（信号与信息处理专业论文）“北斗”导航接收机基带处理系统的研究.pdf

“北斗导航接收机基带处理系统的研究 摘要 随着e d a 技术的飞速发展，大规模可编程逻辑芯片c p l d f p g a 应运而生。 因其可用硬件描述语言进行芯片设计、支持在线编程和在系统编程等优点应用 于众多领域，尤其适合系统的开发阶段，但f p g a 的控制能力不足。由于a r m 具有高性能、低功耗、低成本等优点，成为移动通信、便携设备等嵌入式产品 的首选。f p g a + a r m 构建的系统可以优势互补，越来越受到人们的青睐。 本论文的应用对象是“北斗 接收机的基带系统，传统的数字接收机都采 用高端f p g a ( 内含n i o s ) 作为核心，但高端f p g a 价格昂贵，且n i o s 不够稳定。 本文提出了基于a d + f p g a + a r m 处理器的系统架构，使用a r m 代替n i o s ，并 在a r m 中嵌入实时操作系统g c o s i i ，完成对整个系统的控制及部分数据处理 功能，有效降低了成本，且增强了系统的稳定性。 论文的第一章提出了本论文的研究内容，阐述了本系统的意义，嵌入式系 统的发展概况，以及论文的组织结构。第二章是对可编程逻辑器件f p g a 进行了 深入的研究，包括f p g a 的开发流程、配置模式，并提出了利用f l a s h 被动并 行加载f p g a 的方法。第三章是系统硬件结构设计。提出了系统硬件的总体结构 设计思想，根据f p g a 和a r m 构建系统，采用高速a d 用于前端信号采集，增加 了f l a s h 和s r a m 作为扩展存储器，在f p g a 上挂接i c 卡用于“北斗”数据的加 密；为满足系统工作要求，设计了系统的电源、时钟和复位模块，并给出了原 理图和p c b 。第四章是系统的软件设计。设计了a r m 引导程序b o o t l o a d e r ，并 成功将 t c o s i i 操作系统移植到a r m 中。在f p g a 中进行逻辑开发，完成与 a r m 的通信；在f p g a 上外接显示屏并进行软件设计。第五章是对智能卡的研 究开发。实现a r m 对智能卡的读写，并根据智能卡协议i s 0 7 8 1 6 3 完成对智能 卡的访问。第六章对全文进行了总结和展望，对北斗接收机的发展方向提出了 自己的看法。 关键词：a r m ，f p g a ，嵌入式操作系统，逻辑控制 r e s e r c ho nb a s eb a n ds y s t e mo f b e id o u n a v i g a t i o nr e c e i v e r a b s t r u c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe d a ( e l e c t r o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ) t e c h n o l o g y 1 a r g e s c a l ep r o g r a m m a b l el o g i cc h i pc p l d f p g ac a m ei n t ob e i n g w i t ht h ec h a r a c t e r so fd e s i g n e dw i t hh d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) a n d s u p p o r t i n gi a p ( i na p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g ) a n di s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) i t i su s e di nw i d er a n g eo ff i e l d e s p e c i a l l yi nt h ed e v e l o p m e n to fs u i t a b l es y s t e m ，b u t l a c kt h ea b i l i t yt ol o g i cc o n t r 0 1 w i t hh i g hp e r f o r m a n c e 1 0 wp o w e rc o n s u m p t i o n a n dc o s t a r mh a sb e c o m et h ef i r s tc h a n c eo fe m b e d d e dp r o d u c t sf r o mm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt op o r t a b l ee q u i p m e n t t h es y s t e mc o n s t r u c t e db yf p g ap l u sa r m i sc o m p l e m e n t ，a n dn o wi sm o r ea n dm o r ep o p u l a r t h i st h e s i si sa p p l i c a t i o no f0 b i e c t “b e id o u ”b a s e b a n dr e c e i v e rs y s t e m m o s t t r a d i t i o n a ld i g i t a lr e c e i v e ru s es o p h i s t i c a t ef p g a ( i n t r o nn i o s la si t sc o r e ，b u t s o p h i s t i c a t ef p g ai se x p e n s i v ea n dn i o si sa s t a t i c i s mw h e nw o r k i n g t h i st h e s i s g i v ean e ws y s t e mc o n n g u r a t i o nw h i c hd e s i g n e db ya dp l u sf p g ap l u sa r m ，i t r e p l a c e dn i o sa sa r m a n de m b e dr e a l t i m eo p e r a t es y s t e m “c o s i it oa r m n o wa r mc o n t r o l st h ew h o l es y s t e ma n de x e c u t e sp a r to ft a s k so fd a t ap r o c e s s i n g ， m i n i f yt h ec o s te f f e c t i v e l ya n di n c r e a s es t a b i l i t y t h ef i r s tc h a p e ro ft h i si t e mp u tf o r w a r dt h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i st h e s i s e x h a u s t sm e a n i n go ft h es h b je c t ，p r e s e n tc o n d i t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n d o r g a n i z ec o n s t r u c to ft h ei t e m c h a p e ri ii n v e s t i g a t e st h ep r o g r a m m e dl o g i cd e v i c e f p g ai nd e p t h ，i n c l u d i n gt h ed e s i g nf l o wa n dc o n n g u r a t i v em o d eo ff p g a ，a n d g i v e sam e t h o do fp a r a l l e ll o a d i n gf p g aw i t hf l a s h c h a p e ri i ii st h eh a r d w a r e d e s i g no ft h i ss y s t e m f i r s t l yi tb r i n gu pd e s i g nm e a n i n go ft h eg r o s sh a r d w a r e s t r u c t u r a l i na c c o r d a n c ew i t hf p g aa n da r mb u i l d i n gs y s t e m ，h i g h s p e e ds i g n a l a c q u i s i t i o nf r o n t e n d f o rt h ea d ，a n di n c r e a t ef l a s ha n ds r a ma sam e m o r y e x p a n s i o n a t t a c hi cc a r do nf p g af o r “b e i d o u d a t ae n c r y p t i o n ；f o rt h es y s t e mt o w o r k a l s od e s i g nt h ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h ec l o c ka n dr e s e tm o d u l e s ，a n dg i v e s t h es c h e m a t i ca n dp c b c h a p e ri vi ss o f t w a r ed e s i g no ft h ei t e m a i 蝴i sd e s i g n e d t og u i d eb o o t l o a d e rp r o c e d u r e s ，a n dh a v es u c c e s s f u l l y c o s i io p e r a t i n gs y s t e mp o r t e d t ot h ea 剐m i nf p g al o g i cf o rt h ed e v e l o p m e n t d e s i g n st h ei n t e r f a c ew i t ht h ea r m ： e x t e r n a ld i s p l a yt ot h ef p g aa n dd e s i g nt h es o f t w a r e c h a p e rvi ss m a r tc a r dr e a s e r c h a r mi su s e da ss m a r tc a r dr e a d e r , a n dc o u l dv i s i ts m a r tc a r d si na c c o r d a n c ew i t hc a r d a g r e e m e n ti s 0 7 8l6 3 c h a p e rv ig i v e ss u c c i n c ts t a t e m e n ta n dv i s t at ot h ew h o l e t h e s i s t h ea u t h o rl o d g e so w no p i n i o na b o u tt h et r e n do fr e c e i v ed e v i c eo f “b e i d o u ” k e y w o r d s ：a r m ，f p g a ，e m b e d d e do p e r a t es y s t e m ，l o g i cc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 金g 曼王些厶堂 或其他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作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：荔芑签字日期：勿盼年石月j 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a 巴互些丕堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 盒脞王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：葛飞 导师签名： 力甲冲 【 签字日期：腓月l z 日 签字日期：力岍易月t 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 首先感谢我的导师何辅云教授和张海燕副教授! 本论文的圆满完成得益于 两位老师的悉心指导。导师渊博的学识、敏捷的思维、严谨的治学态度和平易 近人的工作作风，使我获益匪浅，感受良深。在论文完成过程中，导师不仅在 工作中给予了具体的学术指导，而且在生活上关心、帮助我。在此，向何老师 表示衷心的感谢和深深的敬意! 在论文完成期间，我的同学夏玉宝、李锐、金莉等给了我很大的帮助，在 此衷心的感谢他们! 感谢四创电子公司给我了一个实习的机会，让我参与重大项目的研发。尤其 感谢二部的江鹏、孟宪伟在工作中给予我无私的帮助。 感谢我的家人在我求学期间给予我的鼓励、关怀与照顾，使我能够全身心 地投入到学习和研究中去。我所取得的所有成绩与他们的关心与支持是密不可 分的。 最后，谨以此文献给所有关心、支持、帮助我的所有朋友、老师和同学。 作者：葛飞 2 0 0 8 年5 月15 日 第一章绪论 1 1选题背景和意义 卫星导航系统在国民经济建设中占有重要的位置，是国民经济信息化建设 的重要组成部分和推进力量，是直接关系到国家安全和经济发展的关键性技术 支撑系统。以g p s 为代表的卫星导航应用产业已逐步成为一个全球性的高新技 术产业，它已经成为继通信、互联网之后的第三个i t 增长点。中国也开始发展 自己的卫星导航定位系统，“北斗”卫星导航定位系统应运而生。 目前国内做北斗用户接收机形成规模，能占据一定市场份额的厂家只有成 都国星、神州天鸿、星地恒通、四创电子等少数几家公司，技术实力相对比较 薄弱，但由于导航系统良好的发展前景，使得越来越多的企业以及科研院所加 入到研发队伍中来。 目前大部分接收机都是采用f p g a 作为基带处理系统的核心，利用f p g a 的内核n i o s 控制外设及相应的处理，n i o s 是可定制的微处理器，相当于f p g a 的c p u ，适用与连接大量外设的系统。但n i o s 工作时钟只有几十兆，运算速 率较慢，而且n i o s 工作不够稳定。北斗接收机的发展方向是成为便携式的通 用型产品，尽量降低成本，制造出低端实用的接收机才有可能占据导航市场。 为达到这一目的，本论文中提出f p g a + a r m 的架构，利用a r m 芯片代替n i o s 。 a r m 体积小、成本低、高性能，完全满足“北斗”系统的要求；且a r m 工作时 钟可达1 0 0 m b p s 以上，采用此架构可以提高数据的处理速度，增加实时性和系 统的稳定性。 北斗导航系统用户终端包括天线单元和信号处理单元两个模块，信号处理 单元分为模拟信号处理和数字( 或基带) 信号处理两部分。模拟部分主要将射频 信号转化为中频信号，基带处理部分收到中频信号通过a d 转换器变成数字信 号，然后完成接收信号和发射信号的处理。接受链完成出站信号的捕获、跟踪、 解扩、载波恢复、解调等处理，发射链完成信息编码、入站帧格式形成、伪码 解扩，输出基带入站信号。基带处理部分决定了定位的精度，实时性等主要指 标，是整个导航系统终端的核心。因此，开发“北斗”基带处理系统具有很重要 的意义1 ，2 1 。 ， 卫星导航系统的核心是导航算法的实现，“北斗”基带处理系统算法复杂， 性能要求较高，对硬件的要求也相应的提高。北斗硬件电路板是基于 a d + f p g a + a r m 处理器的信号采集和处理板。a d 芯片完成信号的中频采集作 用。f p g a 进行数据的通道单元搜索，跟踪解扩，符号解调和信息译码处理并 实现系统的时序和数据流控制；f p g a 是基于s r a m 工艺的可编程逻辑阵列， 可通过编写硬件描述语言来任意改变内部结构，实现需要的各种功能，适合用 于系统的开发阶段。a r m 芯片对译码后的数据进行拼接和解释，完成导航定位 或通信处理。为了满足“北斗 数据加密及身份识别的需要，在基带系统中添 加了智能卡。 本课题的研究将使“北斗 导航系统向小型化，低成本化前进了一步，改 良后的接收机更接近于便携式的通用型产品，符合导航接收机的发展方向。相 信不久就将设计并制造出接收机芯片，研制出我国自主知识产权的低成本、便 携式、多用途的导航定位接收终端，逐步实现导航终端设备的国产化。 1 2嵌入式系统概述 1 2 1嵌入式系统的定义 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ，根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的 定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间的装置”( 原文为 d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o ne q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo r p l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，目前国内一个普遍被认同的定义是： 以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统1 3 1 。 嵌入式系统是软件和硬件的综合体，其涵盖范围和领域都非常广泛，几乎 包括了我们周围的所有的电器设备，如：电视机顶盒，掌上p d a ，移动计算设 备，多媒体设备，医疗仪器，乃至路由器，交换机等。 1 2 2 嵌入式系统的分类 由嵌入式系统的定义可以看出，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，所以 嵌入式系统可以划分为硬件和软件两大部分。 1 嵌入式系统的硬件 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。目前嵌入式处 理器的寻址空间可以从6 4 k b 到2 5 6 m b ，处理速度从o 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s 。近年 来嵌入式微处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗。专业分工也越 来越明显，出现了专业的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ，知识产权) 供应商，! t l ：l a r m ， m i p s 等，他们通过提供优质、高性能的嵌入式微处理器内核，由各个半导体厂 商生产面向各个应用领域的芯片。 般可以将嵌入式处理器分成4 类： ( 1 ) 嵌入式微控制器( m c u ) ( 2 ) 嵌入式d s p 处理器( d s p ) ( 3 ) 嵌入式微处理器( m p u ) ( 4 ) 嵌入式片上系统( s o c ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 2 位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。与工控计算机相 比，它具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式微 处理器类型有：a m l 8 6 8 8 ，3 8 6 e x ，s c 一4 0 0 ，p o w e rp c ，6 8 0 0 0 ，m i p s ，a r m x s c a l e 系列等。在我们应用系统中，所采用的即为a r m 微处理器，后面将具体介绍。 2 嵌入式系统的软件1 3 - 5 1 嵌入式系统的软件由实时多任务操作系统r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i o n s y s t e m ) 、文件系统、图形用户接口、网络系统及通用组件模块组成。r t o s 是 连接计算机硬件与应用程序的系统程序。操作系统有两个基本功能：使计算机 硬件便于使用；高效组织和正确地使用计算机的资源。操作系统有4 个主要任务： 进程管理、进行间通信与同步、内存管理和i o 资源管理。 实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。实 时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务；其次才着 眼于提高计算机系统的使用效率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要 事件在规定的时间内做出正确的响应。在我们的应用系统中，所选用的 g c o s i i 系统是典型的实时操作系统，在后面将具体介绍。 1 2 3嵌入式系统的发展趋势 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市 场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。从中可以看 出未来嵌入式系统的几个发展趋势： ( 1 ) 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌 入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 ( 2 ) 新的微处理器层出不穷，嵌入式操作系统自身结构的设计更加便于移 植，能够在短时间内支持更多的微处理器 ( 3 ) 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的加大而日益提 高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一， 结构更加复杂。 ( 4 ) 通用计算机上使用的新技术、新观念、开始逐步移植到嵌入式系统中， 嵌入式软件平台得到进一步完善。 ( 5 ) 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。 ( 6 ) 提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要 的因素就是它能提供非常友好的用户界面、图像界面和灵活的控制方式，使得 人们感觉嵌入式设备就像是一个熟悉的老朋友。 1 2 4a r m 处理器简介 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。既是一个公司的名字，也是一类 微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。a r m 公司成立于1 9 9 0 年，是 知识产权供应商，本身并不生产芯片，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生 产各具特色的芯片。作为3 2 位嵌入式r i s c 微处理器业界的领先供应商，a r m 公 司在世界上的合作伙伴超过10 0 个，其中包括半导体工业的著名公司，从而使其 具有大量的开发工具和丰富的第三方资源，它们共同保证了基于a r m 处理器核 的设计可以很快投入市场。 a r m 处理器核已经有6 个系列产品：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 e ， s e c u r e c o r e 以及最新的a r m i i 系列。进一步的产品来自于合作伙伴，例如：i n t e l x s c a l e 微体系结构和s t r o n g a r m 产品。a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l o 是4 个通用处理器系列。每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能 和体积的需求。 a r m 家族的所有成员都共享同一个基本指令集即3 2 位a r m 指令集，同时不 同的产品又可以有不同的扩展指令集，这些扩展指令集包括：16 位t h u m b 指令 集、d s p 扩展指令集、s i m d 扩展指令集和j a z e l l e 扩展指令集。a r m 指令集是基 本指令集，它包括数据传输、数据处理、流程转向、协处理器指令。a r m 对于 一般的工业控制应用绰绰有余，而其3 2 位r i s c 的特性使得其性能远比一般的 8 16 位单片机强大得多，因此也能用在比较复杂的控制领域，如手机内部的控 制单元。t h u m b 扩展指令集是a r m 指令集的一个子集，而且被压缩成了1 6 , 6 7 _ 。 现在面市的a r m 产品都支持t h u m b 指令集。t h u m b 指令集已经成为a r m 核的标 准扩展指令集。 现在，a r m 微处理器及技术的应用已经深入到工业控制、无线通讯、网络 应用、消费类电子产品、成像和安全产品等各个领域，并会在将来得到更加广 泛的应用。a r m 7 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、 机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。目前市场上的主流a r m 处 理器基本上都是使用了a r m 7 和a r m 9 内核。a r m 7 处理器采用3 级流水线来提 高处理器指令流的速度。这样可使几个操作同时进行，并使处理器和存储器系 统连续操作，能提供0 9 m i p s m h z 的指令执行速度。 1 3可编程逻辑器件的使用现状 1 3 1大规模集成电路技术 从国内外整体看，利用f p g a 开发a s i c 电路己成为一种必然趋势。电子系 统的变革是从八十年代的中期开始的，19 8 4 年x i l i n x 公司发明了现场可编程门 阵歹u ( f p g a ) ，随后出现了复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。这些器件由于具有用户 可编程的特性，使得电子系统的设计工程师利用与器件相应的c a d 软件，在办 公室或实验室就可以设计自己的a s i c 器件，实现用户规定的各种专门用途，因 此构成了可编程专用集成电路( a s i c ) 的一类器件。采用可编程a s i c ，对于半导 体制造厂家可按照一定的规格以通用器件大量的生产，对于用户可按通用器件 4 从市场上选购，再由用户自己通过编程实现a s i c 的要求，由于这种方式对厂家 和用户都带来好处而受到欢迎，发展也就特别迅速，已经成为一个很重要的实 现a s i c 的手段。 为了缩短v l s l 的开发周期，逻辑合成方式在九十年代初成为设计标准，在 以后的自顶向下的设计系统中，以逻辑合成技术为主，增补了各种的工具，使 具有多功能的复杂v l s l 设计能够用e d a 软件来实现。为了在一个芯片上实现集 成的设计，能够在短时间内将包含数千只晶体管的单片芯片集成方案开发出来， 需要采用综合利用知识产权( i p ) 功能块进行v l s i 设计的方法。所谓i p 功能块是 以v h d l 语言描述的构成v l s i 中各种功能单元的软件群。i p 功能块是要提供中 央处理器( c p u ) 、数字信号处理器( d s p ) 、外设互联接口( p c i ) 和通用串行总线接 口( u s b ) 等足够可靠的各种的功能块。这就大大方便了集成芯片的开发。 1 3 2硬件描述语言与e d a 工具 对于复杂的数字系统而言，用硬件描述语言己成为当代数字系统的主要设 计方法。对数字系统的描述可以在不同的层次上进行，即可分为系统行为级、 行为处理级、寄存器传输级、逻辑门级和电路级等五个层次。最常用的硬件描 述语言是v h d l 和v e r i l o g h d l ，本设计主要采用的是v h d l 。 v h d l ( v e r y - - h i g h - - s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是美国国防部在7 0 年代末和8 0 年代初提出的v h s i c ( v e r y h i g h - s p e e di n t e g r a t e d c i r c u i t ) 计划的产物，支持硬件的设计、综合、验证和测试。v h d l 于1 9 8 7 年由 i e e e1 0 7 6 标准所确认。1 9 9 3 年，i e e e1 0 7 6 标准被升级为i e e e1 1 6 4 。v h d l 已 成为数字电路和系统的设计、综合、仿真的标准。v h d l 因其强大的语言结构， 多层次的描述功能，良好的移植性以及快速的a s i c 转换能力，获得广泛的应用。 v e r i l o gh d l 也是非常常用的硬件描述语言，语法和c 特别相似，因此被更多人 接受。v e r i l o gh d l 最初由g a t e w a y 系统设计公司发明，v e r i l o g 语言于19 9 5 年成 为i e e e 标准，称为i e e e s t d l 3 6 4 1 9 9 5 。完整的标准在v e r i l o g 硬件描述语言参考 手册中有详细的描述1 6 j 。 随着电子系统设计复杂程度的不断增加，仅靠手工进行电子系统的设计已 经无法满足要求，迫切需要更高、更快速和更有效的电子设计自动化 e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) i 具。业界最著名的生产e d a 工具的公司有 c a d e n c e 、s y n o p s y s 、m e n t o r 和a v a n t 等，每个公司基本都有一整套解决方案， 从设计输入、仿真、综合、到后端布局。近年来，许多生产可编程逻辑器件的 公司多相继推出适于本公司器件的e d a - v 具。这些工具对硬件的要求比较低， 运行平台一般是p c 机和w i n d o w s 操作系统，价格相对也比较便宜。我们设计采 用的e d a 软件就是a l t e r a 公司的q u a r t u si i 。提供完整的多平台设计环境，它可 以轻易满足特定设计的需要。 1 4 论文主要研究内容 本论文主要研究了“北斗”导航数字接收机的基带处理系统硬件模块，提出 了基于f p g a 和a r m 的基带处理系统架构。该方案用a r m 替代n i o s ，并在 a r m 中嵌入实时操作系统i _ t c o s i i ，完成整个系统的控制及部分数据处理功 能，有效降低了成本，并提高了处理速度。同时为处理器扩展了存储器以增加 存储容量。由于采用了可编程逻辑器件和嵌入式处理器，方便进行后续开发， 提高了系统的智能程度。本系统的结构如图1 1 所示 图1 1系统结构图 本设计着重从系统的总体结构、硬件系统设计、嵌入式操作系统选用、f p g a 逻辑设计等方面进行研究与探讨。考虑到系统的资源需求量及实时要求，f p g a 选用c y c l o n e i i 系列的e p 2 c 7 0 f 6 7 2 ，a r m 选用p h i l i p s 的l p c 2 2 1 0 。本论文中详 细设计了基带处理系统的硬件部分和逻辑器件部分，同时在a r m 中嵌入操作系 统，完成系统的联调。 论文共分为七章： 第一章是概述。提出了本论文的研究内容，阐述了本系统的意义，嵌入式 系统的发展概况，以及本课题的概貌。 第二章是对可编程逻辑器件f p g a 进行了深入的研究，包括f p g a 的开发流 程、配置方法，并对n i o s 的用途进行了剖析。 第三章是系统硬件结构设计。提出了基带板的总体设计思想，然后完成电 路各模块的设计、实验，并给出了原理图和p c b ，同时对板卡的制作和注意事 项进行了相关说明。 第四章是系统的软件设计。设计a r m 引导程序b o o t l o a d e r ，并成功将 i ，t c o s i i 操作系统移植到a r m 。在f p g a 中进行逻辑开发，实现对各模块的控 制及f p g a 与a r m 的接口。 第五章是对智能卡的研究。实现a r m 对智能卡的读写，并根据智能卡协议 完成对智能卡的访问。 第六章是总结与展望。对全文进行了总结和展望，对北斗接收机的发展方 向提出了自己的看法。 6 第二章可编程逻辑器件的使用 f p g a 是接收机的核心器件，f p g a 的逻辑开发在基带系统设计中占有重 要地位。本章对f p g a 作了深入的研究。首先介绍了f p g a 的逻辑构成、开发 流程，在对f p g a 有了一定认识的基础上分析了f p g a 的几种配置模式，并提 出一种新型的被动并行加载模式，使配置更加迅速、方便。 2 1f p g a 简介 在复杂可编程逻辑器件出现以前，人们在设计数字系统时，把器件焊接在 电路板上是设计的最后一步。当设计需要更改或升级时，设计者必须重新设计电 路板，这样设计周期就被无谓地延长了。c p l d 和f p g a 的出现改变了这一切。 现在，人们可以在未设计出具体电路时，就把c p l d 或者f p g a 焊接在电路板上， 然后在设计调试时可以通过编写h d l ( 硬件描述语言) 程序，随心所欲地改变 电路的硬件逻辑关系，而不必改变电路板的结构，设计效率大大提高。 本课题中选用的a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列芯片e p 2 c 7 0 f 6 7 2 。该芯片采用 了9 0 n m 工艺，片内的逻辑资源的数量大幅增加，包含6 8 4 16 个逻辑单元，2 5 0 个 m 4 k 存储器块，存储器容量达115 2 0 0 b i t 。c y c l o n ei i 器件能够兼容多种信号标准， 可以同时满足多个标准的需要，连接不同标准的其他器件，以低廉的成本完成 复杂的设计需要。 2 1 1逻辑单元与逻辑阵列 逻辑单元( l e ) 是在f p g a 器件内部，用于完成用户逻辑的最小单元。一个单 元主要由以下部件组成：一个4 输入的查询表( l o o k u pt a b l e ，l u t ) 、一个可编 程的寄存器、一条进位链和一条寄存器级联链7 l 。一个逻辑阵列包含1 6 个逻辑 单元以及一些其他资源，在一个逻辑阵列的16 个逻辑单元具有更为紧密的联系， 可以实现一些特有的功能。 查询表的功能是用于完成用户需要的逻辑功能，c y c l o n ei i 系列器件中的查 询表是4 输入1 输出的查询表，可以完成任意的4 输入l 输出的组合逻辑。 可编程的寄存器可以被配置为d 触发器、t 触发器、j k 触发器或者s r 锁存 器。每个寄存器包含有4 个输入信号：数据输入、时钟输入、时钟使能输入以及 复位输入。其中，内部逻辑、外部引脚能够驱动寄存器的时钟输入、时钟使能 输入和复位输入、时钟输入和复位输入也可以通过全局时钟树驱动。 2 1 2 时钟资源 e p 2 c 7 0 中有关时钟资源的部分主要包括全局时钟树和锁相环两个部分。 7 全局时钟树是一种时钟网络，可以为f p g a 内部的所有资源提供时钟信号， 这些资源包括内部的寄存器、内部的存储器、输入、输出管脚寄存器等。它的 每条全局时钟树都对应一个时钟控制模块，时钟控制模块的作用是从多个时钟 源中选择一个连接到全局时钟树，进而提供给片内的各种资源。这些时钟源包 括锁相环的输出，专用时钟引脚的输入，两用时钟引脚的输入或者内部逻辑等。 s d ( t ) 图2 - l锁相环工作原理 锁相环的结构如图2 1 ：包括相频鉴别器( r f d ) 、环路滤波器( l p f ) 和压控振 荡器( v c o ) = - 部分。相频鉴别器( 以下简称鉴相器) 是个相位比较装置。它把 输入信号s i ( t ) 和压控振荡器的输出信号s o ( t ) 的相位进行比较，产生对应于两个 信号相位差的误差电压s 。( t ) 。压控振荡器受控制电压s d ( t ) 的控制，使压控振荡 器的频率向输入信号的频率靠拢，直至消除频差而锁定。锁相环是个相位误差 控制系统。它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，从而产生误 差控制电压来调整v c o 的频率，以达到与输入信号同频。在环路开始工作时， 如果输入信号频率与v c o 频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它 们之间的相位差势必一直在变化，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内 变化。在这种误差电压的控制恰，v c o 的频率也在变化。若v c o 的频率能够变 化到与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达 到稳定后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间 w 娩枷黼聃l 黼诺辩；鬻舔簌j 赫氟6 甜7 l 。鼍褫鬻爹、荔蠹零j 曩荔i i 叠雾荔荔i j j 曩戮趣遵囊醐 =；o=-=二=_=o=o竺=一一一=!：二二!一羔：=一 c 2 嘶e ，e m a d o 岫- a o c k j u m p t o p a a e l o f 汪1 霾透j a b l el oh d 爿删廿 ef e q u e 口：t e dp l l 舻业埒廿h c b c k 图2 2锁相环p l l 的参数设置 变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入“锁定”状态。这就是锁相环工作 的大致过程。 锁相环在电路设计中非常实用，除了被用来完成分频、倍频操作以外，锁 相环还经常用来是f p g a 器件内部的时钟和外部的时钟保持沿同步，提供需要的 外部时钟输出等。在c y c l o n ei i 系列器件中，锁相环支持单端的时钟输入和差分 的时钟输入两种输入方式。但只有使用专用的时钟输入管脚的时钟信号才能驱 动锁相环。如图2 2 所示在f p g a 中设定锁相环的参数。 2 2f p g a 的开发 2 2 1开发流程 f p g a 的开发，是指利用f p g a 芯片实现用户设计要求的全过程。完整的设 计流程包括电路设计输入、功能仿真、逻辑综合、综合后仿真、布局布线、时 序仿真与验证、板级仿真与验证、硬件测试和配置数据等步骤7 ，引。 1 电路设计与输入 电路设计与输入是指通过某些规范的描述方式，将工程师电路构思输入给 e d a i 具。常用的设计输入方法有硬件描述语言( h d l ) 和原理图设计输入方法 等。原理图设计输入方法适用于简单的逻辑电路设计，h d l 设计输入方法适合 与大型工程设计，其中影响最为广泛的h d l 语言是v h d l 和v e r i l o gh d l 。 2 功能仿真 电路完成后，要用专用的仿真工具对设计进行功能仿真，验证电路是否符 合设计要求。常用的仿真工具有m o d e lt e c h 公司的m o d e l s i m 等。 3 逻辑综合 逻辑综合( l o g i cs y n t h e s i z e ) 是指将h d l 语言、原理图等设计输入翻译成由 与、或、非门，r a m 、触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 网表) ，并根 据目标与要求( 约束条件) 优化所生成 的逻辑连接，生成网表文件。 4 综合后仿真 综合完成后需要检查综合结果是 否与原设计一致，主要目的在于验证综 合后的电路结构是否与设计意图相符。 5 布局布线 布局指将逻辑网表中的硬件语言 或底层单元合理地适配到f p g a 内部的 固有硬件结构上，布线指根据布局的拓 扑结构，利用f p g a 内部的各种连线资 源，合理正确的连接各个元件的过程。 9 图2 3f p g a 开发流程图 6 时序和板级仿真与验证 主要目的是验证是否存在时序违规和分析高速设计的信号完整性。 7 硬件测试 利用e d a 硬件开发平台在线调试或将生成的配置文件写入芯片进行测试。 2 2 2f p g a 开发工具【7 9 l f p g a 的开发需要借助于f p g a 开发系统，按照开发系统的工作步骤，将用户的设 计转换成f p g a 的配置数据，并将配置数据下载到f p g a 中的过程。各f p g a 厂商都有 自己的开发系统，本设计中选用的是a l t e r a 公司的q u a r t u si i ，设计流程图如图2 3 所示： 2 3f p g a 芯片的配置 由于f p g a 是基于s r a m 工艺制造的，由于s r a m 的掉电易失性，f p g a 在 每次上电时必须重新配置。系统每次上电后需重新加载配置数据，如何快速、 高效地将配置数据写入f p g a ，并且保证其在掉电后再次上电能自动可靠地恢复 配置，就成为整个系统的关键所在。c y c l o n e i i 系列f p g a 支持3 种配置方式。表 2 1 所示为m s e l 的状态和所选定的配置方式i 1 0 , 1 1 l 。 表2 一i 配置方式控制字 配置方式 m s e l 1 】 m s e l 0 】 主动串行a s ( 2 0 m h z ) oo 被动串行p s o1 f a s ta s ( 4 0 m h z )10 j t a g 任意任意 2 3 1j t a g 模式 j t a g 是由联合测试组制定的边界扫描测试规范。边界扫描测试允许用户在 系统工作过程中取得所需的测试数据，并且不需要使用物理设备。尽管j t a g 规范的主要目的是用于测试，但其也可以用来配置f p g a 芯片。 j t a g 使用一个四线接口，包括数据输入端口( t d i ) ，数据输出端口( t d o ) ， 模式选择端口( t m s ) ，时钟输入端口( t c k ) ( 0 n 图2 4 所示) 。使用j t a g 下载时， 配置数据通过t d i 传入f p g a 。当配置数据传送完毕后，c o n fd o n e 被拉高， f p g a 进入初始化阶段。在初始化阶段，t c k 的时钟信号被作为系统时钟， c y c l o n ei i 系列f p g a 需要2 9 9 个时钟周期来完成初始化。但j t a g 配置需要有 一台计算机，对于已经设计完成的系统，如果每次掉电都要通过计算机下载