（通信与信息系统专业论文）多通道通用数据采集系统的设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 近年来，水下导航、海洋探测、水下目标定位以及水下通信等领域迅猛 发展，这些领域常常使用水声信号作为信息传输的载体。水声信号数据采集 装置对于水声试验来说是不可缺少的，因此研制一套高性能的、能够适应水 声信号特点的数据采集系统十分必要。水声信号在水中传播时，水中的自然 环境极其复杂，要求所采用的数据采集器能够适应水下恶劣的自然环境，不 但具有较大的动态范围，所采集信号的幅度范围要尽可能的宽，而且试验现 场的数据量很大，常常需要很多通道同时进行数据采集，这样一来，对数据采 集器提出了相当高的要求。另外，从节约成本的角度考虑，又要求所采用的 系统应该具有一定的通用性和灵活的扩展能力。本论文所要完成的工作正是 基于这一目的而展开的。 本论文阐述了一套基于d s p 与f p g a 的多通道通用数据采集系统的设计过 程。该系统采用目前广泛使用的t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 和a l t e r a 公司的f p g a 芯片e p f i o k 5 0 e 作为核心控制部分，完成整个系统的数据处理、 数据传输以及逻辑控制功能。此外，本系统还采用了多种具有数字接口的i c 芯片，使得整个系统不但具有很高的数据传输速度，而且具有很高的通用性 和灵活性。 本论文的研究内容包括：1 系统总体硬件电路方案的设计。包括模拟部 分、数字部分以及其它硬件接口电路的设计。2 系统中的可编程逻辑器件的 硬件逻辑设计。采用v h d l 语言对f p g a 和c p l d 进行逻辑设计。3 系统中d s p 的软件设计。包括d s p 程序设计、d s p 程序的上电加载。 关键词：数据采集器；d s p 芯片；f p g a 芯片 蛤尔滨工程大学 囊圭学诬论文 a b s 翻r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h ef i e l ds u c ha su n d e r w a t e rn a v i g a t i o n 、o c e a ne x p l o r a t i o n 、 l o c a t i n go f u n d e r w a t e ro b j e c ta n du n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o n d e v e l o pv e r yf a s t + u n d e r w a t e ra c o u s t i ci so f t e nu s e da st h ec a r r i e ro f i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，s oa s e to fu n d e r w a t e ra c o u s e t i cd a t a a c q u i s i t i o ne q u i p m e n t w h i c hh a s h i g h p e r f o r m a n c e a n dc a n a d a p t u n d e r w a t e ra c o u s e t i c sf e a t u r ei s n e c e s s a r y t o u n d e r w a t e ra c o a s t i e e x p e r i m e n t a t i o n s i n c e t h es i t u a t i o nu n d e r w a t e ri s v e r y c o m p l i c a t e d ，w em u s ta d o p tt h ed a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n tw h i c hi sa d a p t i v et o t h ea b o m i n a b l ef i e l du n d e r w a t e r a l lo f t h e s em a k eu st om a k et h ed a t a a c q u i s i t i o n e q u i p m e n t h a saw i d ed y n a m i c r a n g ea n dh a v et h eu t i l i t yt oa c q u i r et h es i g n a l s w h i c hh a v el a r g ea m p l i t u d er a n g e t or e d u c et h ec o s tn e c e s s a r yf o rt h er e s e a r c h o ni t ，w em u s tm a k et h e s y s t e mh a sa l l - p u r p o s ep e r f o r m a n c ea n df l e x i a b l e e x t e n d i n ga b t i t i t y a l lo f t h e s er e q u e s t sa r et h ek e r n e lo f t h ep a p e r i nt h i st h e s i s ，as e to fu n d e r w a t e ra c o u s e t i cd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n ti s d i s c u s s e d 。w h i c ha d o p td s po ft m s 3 2 0 v c 5 4 0 2a n df p g ao ff l e x l 0 k 5 0 e8 s t h es y s t e m sd a t ap r o c e s s i n ga n dd a t at r a n s m i s s i o na n dl o g i c a lc o n t r o lc o r e o t h e r i cd e v i c e s 诚氇d i g i ti n t e r f a c ea l s oi sa d o p t e ai ni ta n d s ot h es y s t e mh a sn o t l y v e r yh i g l ld a t at r a n s m i s s i o nr a t e ，b u ta l s ov e r yh i g hc o m m o n a l i t y a n d f l e x i b i l i t y t h ew o r kf i n i s h e di nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ：i s y s t e m sh a r d w a r ep r o g r a m h a sb e e nd e s i g n e d ，i n c l u d ea n a l o g u ec i r c u i tp a r t 、d i g i t a lc i r c u i tp a r ta n do t h e r h a r d w a r ec i r c u i ti n t e r f a c e 2 h a r d w a r el o g i co ff p g aa n dc p l dd e v i c e si n s y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d w i t hv h d l l a n g u a g e 。3 。d s p ss o f t w a r eo fs y s t e m h a s b e e nd e s i g n e d ，i n c l u d ed s p ss o f t w a r ea n dd s p sb o o t l o a d e r k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n t ；d s pi c ；f p g a i c 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 世界海洋的总面积达3 6 亿多平方公里，占地球总面积的7 0 多，地球 上8 0 的生物生活在海洋之中。陆地面积只占其中的不到3 0 ，而且几乎已 经被现代人开发殆尽，其中的资源己濒临绝境，然而海洋中却拥有极为丰富 的石油和天然气资源。随着科技的发展，人类也将逐步把自己的生活空间向 海洋推进，建设海底隧道、海上人工岛、跨海桥梁等等。可以说，2 1 世纪将 是海洋的世纪，人类将更多地依靠海洋资源，将更多地从海洋中获取资源， 从海洋中探索地球的奥秘，从海洋的深处探索生物的起源一。 世界各国对海洋主权的竞争日趋激烈。以我国的南海为例，其主权正受 到空前严峻的挑战。南沙群岛的绝大部分己被越南、菲律宾、文莱、马来西 亚等国非法侵占，它们正疯狂地掠夺石油、天然气、渔业等珍贵资源。再有， 东海的钓鱼岛及周围约3 0 万平方公里的海域被日本侵占；东海还有大片的领 海被曰、韩划入自己版图或有纠纷。台湾，时刻处在从祖国怀抱分离出去的 危险中。中华人民共和国近3 0 0 万平方公里的蓝色国土面临被瓜分的危险! 保卫蓝色国土是海军义不容辞的使命。近年来海军的发展备受各国的关 注，海军力量的强弱已成为衡量一个国家强大与否的新标准。各国海军的军 事开支逐年攀升，技术投入也逐年加大。依据目前国际形势发展的需要，我 国也相应加大对海军建设的投入，尤其加大了对高新技术装备研制与发展的 投入。借助海水的天然伪装，水下武器的开发一直是人们关注的焦点。 到目前为止，水中信号传播的主要载体是声波，因此对于水声信号的研 究是十分重要的。近年来，水下导航、海洋探测、水下目标定位以及水下通 信等领域的迅猛发展，就使得试验现场的数据量更大，这样一来，对数据采集 器提出了更高的要求，因此研制一套高性能、能够适应水声信号特点的数据 采集系统十分必要。 在水声信号检测中，由于目标相对接收点的距离变化范围很大，而且水 声信道极其复杂，使得接收机接收到的水声信号动态范围相当大，可以达到 哈尔滨工程大学硕士学位论文 8 0 d b 以上，而a d 采样的动态范围有限，所以要求数据采集器的放大电路具 有很高的动态范围：另外，接收到的信号中混有大量的噪声信号，信噪比一 般很低，要求数据采集器具有良好的滤波特性。要求所采用的系统具有一定 的通用性以及灵活的扩展能力。因此解决二者的矛盾成为设计该数据采集系 统的一个关键部分。 笔者对市场上常见的数据采集器进行了一些调查，选择了其中典型的几 种与本文设计的数据采集器进行了比较，如长城公司的d a q 一2 2 0 6 、u s b 一9 1 0 0 ， 研华工控公司的p c l 一8 1 8 、p c l - 1 8 0 0 ，还有国外i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t a t i o n 公司的u d a s 多功能u s b 数据采集系统等等。现将几种数据采集器与本系统的 性能比较结果列于表1 1 中。 表1 1 几种常见数据采集系统的性能比较 i m e i n s 公司名称长城公司研华工控公司 公司 产品型号d a q 一2 2 0 6u s b 9 1 0 0p c l 一8 1 8 hp c l - 1 8 0 0u d a s本系统 采样通道数6 4 88 或1 68 或1 68 或1 66 4 1 2 8 a d 位数1 6 位1 2 位1 2 位 1 2 位1 2 位1 6 位 全通道同步 2 5 0 k s p si o o k s p si o o k s p s3 3 0 k s p si o o k s p si 0 0k s p s 最高采样率 数字接口 i d e 磁盘阵 p c iu s b i 1p c ip c iu s b l 1 方式 列、u s b 2 0 每通道参每通道参每通道参每通道参每通道参每通道可 模拟滤波器 数固定数固定数固定数固定数固定 编程 每通道每通道每通道 每通道可 增益控制可编程 可编程 固定固定 可编程编程 主机、自身 控制方式主机控制主机控制主机控制 主机控制主机控制 单独控制 从上表可以看出，这些采集器的一个普遍的特点就是采集某些固定种类 的信号，而且动态范围也比较小，通道数一般比较少以及必须与主机进行接 哈尔滨工程大学硕士学位论文 口等等，这些都限制了其具体应用的范围，这也迫使我们必须从实际要求出 发，设计一套适合于水声数据采集的较为通用的系统。本课题正是基于这一 背景下提出来的。 本课题设计的可扩展多通道数据采集系统模拟部分采用m a x i m 公司的可 编程滤波器作为前置滤波，用d a 转换器实现高达7 0 d b 范围的增益控制，采 用1 6 位的a d 转换器进行a d 转换。使用d s p 、f p g a 、c p l d 对系统进行管理 使整个系统能够协调工作，采用i d e 磁盘阵列、u s b 2 0 接口接口方式与主机 相连。能够实时的传送大量的数据并存盘，所选用的增益控制曲线以及控制 参数可在液晶屏上实时显示出来，并且可以脱机或者是联机两种方式工作， 这样一来，大大的拓宽了该系统的使用范围。 1 2 数据采集系统中芯片的发展 1 2 1 模拟i c 的发展 随着科技日新月异的飞速发展，近年来芯片技术的发展非常迅速。模拟 集成块( 简称模拟i c ) 正在逐步向可编程、混合功能方向发展，并且工艺水 平也直追数字芯片。 模拟i c 包含了纯模拟信号处理功能的电路和a d 混合信号处理功能的电 路。其技术范围涉及数据转换器( 如a d 、d a 转换器等) 、线性和非线性放 大器( 如运算放大器、射频放大器、对数放大器、电压比较器、模拟乘法器 等) 、电子开关和多路转换器、稳压电源调节器( 如线性电压调节器、开关电 源控制器等) 及其它模拟i c ( 如驱动器、延迟线、传感器等) 。在工艺技术 方面，由于数字化革命席卷全球，它所带来的影响是使i c 走向更高的集成度、 更低的功耗、更小的体积、更低的价格，将大大加速模拟与混合信号集成领 域的发展进程，并使模拟与数字电路的制作紧密结合。 1 2 ，2 数字i c 的发展 数据采集系统的控制芯片也由原来的单片机发展到数字处理芯片d s p 、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 嵌入式芯片等速度更高功能更强的芯片。 在高速数据采集系统中，通常采用单片机或d s p ( 数字信号处理器) 作为 c p u ，控制a d c ( 模数转换器) 、存储器和其他外围电路的工作。但分析基于 单片机和d s p 的数据采集系统，就会发现一些问题。 ( 1 ) 单片机的时钟频率较低，难以适应高速数据采集系统的要求。而d s p 虽然可以实现较高速的数据采集，但是它的许多指令更适于实现算法而不适 合逻辑控制，而且其外部接口的通用性较差： ( 2 ) 单片机和d s p 的各种功能要靠软件的运行来实现。特别是单片机，它 的程序执行的速度和效率较低，软件运行时间在整个采样时间中占很大的比 例：采用流水线结构的d s p ，当程序频繁的执行跳转、中断等操作时会使它 的程序执行速度降低很多。 ( 3 ) 单片机擅长于响应频繁的外部中断，尤其擅长于处理密集的乘加运 算。而数据采集系统所要求的是高速进行的简单读写操作。如果采用高速d s p 进行数据采集，对于d s p 的运算能力而言，是一种浪费。 而在高速数据采集方面，f p g a ( 现场可编程门阵列) 有单片机和d s p 无法 比拟的优势。f p g a 时钟频率高，内部时延小；全部控制逻辑由硬件完成，速 度快，效率高，适于大数据量的高速传输控制；组成形式灵活，可以集成外 围控制、译码和接口电路。缺点是难于实现一些复杂的算法。 因此，单独的采用d s p 或者f p g a 作为数据采集系统的控制核心部分都不 是最佳的选择，如果采用d s p 与f p g a 的组合，则可以互补二者的不足，使 d s p 的高速数据处理能力与f p g a 的高速、复杂的组合逻辑和时序逻辑控制相 结合，因此是最佳的选择。本系统采用了t i 公司的高性能数字信号处理芯片 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 和a l t e r a 公司的现场可编程门阵列( f p g a ) e p f i o k s o e 、复杂 的可编程逻辑器件( c p l d ) e p m 7 2 5 6 a 作为数据处理和逻辑控制芯片。 1 3 论文研究内容 本论文详细的阐述了一套多通道通用数据采集系统的设计与实现，主要 包括硬件电路的设计、f p g a 与c p l d 的逻辑设计以及d s p 的软件编程、程序 上电引导方法即b o o t l o a d e r 等几部分。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 、硬件电路设计方面，完成了总体硬件电路的设计： 前端模拟电路的设计，包括：放大电路、增益控制电路、滤波电路、 a d 变换电路 主控制电路的设计，包括：d s p 、f p g a 、i d e 磁盘阵列接口电路、 u s b 2 0 接口电路、液晶显示电路、键盘电路及其它辅助电路 2 、完成了f p g a 、c p l d 的内部逻辑设计，采用v h d l 硬件电路设计语 言设计了多种功能模块，包括各种时序接口逻辑和控制逻辑。 3 、软件设计方面，完成了各个子程序模块的编程设计：主控制程序、控 制参数计算子程序( 包括滤波器参数处理子程序和增益参数处理子程序) 、液 晶显示器管理子程序、系统采样管理子程序、键盘管理予程序等。同时还完 成了d s p 程序固化及程序上电引导即b o o t l o a d e r 。 1 4 论文结构 第一章： 第二章： 第三章： 第四章： 第五章： 说明了研制本系统的紧迫性和必要性 给出了系统的总体结构、指标以及主要芯片的选择 阐述了系统中模拟电路、数字电路的接口设计 阐述了可编程逻辑器件的内部逻辑设计 论述了d s p 的程序设计、程序固化及程序上电引导 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章多路数据采集系统 2 1 系统总体说明 本数据采集系统主要由前端模拟电路、主控制电路、数据传输接口电路、 液晶显示、键盘和鼠标接口电路以及其他辅助电路组成。 前端模拟电路包括3 级放大电路、可编程滤波电路、增益控制电路、a d 转换电路、二级数据缓冲电路、逻辑控制电路组成。它完成对输入信号进行 放大、滤波、增益控制、a d 变换等功能。a d 变换后的输出数据首先进入二 级缓冲电路，再通过6 4 b i t 的数据总线传输给主控制电路。逻辑控制电路完 成两个功能：一、将主控制电路发来的控制信号进行译码，再发送给可编程 滤波电路、增益控制电路、a d 变换电路，实现逻辑控制；二、对a d 转换 后的输出数据进行缓存。第二级数据缓冲器由8 片1 6 位的数字锁存器1 6 3 7 4 组成。 主控制电路由d s p 和f p g a 及其外围电路组成，是控制器的核心部分，包 括一片t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 器件、一片a l t e r a 公司的f l e x i o k 5 0 e 器件， 共同完成整个系统的控制和数据传输、处理任务。主控制电路与前端模拟电 路通过6 4 b i t 的数据总线、7 b i t 的地址总线和2 2 b i t 的控制总线连接，通过 i d e 磁盘阵列接口电路( 兼容u s b 2 0 接口电路) 、液晶显示器接口电路、键盘 接口电路、鼠标接口电路与外部设备连接。f p g a 与d s p 联合完成前端模拟电 路中的可编程滤波器的设计、a d 转换器的时钟选取、数据的计算以及相应 的控制逻辑，完成对液晶屏、键盘的控制、实现与p c 机的通信以及完成与 i d e 硬盘、u s b 2 0 两种不同接口间的数据传输。 液晶显示屏和键盘、鼠标接口电路作为主要的人机接口设备，完成系统 所需控制参数的输入、系统的工作状态的显示以及采样数据的显示等功能。 2 2 系统指标及总体结构 本系统的任务是对6 4 通道水声信号进行采集并存盘，并可以扩展到对 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 8 通道水声信号采集并存盘，为了正确地采集数据，对各通道的幅频特性 与相频特性以及动态范围与存盘速度均有一定要求。下面首先列出系统的主 要功能和技术指标，然后根据要求，从整体上设计了系统的结构，其中一些 主要指标在系统内部功能的具体实现时进行说明。 2 2 1 系统功能 在l o o k h z 的采样频率条件下，能实时采集6 4 1 2 8 通道数据并存盘 存盘速度：6 4 通道时1 0 2 4 m b i t s ，1 2 8 通道时2 0 4 8 m b i t s 采用液晶显示器、键盘作为人机交互界面，显示系统预先装订的增 益控制曲线或现场人工设定增益值与滤波器的滤波特性参数 每通道的增益值和滤波器的滤波特性参数可以独立的设定 可以采用脱机或者是联机方式工作 采用i d e 磁盘阵列接口( 兼容u s b 2 0 接口) 来传送数据 2 2 2 系统技术指标 采集数据的通道数为6 4 通道，可扩展到1 2 8 通道 各通道增益可独立编程控制 最大增益为8 0 d b ，增益控制范围 7 0 d b 各通道的滤波特性可编程控制： 低通滤波器的带宽控制范围：8 0 h z 5 0 k h z ：带宽变化步长4 ；过 渡带衰减斜率一8 0d b 带通滤波器的中心频率控制范围：8 0 h z 5 0 k h z ；中心频率变化步长 4 ：滤波器的品质因数q 值的控制范围：0 7 7 5 1 3 9 5 ：带通滤 波器的带宽控制范围：0 5 7 h z 6 4 5 2 k h z ；过渡带衰减斜率一4 0 d b 各通道同步采集，最高采样速率为i o o k h z 系统的模拟信号输入端等效输入噪声的有效值一 5 u v 各通道的相位一致性0 1 。 各通道的增益值一致性o 1 d b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ；i i i ；暑宣；i i i ；暑；i i i 高_ 篁；i i i ；宣；i i ；j 宣；i i i i i ； 2 2 3 系统总体结构 根据系统所提出的要求，可画出整个系统的结构框图，如图2 1 所示。 图2 1 系统总体结构框图 整个系统包括：前端模拟电路( 包括放大，滤波，增益控制，a d c ，数据 缓冲、逻辑控制等部分) 、主控制电路( 主要由d s p 和f p g a 组成) 、数据传输 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接口电路( i d e 磁盘阵列接口、u s b 2 0 接口) 、液晶屏电路、键盘鼠标电路 以及其它的外围辅助电路组成。 本系统要求可脱机工作或联机工作，滤波器特性可编程控制，采集通道 数可扩展以及实时显示增益控制曲线并能进行大批量数据高速传输等等。所 以器件的选择应以易用性、易购性、易进行扩展以及所需开发支持设备比较 通用和性能价格比等诸方面进行综合考虑。 2 3 器件的选择 2 3 1 数字信号处理器( d s p ) 概述 数字信号处理由于其精度高、灵活性大、可靠性好、易于大规模集成等 优点，正得到迅速发展和广泛应用n ， 1 0 1o 数字信号处理器( d s p ) 正是适应这 种需要而于5 0 年代末发展起来的一门现代信号处理技术，它具备自身的特 点，而且强调处理的实时性n “。这样，d s p 不仅具有高速运算和控制能力，而 且根据实时数字信号处理的特点，在处理器结构、指令系统、指令流程上都 做了很大的改动，具体的说，有以下几个方面”“”1 ： 普遍采用数据总线和程序总线相分离的哈佛结构或改进的哈佛结 构，比冯诺依曼结构有更高的指令执行速度 大多采用流水线技术，减少每条指令的执行时间 片内有多条总线，并且提供方便的寻址方式，大大提高了指令的执 行效率 提供高速的寻址方式，如循环寻址、位反寻址等 针对数字信号处理中大量用到的乘累加操作的特点，配有独立的硬 件乘法器和加法器，可在一个指令周期内完成乘累加运算 片内集成d m a 控制器和串行通信口等，提高了数据的搬移能力 具有软、硬件等待功能，可方便的与各种存储器接口 单片系统，功耗低，易于小型化和便携式设计 因此，d s p 较通用微处理器具有高得多的运算速度，重要的是可以完成 数据的实时处理。随着性能的迅速提高和成本的大幅度下降，d s p 的应用范 啥罱滚工程大学硕士攀位论文 围不断扩大，其】陂用几乎遍及艇个电子领域。 8 0 年代初，n e c 公司的k tp d 7 7 2 0 、b e l l 研究所的d s p 2 0 和后来t i 公司 的t m s 3 2 0 1 0 是早期d s p 戆典型代表，它饲在数字镑号楚理孛震示了独特麴铙 点，从此d s p 进入高速发展的阶段。d s p 的发展大致经历了三个阶段：第一 阶段是戳t m s 3 2 0 c l o 虎2 x 为代表静1 6 谴定点d s p ，它们静攒令躅麓只有 l o o n s 2 0 0 n s ”。它们的升级替代品是更为先进的a d s p 2 1 x x ( a d 公司) 、 t m s 3 2 0 c 2 5 c 5 x c 2 x x c 5 4 x 等型号“”“；t i 公司目前磁在推出的低功耗芯 片t m s 3 2 0 c 5 5 x 。“，提供了枢瀑于垦越d s p 六分之一的功耗和五倍的性能， 特别适用于便携设备中。第二阶段推出的是3 2 位浮点d s p ，目自f 代表产品有 a d s p 2 1 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 3 x 6 4 等羹号，运算髓力大大掇毫，瀵灞于数据动态范整 很大的场合。近几年出现了性自& 更高的第三代d s p ，包括弗行d s p 和超高性 髓d s p ，魏t m s 3 2 0 c 4 x w 、a d s p 2 1 0 6 x 和1 9 9 7 年t i 推密的c 6 xd s p ( e 6 2 x 一 3 2 使定点d s p 和c 6 7 x 一3 2 位浮点d s p ) n “w ”。 表2 1 几种流行d s p 的性能比较 滋较硬毯 罩5 糖3 2 0 ￥c 5 4 0 2l 鞋s 3 2 0 c 6 2 0 l联s 3 2 0 c 6 7 0 1矗b s p - 2 1 0 6 0 先进的改进 r e l o c i t iv e l o ci t i 超级 体系结梅 咯稀络构超长指令字越长指令字洽佛结构 时钟( 心z ) 1 0 2 0 01 6 74 0 性能定点定点浮点浮点 运算能力 1 0 8 撼l p s1 6 0 潞l i p s1 g f l 蹬垮”控嘲黥s 指令字长 1 63 28 3 24 8 存储器2 5 6 kb i t 1 mb i ti mb i t捌b i t d 姒通道6 个4 + 1 ( h p i 口) 4 + l ( h p i 口)1 0 仓 2 个 2 个2 个2 个 串口 5 0 mb i t s8 3 4 mb i t s 8 3 。4 mb i t s4 0 mb i t s 并口 h p i 一8h p i 一1 6h p i 一1 6l i n k - 3 2 宅压( v ) 1 8 3 32 3 3 i ，8 3 。3器 功耗 7 0 m w 2 5 暾鼎 7 0 艘1 2 0 m w 价格( $ ) 9 9 35 6 6 与l l 公司撼魄，躺公司豹d s p 蕊片裔鑫己熬特熹，窝系统霹铮一般不 经过分频直接使用，串行口带有硬件压扩，可从8 位e p r o m 引哿程序，可编 程等待状态发生器等。其d s p 也有定点和浮点之分，a d s p 一2 1 x x 系歹d 为定点 d s p 葚片，a d s p - 2 1 x x x 游浮点d s p 芯片。t i 公司的叛一代t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列 几乎有相同的特点，但却有较好的性价比，所以a d 公司的定点d s p 芯片用的 毙较少。嫡公司瓣浮煮d s p 戈潋a d s p 一2 1 0 6 x ( s h a r c ) 系列最为出色，支持 多处理器甄连，具有很强的并行处理能力“”。 瑶前瀚肉努斑用最广泛韵定点d s p 是t i 公司鹃t m s 3 2 0 c 5 4 x 系歹l j ，它戳 极赢的性能价格比( 如t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 具有i o o m i p s 的性能，售价仅5 美元) 和檄低的功耗，在便携产品、无线通信、网络、工业和电信系统等方 嚣褥到广泛应用。垦翦，t m s 3 2 0 c 5 4 xd s p 已应用于世界上近三分之二的数字 式手机中。另外德得提的是，t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的销售量已突破一酉万片 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大关，也充分说明了它的性能和价格有极大的优势。 通过对目前主流的几种d s p 的性能进行了比较，我们可以看出，浮点d s p 虽然表示的数的动态范围比较大，但由于一方面浮点d s p 大都功耗大、价格 高，另一方面在本系统中虽然滤波器的参数选择部分有浮点运算但并不复杂 并且最后的结果也需要取整，其余的都是定点运算。所以本系统选用低功耗、 低价位的定点d s p ，再进一步综合灵活性、易用性、技术支持和性能等诸方 面的因素之后，选用了目前应用广泛、具有最好性能价格比、高速的定点d s p t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ) 。它的单指令周期达i o n s ( i o o m i p s ) ， 而正常工作时功耗只有6 0 7 0 m w 。软件可编程锁相环在c p u 不工作时，降低 时钟频率，从而可降低功耗，而正常工作时，又可很快提升时钟频率”1 ；软件 可以利用空闲指令( i d l e i 、i d l e 2 和i d l e 3 ) 将1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 置于省电 模式m ，：片内的软等待状态发生器和d m a 通道等外设，为硬件调试和软件编 程带来了极大的便利。所有这些成为我们选择t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 的强有力 的理由。 2 3 2 现场可编程门阵列( f p g a ) 概述 2 3 2 1f p g a 及f p g a 逻辑设计简介 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路( 微处理器、存贮器以及标 准逻辑电路等) 广泛应用的社会。与此同时，数字集成电路本身也在不断地 进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小规模集成电路( 几十几百 门) 、中规模集成电路( m s i c ，几百几千门) 、大规模集成电路( l s i c 几千 几万门) 发展到超大规模集成电路( v l s i c ，几万门以上) 以及许多具有特定 功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路 的任务己不完全是由半导体厂商来独立承担。系统设计师更愿意自己设计专 用集成电路芯片( a s i c ) ，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实 验室里就能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现 了可编程逻辑器件。f p g a 的应用既减少了逻辑设计的工作量又提高了系统的 可靠性n 。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 2 2 f l e x l o k 系列器件f p 6 a 简介 到目前为止，a l t e r a 公司f l e xi o k 系列已推出了f l e xi o k 、f l e xi o k a 、 f l e xi o k b 、f l e x1 0 k v 和f l e xi o k e 等5 种分支系列，其集成度也已达到前 所未有的2 5 0 0 0 0 门。f l e x1 0 k 系列采用重复可构造的c m o ss r a m 工艺，把 连续的快速通道互连与独特的嵌入式阵列结构相结合，同时也结合了众多可 编程器件的优点来完成普通门阵列的宏功能。每个f l e xi o k 器件还包括一个 嵌入式阵列和一个逻辑阵列，他能让设计人员轻松的开发出集寄存器、数字 信号处理器及特殊逻辑等强大功能于一身的芯片。此外，f l e xi o k 器件所具 有的多电压( m u l t i v o l t ) 功能可以全面支持以不同电压工作的产品，同时还 具备多款封装供设计者选择，其中包括纤薄四方扁平封装和球体栅格阵列封 装等。f l e xi o k 的逻辑功能和互连是由c m o ss r a m 单元配置的。系统加电时， 通过存贮在一个a l t e r a 串行配置e p r o m 器件中的数据或由系统控制器提供的 数据对f l e x1 0 k 器件进行配置。f l e xi o k 器件还有一个优化的界面，允许 微处理器以串行方式或并行方式、同步方式或异步方式对f l e xi o k 器件进行 配置m 。 2 3 2 3f l e x l o k 系列器件的特点 ( 1 ) 它是工业界的第一种嵌入式可编程逻辑器件系列，提供了在单个器件中 的系统集成： 具有实现宏函数的嵌入式阵列( 例如实现高效存贮器和特殊的逻辑功 能) 具有实现普通功能的逻辑阵列 ( 2 ) 高密度： 1 0 0 0 0 2 5 0 ，0 0 0 个可用门 高达4 0 ，9 6 0 位内部r a m ( 每个e a b 有2 0 4 8 位) ，所有这些都可以为设 计者所使用 ( 3 ) 系统级特点： 支持多电压( m u l t i v o l t ) 接口 在f l e xi o k a 器件中容许输入引脚的电压为5 o v ，在f l e xi o k b 器件 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中容许输入的引脚电压为3 3 v 和5 o v 低功耗( 维持状态小于0 5 姗) f l e xi o k 和f l e xi o k a 遵守全p c i 总线规定 内带j t a g 边界扫描测试电路 器件采用s r a m 工艺制造并可在2 5 v 、3 3 v 和5 o v 电源电压下工作 时钟锁定和时钟自举选项有助于减小时钟延迟畸变和对时钟进行倍 频 器件内低畸变时钟树形分布 所有器件都经过1 0 0 的功能测试 ( 4 ) 灵活的内部连接： 快速、可预测连接延时的快速通道( f a s tt r a c k ) 连续式布线结构 实现快速加法器、计数器和比较器的专用进位链 实现高速、多输入逻辑函数的专用进位链 模拟三态能实现内部三态总线 多达6 个全局时钟信号和4 个全局清除信号 ( 5 ) 增强功能的i o 引脚： 每个引脚都有一个独立的三态输出使能控制 每个i 0 引脚都有漏极开路选择( o p e n d r a i no p t i o n ) 可编程输出电压的摆率控制可以减少开关噪声 ( 6 ) 具有快速建立时间和时钟到输出延时的外部寄存器。 ( 7 ) 多种封装方式可任意选择： 8 4 6 0 0 引脚的各种封装 同一种封装中的各种f l e x i o k 器件的引脚相兼容 ( 8 ) 工作在4 8 6 和奔腾p c 机型以及s u ns p a r s t a t i o n 、h p9 0 0 0s e r i e s 7 0 0 8 0 0 和i b mr i s cs y s t e m 6 0 0 0 工作站等平台上的a i t e r a 鼢x * p l u s ii 开发系统支持软件设计和自动布线”“。 2 3 2 4f l e x i o k 系列器件内部功能块描述 f l e x i o k 器件主要包括嵌入式阵列块，逻辑阵列块，f a s tt r a c k 互连和 哈尔滨工程人学硕士学位论文 i o 单元四部分。 嵌入式阵列 嵌入式阵列由一系列嵌入式数组块( e a b ) 构成，用它可以实现存储功能， 如可以用来构造r a m ，r o m ，f i f o 和双口r a m 。e a b 也可以用于实现乘法器， 微处理器，状态机及复杂逻辑( 主要是构造真值表) 等。 逻辑阵列块( l a b ) 每个l a b 是由8 个逻辑单元( l e ) 和它们的进位级连链、l a b 控制信号 以及l a b 局部互连组成。l a b 为f p g a 提供“粗颗粒”结构，l e 为f p g a 提供 “细颗粒”结构，因此容易实现高效布线。同时，l a b 之间还可以灵活地互 连，因此f p g a 可以高效的实现复杂的逻辑运算。 快速信道互连( f a s tt r a c k ) f a s tt r a c k 互连提供l e 于器件i o 引脚之间的互连。这种全局使得布 线结构减小了逻辑资源间的延时，提高了器件的整体性能。 i o 单元( i o e ) i o 单元由一个双向缓冲器和一个寄存器组成。寄存器既可以用作需要 快速建立时问的外部资料输出，也可以作为要求快速“时钟一输出”性能的资 料输出。每一个i o 都可以根据实际需要配制成低噪声或高速度。 2 3 31 d e 磁盘阵列接口 i d e 磁盘阵列是将几个单片的磁盘驱动器连接器起来，实现数据的并行 存储，这样可以有效的提高存储媒体的数据存储速度。它是本系统的一个组 成部分，由课题组的另外的同学负责设计。它与数据采集系统的接口设计是 由课题组的同学共同协商开发的。该接口与单片的磁盘驱动器、u s b 2 0 接口 是兼容的，因此可以与计算机主机通过u s b 接口进行通信，可以实时地把采 集到的数据发送给主机，也可以将数据采集器的控制权交给主机，实现主机 控制。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 3 1 i d e 接口简介 i d e 接口于1 9 8 4 年开始了它的发展进程，并且在德克萨斯州的计算机制 造商康柏( c o m p a q ) 公司的努力下，得到了长足的发展。目前，i d e 接口的 几种通用形式仍然被广泛应用。i d e 是i n t e g e r a t e dd i s ke l e c t r o n i c s 的英 文缩写，即集成磁盘电路设备，也称作a t a 总线接口。 2 3 3 2i d e 物理接口 i d e 接口使用的是一条4 0 针的带状电缆，一般来说，这条带状电缆的长 度不会超过4 6 c m ( 1 8 英寸) 。电缆连接器通常被安装在带状电缆的两端用来 连接主机和硬盘驱动器。几乎所有的信号都采用t t l 电平。通过i d e 接口的 数据传输可以有两种方法：通过可编程的i o ( p i o ) 和使用直接内存访问 ( d m a ) 。a t a 标准为p 1 0 和d m a 定义了三种操作模式，模式0 是正常模式， 但也是最慢的。 2 3 3 3i d e 协议 i d e 接口与主机之间的通信主要是通过访问i d e 控制器的两组寄存器来 实现的。命令寄存器组用来给磁盘驱动器发送命令并进行数据交换；控制寄 存器组用来控制磁盘驱动器。i d e 控制器包括许多种寄存器，它们描述了控 制器如何出现在主机系统中，是i d e 接口与主机之间数据传输的媒介。这些 寄存器主要有：数据寄存器、错误寄存器、特性寄存器、扇区计数寄存器、 介质地址寄存器、扇区号寄存器、状态寄存器、命令寄存器、设备控制寄存 器等等。 i d e 命令的执行一共有5 个协议： p i 协议：p i o 方式读命令 读命令包括对扇区及缓冲区的一次或多次读写等多个命令。p i 命令协议 执行时，首先主机把执行命令过程所需的所有参数发送到地址寄存器和特性 寄存器中，然后主机再把操作码发送到命令寄存器中以开始写操作。 1 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 p o 协议：p i o 方式写命令 p o 是一个写命令，执行时，必须首先向扇区缓冲区发送5 1 2 字节的数据。 n d 协议：没有数据传输的命令 没有数据传输的命令在执行的时候不会用到扇区缓冲区。但是，这种命 令仍然可以在驱动器和主机之间进行信息交换。这种信息交换是通过读写寄 存器来完成的。 d m 协议：使用d m a 数据传输的命令 这类命令只有两种命令可供选择：一种读命令和一种写命令。尽管在每 次d m a 进行数据传输的前后，处理器都要进行很多工作，但是在数据传输的 过程中，处理器可以不再介入而去处理其它的工作。 2 3 4u s b 2 0 总线概述 2 3 4 1 u s b 总线简介 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb