n cj 正 r ca 7 v c ( 2 3 ，r n cc e l )， v d d q c l 卫 9 6 6 v s sn c1 日_ 一 。 一 ncc9 4 l 仙h w 2 r a t l ) p8 nc置型29 3 - t 1 h w l k a m a1 ) l f ， | 0 1 0b w l 9 21 ) i )l u j o l lc e 2 ，】v ， v 1 l 、弓sv r ，d 9 0；nt m ， 1 11 2 v d d qv s s h 9t ，l af ，k p 3r 3 1 ” ； 高；蹦 h rh m l t 、 - - c 、v ，； i i；i v d d ，、7 芒i 累 r7“、i ， v 蕊 a t )17 ) d v 皿 e5ij h j ) 1 il b vss虻 h 4h m r 、1 9 m h 1 41 9 d 1 4 1 7 h ，h ，、b 、 1 7 、( ，20 1 0 1 5j 4 h2k a h ( j r q )2 i v d o q 9 b 1h 一、o 、 k 1 1 ) l ，2 2 v s s l h oh a ，na - h k ，、h 帆1 ) 1 62 ) i o l 6n c 7 9 m j ) 】72 4 l o l 7n cn r 一 2 ， ”1 8 v d 1 r r v c x ：，3 ( - j n i )2 6 h l cv s s 7 6( ；t 讥) v ( ：c j 3 27 v s sn c 7 ， 2h v d 【1 0 9 7 dr a h nf _ j r n cm 坤 7 ，t 、 l 、l ，7 ，i ) h i c1 0 7 72l t m i x ， o m rn c v s s 7 ij h l ) r m ”3 2 l b ov e l ) o 7 0v r c 1 r a 、l 、43 3 a 5l 【x 6 9r 、 l 、t 圩 r m 、j3 4 i ， rr a 、帆i ) 4 r ，、o 、a z， a 3v s 8 6 7( j h a j kandal 3 6 2 、x ) v s s 6 6v ( 3 ， r 从o 、，7 a iv c ，d 6 5、1(3j ，r 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整上拉和下拉屯阻值使两者电压相等，从而减少了数据选通( d q s ) 与数据信号( d q ) 之 间的倾斜来提高信号的完整性，保证了信号品质； ( 5 ) 内部集成终端电阻o d t ，d d r 2 设训中减少了为了防止数据线终端反射信号使肿大量 终端电阻，提高了信号完整性比增加了时序裕最： ( 6 ) 采用s s t ll8 v 的j 0 标准，v 竹和v r e f 部为09 v ，提供了更小的功耗和发热量。 3 1 _ 2 1d d r 2s d r a m 技术规范 图3 - 4 为d d r 2 芯片的一般功能模块图旧 图3 - 4d d r 2 芯片的一般功能模块| 墨| 1 、上电与初始化 d d r 2 在一般操作之前，一定要以预先确定的顺序加电和初始化，否则会；i 起不可预知 的操作结果。上电和初始化顺序包括以r 几个步骤： a ) 申请上电，同时维持c k e 低于02 + v d d q 和o d t 处于一低电平( 其它输入不用考虑) ， 电压倾斜时间不大于2 0 m s ，且在斜线期问v d d v d d l v d d q ，v d dv d d q ( o3 v ，同时f 面两个条 件之一必须满足： v d d 、v d d l 和v d d q 由同一电源驱动；v t t 最大不能超过09 5 v ：v r e f 跟踪v d d q 2 变 化。 在v d d l 相同时间或之前v d d 的斜坡不能反向；在v d i ) ( ) 相l 司时间或之晌v d d l 的斜坡 不能反向；在v n 年v r e f 相同时问或之前v d d q 的斜坡1 ：能反向。 b ) 启动时钟并使之稳定。 南京信息工程大学硕士学位论文 c ) 在电源和时钟稳定最小2 0 0 u s 后，应用n o p 或d e s e l e c t ，同时使e k e 置高。 d ) 至少等4 0 0 n s 之后执行全部预充电命令，n o p 或d e s e l e c t 在4 0 0 n s 时间内操作完成 e ) 发出e m r s ( 2 ) 命令。 f ) 发出胧r s ( 3 ) 命令。 g ) 发出e m r s 并使延时锁相环路d l l 使能。 h ) 为d l l 复位发送模式寄存嚣设置命令。 1 ) 发送全部预充电命令。 j ) 发送至少两次自动刷新命令。 k ) 发送a 8 为低的m r s 命令用米初始化芯片操作。 1 ) 在第h 步之后至少等待2 0 0 个时钟执行o c d 校准。 m ) 初始化完成，d d r 2 可以进行一般操作。 图35 表示了d d r 2 加屯后的一般初始化顺序过程。 熹= i 翅翦强弱蘑翠趣驵勰强疆i 翔疆硪口口疆口穗口i 珐职 唧f 卜十十寸_ _ _ _ _ _ _ 十十叶_ 1 卜卜十一_ 叶1 叫卜t 十一_ o d ?1 l 厂_ r 图35d d r 2 加电后的初始化顺序过程图 2 、模式寄存器和扩展模式寄存器的配置 ( i ) 模式寄存器 模式寄存器用于定义d d r 2 的具体运行模式，包括突发k 度( 乩) 、突发类型、c a s 延时 ( c l ) 和运行模式的选择，由于模式寄存器没有默认值，因此必须在加电之后写，图36 说 明了模式寄存器的各项功能。 南京信息工程大学硕l j 学位论文 a 1 0 l 9 la 8 la 7 la 6 la 5 ia 4 la 3 la 2 i 1 la o w r ld u it m c l a t o y 8 t b u r s tl e “ a 6a 5 mc a sl | 辩捌业产 丑丑丑二j 二 幽36 模式寄存嚣的并项功能图 ( 2 ) 扩展模式寄存器 扩展模式寄存器具有下述功能：d l l 使能无效、输出驱动力、片上终端( 0 n d i e t e r m i n a t i o n ，o d t ) 、p o s t e dc a s 附加延迟( a d d i tl v e l a t e n c y ，a l ) 、片外驱动器阻抗校准 ( o f fc h i pd r i v e ti m p e d a n c ec a l i b r a t i o n ，o e d ) 、d q s 使能无效、r d 。s r d q s 使能无 效、输出无效使能。图37 为扩展模式寄存器功能，其中b a o 和b a l 用来选择模式寄存器类 型。 图37 扩展模式寄存器功能圈 3 、激活命令 d d r 2 进行读写访问前，需要用撤活命令打开某一b a n k 的指定行。由于每个b a n i ( 只有一个 敏感放大器，因此最多只有一行是有效的，也就是说，如果对菜一b a n k 前一次访问与此次访 问的行地址不同，必缬先预充敏感放人器，然后而打开指定行井给出读写命令。如果行地址 相同，就不需要关 j 怫l 打开行，只需要给u ：读；命令。 发出激活命令劁执行读写操作的最小时问延遐为t r o d ，d d r 2 允许在t r c d 规定的时问之| j i 接收读写命令( 在b a n k 激活命令的l 一个时钟周期d d r 2 就可以接收读弓命令) 当激活命令 南京信息工程大学硕士学位论文 与读写命令的时间间隔小于t r c d 时，可以通过使用p o s t e dc a s 附加延迟( a l ) 来延迟读或写 命令寄存到内部器件中的实际时间，来满足t r c d 的要求。对同- - b a n k ，连续两次激活之间的 最小时间间隔为r a s 访问周期，其中，激活到预充电时间延时为t r a s ，预充电到激活的时间 延时为t r p 。对于不同的b a n k ，被激活的最小时间间隔为t r r d 。图3 8 为b a n k 激活命令的时序 图( 其中t r c d = 3 ，a l = 2 ，t r p = 3 ，t r r d = 2 ，t c c d = 2 ) 。 c k ，c k a d d r e s s t o t 1 t 2t 3t nt n + 1t n + 2t o + 3 c o m m a n d 豳：r 口l - 图3 - 8b a n k 激活命令的