（通信与信息系统专业论文）基于fpga和can总线的八通道数字频率测量系统的研制.pdf

中文摘要 频率测量作为电子学测量中最为重要的测量之一，应用非常广泛。由于频率 信号抗干扰性强，易于传输，因此可以获得较高的测量精度 目前许多高精度的频率测量系统都采用单片机加上外部的高速计数器来实 现。然而在这种设计中，由于p c b 板的集成度不高，导致p c b 面积大，信号走 线长，因此难以提高计数器的工作频率。此外，p c b 板的集成度不高还会使得 高频信号容易受到外界的干扰，从而大大降低了测量的精度。 本论文将介绍另一种方法实现频率测量，该方法将克服上述缺点，大大提高 测量精度和速度，即用可编程逻辑器件来实现频率测量功能。本设计充分利用可 编程逻辑器件集成度高的特点，将八通道信号的频率测量集成在一块f p g a 中实 现，有集成度高、测频范围宽、精度高、可靠性高等优点。本论文的测频原理是 在传统周期测频法的基础上，将全量程按照十倍频分段为子量程，并且系统自动 选择量程，提高了测频精度。 本论文所完成的海事船舶电子产品八通道数字频率测量系统是基于 a l t e r a 公司c y c l o n e 系列f p g a 芯片e p l c 3 t 1 4 4 c 8 和p h i l i p s 公司的a r m 微控 制器l p c 2 1 2 9 开发的，实现了八通道信号频率的高精度实时测量，并将测量结 果按需要传送给其他设备。该系统作为船舶上诸多电子系统之一，通过c a n 总 线与其他系统相连，各个系统之间按照c a n o p c n 协议进行通信。测频功能由 f p g a 完成，c a n 通信和基本控制功能由a r m 来完成。该项目已经开发调试成 功。 关键词：频率测量 f p g aa r mc a n 总线 c a n o p e n 协议 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei ne l e c t r o c i a lf i e l d , t h e f r e q u e n c ym e a s u r e m e n ti su s e dv e r yw i d e l y b e c a u s et h ef r e q u e n c ys i g n a lh a ss t r o n g a n t i - j a m m i n ga b i l i t ya n di se a s y t o t r a n s m i t ，t h ep r e c i s i o no ft h ef r e q u e n c y m e a s u r e m e n ti sv e r ys a t i s f y i n g a tp r e s e n t , m a n yh i g h - p r e c i s i o nf r e q u e n c ym e a s u r e m e n ts y s t e m su s es i n g l e c h i p s a n dh i l g h s p e e dc o u n t e r s b u tt h a td e s i g nh a ss o m ed r a w b a c k s s u c ha st h e l o w - i n t e g r i t yo ft h ep c b ，t h el a r g es i z eo ft h ep c b ，t h el o n gs i g n a l r o u t e ，w h i c hr e s u l t i nt h e d i f f i c u l t y o fi n c r e a s i n gt h ec o u n t e r sw o r kf r e q u e n c y m o r e o v e r , t h e l o w - i n t e g r i t yo ft h ep c bc a u s e st h a tt h eh i g hf r e q u e n c ys i g n a lw o u l dt e n dt o b e i n f l u e n c e db yo u t s i d en o i s e c o n s e q u e n t l y ，t h em e a s u r ep r e c i s i o ni sl o w t h i sp a p e re x p l a i n sa n o t h e rm e t h o dt om e a s u r et h ef r e q u e n c y t h em e t h o dt h a t c a ni m p r o v em e a s u r e m e n t sp r e c i s i o na n ds p e e di su s i n gp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( p l d ) t oa c h i e v et h a tf u n c t i o n t h a td e s i g nm a k i n g g o o du s eo f t h ep l d s h i g h i n t e g r i t ys f f o n g p o i n ti n t e g r a t e se i g h tc h a n n e ls i g n a lf r e q u e n c ym e a s u r e m e n ti n t o o n ef p g a c h i p ，w h i c hh a sm a n ym e r i t ss u c ha sh i g h - i n t e g r i t y , w i d em e a s u r e m e n t r a n g e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n ds oo n t h et h e o r yo ft h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n t i nt h i s p a p e ri sb a s e do nt r a d i t i o n a lc y c l em e a s u r e m e n tm e t h o d t h es y s t e md i v i d e st h e w h o l em e a s u r e m e n tr a n g ei n t os o m es u b - r a n g ea c c o r d i n gt od e c u p l ef r e q u e n c y , a n di t c a ns e l e c tm e a s u r e m e n tr a n g ea u t o m a t i c a l l y s ot h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni m p r o v e s l a r g e l y t h em a r i n et y p ee l e c t r o c i a lm a n u f a c t u r e ( e i g h t - c h a n n e ld i g i t a lf r e q u e n c y m e a s u r e m e n ts y s t e m ) i sd e v e l o p e du s i n ga l t e r ac y c l o n ef p g ac h i pe p l c 3 t 1 4 4 c 8 a n dp h i l i p sa r mm i c r o c o n t r o l l e rl p c 212 9 t h es y s t e mc a na c h i e v eh i g h p r e c i s i o n r e a l t i m ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n to fe i g h t c h a n n e ，a n dt r a n s m i tm e a s u r e m e n tr e s u l t t oo t h e ri n s t r u m e n t si fn e c e s s a r y a so n eo fm a n ye l e c t r o n i ci n s t r u m e n t so nas h i p ， t h i ss y s t e mc o n n e c t sw i t ho t h e re l e c t r o n i cd e v i c et h r o u t hc a n b u s ，a n dc o m m u n i c a t e w i t ho t h e r sf o l l o w i n gc a n o p e np r o t o c 0 1 t h ef p g ac h i pa c h i e v e st h em e a s u r e m e n t f u n c t i o n ，a n dt h ea r mc h i pf u l f i l l st h ec o m m u n i c a t i o na n db a s i cc o n t r o lf u n c t i o n k e y w o r d s ：f r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ，f p g a ，a r m ，c a nb u s ， c a n o p e np r o t o c 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工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼太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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：田野、 签字日期：侈1 年6 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 闭野、 导师签名： 张墨 签字日期：砂汐7 年易月膨日 签字日期：友产莎月，多日 第章绪论 1 1 引言1 1 2 1 第一章绪论 随着测量学的发展和无线电电子学的应用，诞生了以电子技术为手段的电子 测量。电子测量学是测量学的一个重要分支，也是电子学的一个重要组成部分。 频率测量是电子学测量中最为基本的测量之一。由于频率信号抗干扰性强， 易于传输，因此可以获得较高的测量精度。随着数字电子技术的发展，频率测量 成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关 注。 目前许多高精度的数字频率测量系统都采用单片机加上外部的高速计数器 来实现。然而单片机的时钟频率不高导致测频速度比较慢，并且在这种设计中， 由于p c b 板的集成度不高，导致p c b 面积大，信号走线长，因此难以提高计数 器的工作频率。此外，p c b 板的集成度不高还会使得高频信号容易受到外界的 干扰，从而大大降低了测量的精度。 本论文将介绍另一种方法实现频率测量，该方法将克服上述缺点，大大提高 测量精度和速度，即用可编程逻辑器件来实现频率测量功能。该系统的测频部分 除了脉冲整形和显示部分的电路不在可编程电路之中，其余的电路都集成在可编 程逻辑器件中。本设计充分利用可编程逻辑器件集成度高的特点，将八通道信号 的频率测量集成在一块f p g a 中实现，有集成度高、测频范围宽、精度高、可靠 性高等优点。 本频率测量系统作为船用海事整体系统的一个部分，通过c a n 总线与其他 海事设备相连，各个系统之间按照c a n o p e n 协议进行通信。为了实现这个目的， 本设计采用带有c a n 控制器的a r m 7 芯片采集f p a g 测得的频率值，并将其以 c a n 通信协议的标准传到c a n 总线上。 1 2 电子测量学的基本知识n 1 测量是人类认识自然和改造自然的重要手段，是为了确定被测对象的量值或 量值的依从关系而进行的实验过程。为了确定被测量的量值，要把它与标准量进 行比较，所获得的测量结果的量值包括两部分，即数值( 大小及符号) 和用于比 第一章绪论 较的标准量的单位名称。电子测量是泛指以电子技术为手段而进行的测量。电子 测量已成为一门与现代科学技术紧密相关，发展迅速、应用广泛，对现代科学技 术的发展起着重大推动作用的独立科学。从某种意义上说，电子测量的水平是衡 量一个国家科学技术水平的重要标志之一。 与其他测量相比电子测量具有以下几个明显的特点。 ( 1 ) 测量频率范围宽。除测量直流外，还可测量交流。其频率范围低至 1 0 - 6 h z ，高至1 0 1 2 h z 。随着电子技术的发展，目前还在向着更高频段发展。 ( 2 ) 量程范围广。量程是测量范围的上限值与下限值之差。由于被测量的 数值相差很大，因而要求测量仪器具有足够宽的量程。如数字万用表对电阻测量 d , n1 0 一，大到1 0 8 ，量程达到1 3 个数量级。而数字式频率计的量程可达到1 7 个数量级。 ( 3 ) 测量准确度高。电子测量的准确度已达到相当高的水平。例如对频率 和时间测量时，由于采用原子频标和原子秒作为基准，可以使测量准确度达到 1 0 j 3 1 0 。4 的数量级。这是目前在测量准确度方面达到的最高指标。 ( 4 ) 测量速度快。电子测量是通过电子运动和电磁波传播进行工作的，具 有其他测量方法无法类比的高速度。像卫星、宇宙飞船等各种航天器的发射和运 行，没有快速、自动化的测量与控制，就无法实现。 ( 5 ) 易于实现遥测。电子测量可以通过各种类型的传感器实现遥测、遥控。 例如，对于遥远距离或环境恶劣，人体不便接触或无法到达的区域( 如人造卫星、 深海、地下、核反应堆内等) ，可通过传感器或通过电磁波、光、辐射等方式进 行测量。 ( 6 ) 易于实现测量过程的自动化和测量仪器微机化。由于大规模集成电路 和微型计算机的应用，使电子测量出现了崭新的局面。例如在测量过程中能够实 现程控、遥控、自动转换量程、自动调节、自动校准、自动诊断故障和自动恢复； 对于测量结果可进行自动记录，自动进行数据运算、分析和处理。 由于电子测量技术具有一系列优点，而被广泛应用于科学技术的各个领域。 目前，电子测量技术( 包括测量理论、方法、仪器等) 已成为电子科学领域中发 展迅速的一个重要分支。 1 3 频率测量方法和原理圆3 1 叼 1 3 1 常用测频方法 根据测频工作原理可将频率测量方法分成以下几类： 第一章绪论 第一类方法适合于模拟电路中实现，主要包括以下两种： ( 1 ) 利用电路的某种频率响应特性来测量频率，谐振测频法和电桥测频法是 这类测量方法的典型代表。前者常用于低频段的测量，后者主要用于高频或微波 波段的测量。谐振法的优点是体积小、重量轻、不要求电源等，目前仍获得广泛 应用。 ( 2 ) 利用标准频率与被测频率进行比较来测量频率，采用比较法测量频率， 其准确度取决于标准频率的准确度。拍频法、示波器法以及差频法等均属此类方 法的范畴，它的显著优点是测试灵敏度高。 还有一类目前最广泛使用的适合于数字电路实现的计数测频法，该方法是根 据频率定义，记下单位时间内周期信号的重复次数，又称为电子计数器测频法。 本设计中采用的改进的直接计数测频法就属于此类方法。 1 3 1 直接计数测频法 常用的直接计数测频方法主要有测频法和测周期法两种。测频法原理如图 1 - 1 所示。具体原理为：在确定的闸门时间t c 内，记录被测信号的变化周期数( 即 脉冲个数) 为n x ，则被测信号的频率为仅= n x t c 。测周期法原理如图1 2 所示。 它需要有标准信号的频率f s ，在待测信号的一个周期t b 内，记录标准频率的周期 数n s ，则被测信号的频率为：f x = f s n s 。 几 几几几n j - j l - 图1 - 1 测频法原理 标准闸门 被测信号 第一章绪论 几 几几几p _ jl 图1 2 测周期法原理 被测信号 标准时钟 下面来分析直接计数测频法的误差：以测周期法为例，测量误差为： 蝎； s 豳s 万= 等= 半= 等一等蚓+ 击 n | 同理可以得到测频法的误差如下： 肛阱击 可见当计数值n 。和n s 相同时，测频法和测周期法的误差是一样的。 由上述误差公式可知：无论是测频法还是测周期法，相对误差随着被测信号 频率的变化而变化，当被测信号的频率越接近标准闸门( 或标准时钟) 的频率时， 则产生的相对误差就越大。为了克服这个弊端，满足系统设计要求，对直接计数 测频法进行了改进：标准闸门( 或标准时钟) 的频率不是固定不变的，而是根据 被测信号的频率进行自动调制和变化，使得被测信号的频率与标准闸门( 或标准 时钟) 的频率始终保持一定关系，从而达到降低相对误差的目的。 4 第一章绪论 1 3 2 直接计数测频法的改进方法 本论文所设计的频率测量部分满足如下设计指标： ( 1 ) 频率测量范围从1 h z 到1 m h z 。 ( 2 ) 全量程内相对误差小于1 0 弓 ( 3 ) 自动选择量程，不需要手动输入信号频率的范围。 下面从系统的设计要求出发来分析系统应该采用的方案。 首先，无论是测频法还是测周期法都需要参考信号，测频法需要一个标准的 脉宽，测周期法需要一个标准时钟。实际上测频法的标准脉宽必须从一个标准时 钟分频得到。一般来说标准时钟都是从外部晶振分频或倍频得到的。为了满足相 对误差小于1 0 5 的要求，晶振的稳定度要小于1 0 击，从而可以忽略标准时钟的误 差，系统相对误差由计数误差决定。 ， 另外，由误差公式可以知道，计数器的值必须大于1 0 5 方能达到相对误差小 于1 0 5 的时间要求。故内部计数器的模必须大于1 0 5 ，这里采用模为1 0 6 的6 位 b c d 码计数器。同时针对不同频段的被测信号，要选择不同的计数闸门宽度和计 数时钟，以保证计数值大于1 0 5 。不同的频段可以称为量程，需要把全量程每隔 1 0 倍频划分为一个量程，共6 个量程。表1 - 1 中列出各个量程采用测频法和测周 期法所需要的时钟和计数闸门。表中c l k 表示1 m h z 的晶振分频时钟，s i g n 表示 待测信号，c l k n 表示时钟c l k 的n 倍分频信号，s i g n n 表示待测量s i g n 的1 1 倍分频信 号。 表1 1测频法和测周期法的时钟和计数闸门 测周期法 测频法 频段( h z )总计数时总计数时 计数时钟闸门宽度计数时钟闸门宽度 间( s ) 间( s ) l 1 0c l k s i g n 0 1 l s i g n c l k 1 0 1 11 0 5 1 0 - - 1 0 2c m s i g n 1 0 0 1 1 s i g n c l k 1 0 1 01 0 4 1 0 2 1 0 3c l k s i g n 1 0 2 o 1 1 s i g n c l k 1 0 91 0 3 1 0 3 - 一1 0 4c l l 【 s i g n 10 3 o 1 1 s i g n c l k 1 0 s1 0 2 1 0 4 1 0 5c l l 【 s i g n 1 0 4 o 1 1 s i g n c l k 1 0 71 0 1 0 5 1 0 6c l l 【 s i g n 1 0 5 o 1 l s i g n c l k 1 0 61 由表1 - 1 可以看到测频法的低频测量需要很长的测量时间( 大于1 0 0 s ) ，而 且闸门是c l k 时钟的高次分频。因此测频法不适合于在低频段测量。在这种情况 第一章绪论 下，可以有两种方法：其一在全量程内用周期测量法，其二是在低频段用周期测 量法，在高频段用频率测量法。在本设计中采用第一种方法。 如何选择合适的量程以达到测量的精度呢? 一种方法是做量程扫描，即先用 某一种量程进行计数，如果得到的计数值太小或太大，则选择另一种量程重新进 行计数，直到计数值满足给定的精度要求。显然，由于采用量程扫描的方法寻找 合适量程比较盲目，因此，它的缺点是花费的时间代价比较大。那么，我们可以 想出另一种较为“理智”的方法，即先对待测信号进行粗略测量，从而估计出量 程，然后在某个量程内进行仔细的测量。本设计采用的是第二种方法。 测频系统的测量结果为频率，而上面选择的是周期测量方法。把测量结果转 换为频率时，需要做除法运算。因此需要一个除法电路实现周期到频率的转换。 1 4 本论文完成的任务 本论文所完成的海事船舶电子产品八通道数字频率测量系统，是基于 a l t e r a 公司c y c l o n e 系列f p g a 芯片e p l c 3 t 1 4 4 c 8 和p h i l i p s 公司的a r m 7 微控 制器l p c 2 1 2 9 开发的，实现了八通道信号频率的高精度实时测量，并将测量结 果按需要通过c a n 总线传送给其他设备。 本项目中我在于老师的帮助指导下完成系统的设计，负责系统p c b 制版和 焊接，f p g a 部分v h d l 语言的开发，a r m 部分程序的编写以及系统的软硬件 调试工作。 6 第二章f p g a 和e d a 技术 第二章f p g a 和e d a 技术 2 1f p g a 介绍【5 】【6 】【7 】 自1 9 8 5 年x i l i n x 公司推出第一片现场可编程门阵列( f p g a ) 至今，f p g a 已 经历了二十年的发展历史。在这二十年的发展过程中，以f p g a 为代表的数字系 统现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程门阵列从最初的1 2 0 0 个可利用 门，发展到9 0 年代的2 5 万个可利用门，乃至现在，国际上现场可编程门阵列的 著名厂商a l t e r a 公司、x i l i n x 公司又陆续推出了数百万门的单片f p g a 芯片，将 现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。 纵观现场可编程门阵列的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根本 在于：f p g a 不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其 开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使f p g a 越来越多地取代 了a s i c 的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使f p g a 成为首选。 2 1 1f p g a 的结构。 一般而言，f p g a 的基本结构由以下几个部分构成：可编程逻辑功能模块 ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k s ，c l b ) 、可编程输入输出模块( i n p u t o u t p u tb l o c k s ， i o b ) 、可编程内部互联资源( p r o g r a m m a b l ei n t e r e o n n e e t i o n ，p i ) 。具体见图2 1 ： 可编程逻辑湘口口0 0d o 日楚垣日 吕i 口i 引虱口1 日 吕i 口i 虱且口1 日 7 第二章f p g a 和e d a 技术 当然随着工艺的进步和技术的革新，在f p g a 内部一般还集成了以下可选资 源：存储器资源( b l o c kr a m ) 、数字时钟管理单元( d c m d l l ) 、i o 多电平标 准兼容( s e l e c ti o ) 、算术运算单元( 乘法器、加法器) 、以及特殊的功能模块， 甚至微处理器。 2 1 2f p g a 的特点 f p g a 既继承了a s i c 的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普 通a s i c 设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字硬件电路设 计中的理想首选。当代f p g a 有以下特点： 规模越来越大。单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，f p g a 芯片的 规模也越来越大。单一逻辑门数已逾百万，芯片的规模越大所能实现的 功能就越强，同时也更适于实现片上系统( s o c ，s y s t e mo nc h i p ) 。 开发过程投资小。f p g a 芯片在出厂前都做过百分之百的测试，而且 f p g a 设计灵活，发现错误时可直接更改设计，减少了投片风险，节约 了许多潜在的花费。 f p g a 一般可以反复的编程、擦除。在不改变外围电路的情况下，设计 不同片内逻辑就能实现不同的电路功能。 保密性能好。在某些场合下，根据要求选用防止反向技术的f p g a ，能 很好地保护系统的安全性和设计者的知识产权。 f p g a 开发工具智能化，功能强大。 新型f p g a 内嵌c p u 或d s p 内核，支持软硬件协同设计，可以做为片上可 编程系统( s o p c ) 的硬件平台。 2 1 3f p g a 的分类 尽管不同厂家、不同型号的f p g a 其结构各有特色，但就其基本结构来说， 大致有以下几种分类方法。 ( 1 ) 按逻辑功能块的大小分类 可编程逻辑块( c l b ) 是f p g a 的基本逻辑构造单元。按照逻辑功能块的大 小不同，可将f p g a 分为细粒度结构和粗粒度结构两类。其中细粒度f p g a 的逻 辑功能块一般较小，非常类似于门阵列的基本单元，其优点是功能块的资源可以 在实际工程中被完全利用，缺点是完成复杂的逻辑功能需要大量的连线和开关， 因而速度较慢；而粗粒度f p g a 的逻辑块规模大，功能强，完成复杂逻辑只需要 较少的功能块和内部连线，因而能获得较好的性能，缺点是功能块的资源有时不 能充分被利用。 8 第二章f p g a 和e d a 技术 ( 2 ) 按互连结构分类 根据f p g a 内部的连线结构不同，可将其分为分段互连型和连续互连型两 类。分段互连型f p g a 中有不同长度的多种金属线，各金属线段之间通过开关矩 阵或反熔丝编程连接。这种连线结构走线灵活，有多种可行方案，但走线延时与 布局布线的具体过程有关，在设计完成前无法预测，设计修改将引起延时性能发 生变化。而连续互连型f p g a 是利用相同长度的金属线，通常是贯穿于整个芯片 的长线来实现逻辑功能块之间的互连，连接与距离远近无关。在这种连线结构中， 不同位置逻辑单元的连接线是确定的，因而布线延时是固定和可预测的。 ( 3 ) 按编程特性分类 根据采用的开关元件的不同，f p g a 可分为一次编程型和可重复编程型两 类。次编程型f p g a 采用反熔丝开关元件，其工艺技术决定了这种器件具有体 积小、集成度高、互连线特性阻抗低、寄生电容小及可获得较高的速度等优点； 此外它还有加密位、反拷贝、抗辐射、抗干扰、不需外接p r o m 或e p r o m 等 优点。但它只能一次编程，一旦将设计数据写入配置芯片后，就不能再修改设计， 因此比较适合于定型产品及大批量应用。 可重复编程型f p g a 采用s r a m 开关元件或快闪e p r o m 控制的开关元件。 f p g a 芯片中，每个逻辑块的功能以及它们之间的互连模式由存储在芯片中的 s r a m 或快闪e p r o m 中的数据决定。s r a m 型开关的f p g a 是易失性的，每 次重新加电，f p g a 都要重新装入配置数据，即可令其完成不同的硬件功能。这 种配置的改变甚至可以在系统的运行中进行，实现系统功能的动态重构。采用快 闪e p r o m 控制开关的f p g a 具有非易失性和可重复编程的双重优点，但在再编 程的灵活性上比s r a m 型f p g a 稍差一些，不能实现动态重构。此外，其静态 功耗较反熔丝型及s 删型的f p g a 要高。 2 1 。4f p g a 的i s p 技术 i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y ) 技术，即“在系统可编程技术”。所谓“在 系统编程”是指对器件、电路板、整个电子系统进行逻辑重构和功能修改。这种 重构可以在制造之前、制造过程中，甚至在交付用户之后进行。支持i s p 技术的 可编程逻辑器件，称为“在系统可编程器件。在系统可编程技术解决了可编程 逻辑器件的编程问题。传统可编程逻辑器件在用于生产时，是先编程后装配，在 系统可编程器件则可以先装配后编程。在系统可编程技术使得可编程器件的编程 变得非常容易。对于i s p 器件，只需要一个简单的编程电缆和一台p c 机就可以 完成器件编程，如图2 2 所示。i s p 编程接口非常简单，共有五根信号线。p c 机 可以通过这五根信号线完成编程数据传递和编程操作。i s p 技术实质上是一种串 9 第一章f p g a 和e d a 技术 行编程技术。利用i s p 技术可以完全摆脱编程器，并解决传统可编程器件比较难 解决的问题，如多个器件同时编程、管脚间距很密( 例如t q f p 的问隙不到 06 m m ) 、器件的编程和管脚弯曲等问题。i s p 技术开创了器件编程的一个新时代， 对系统的设计、制造、测试和维护也产生了重大的影响。由于i s p 器件允许在设 计、测试和制造过程中以及器件焊接在电路板的情况下重构系统，因此给样机设 计、电路板调试、系统制造和系统升级带来了革命性的变化。在商业方面，应用 i s p 技术可以大大缩短产品的上市时问。总之，i s p 不仅解决了可编程器件的编 程问题，而且还带来了新的设计、测试和制造方法，给数字系统的设计带来诸多 好处。 22e d a 技术介绍8 2 21e d a 的涵义 图2 - 2 在系统编程 e d a ( e l e c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i o n ，电子设计自动化1 技术，就是以计算机为 工作平台，以e d a 软件工具为开发环境，以硬件描述语言为设计语言，以可编 程器件为实验载体，以a s i c ，s o c 芯片为设计目标，以电子系统设计为应用方 向的电子产品自动化设计过程。它是以计算机科学和微电子技术发展为先导，汇 集了计算机图形学、拓扑逻辑学、微电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机 廊用学科的最新成果的先进技术，是在先进的计算机工作平台上开发出来的一整 套电子系统设计的软件工具。 2 22e d a 技术的特点 利用e d a 技术进行电子系统的设计具有以下几个特点 第二章f p g a 和e d a 技术 用软件的方式设计硬件。- 用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完 成的。 设计过程中可用有关软件进行各种仿真。 系统可现场编程，在线升级。 整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高。 因此，e d a 技术是现代电子设计的发展趋势。 2 2 3e d a 技术的应用 随着大规模集成电路和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、航天、 医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，e d a 技术的含量正以惊人的速度上升，电子类高新技术的项目的开发也越依赖于 e d a 技术的应用。即使是普通的电子产品的开发，e d a 技术常常使一些原来的 技术瓶颈得以轻松突破，从而使产品的开发周期大为缩短、性能价格比大幅提高。 不言而喻，e d a 技术将迅速成为电子设计领域中极其重要的组成部分。 随着电子技术的飞速进步，电子学进入一个崭新的时代。其特征是电子技术 的应用以空前的规模和速度渗透到各个行业。各行业对自己专用集成电路( a s i c ) 的设计要求日益迫切，现场可编程器件的广泛应用，为各个行业的电子系统设计 工程师自行开发本行业专用的a s i c 提供了技术和物质条件。与单片机系统开发 相比，利用e d a 技术对f p g a c p l d 的开发，通常是一种借助于软件的纯硬件 开发，可以通过这种途径进行专用a s i c 开发，而最终的a s i c 芯片，可以是 f p g a c p l d ，也可以是专制的门阵列掩模芯片，f p g a c p l d 起到了硬件仿真 a s i c 芯片的作用。 2 2 4e d a 的t o p d o w n 设计方法 t o p d o w n 设计，即自顶向下的设计。这种设计方法首先从系统设计入手， 在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在功能级进行仿真、纠错，并用硬件 描述语言对高层次的系统行为进行描述，然后用综合工具将设计转化为具体门电 路网表，其对应的物理实现可以是p l d 器件或专用集成电路( a s i c ) 。由于设计 的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这不仅有利于早期发现结构设计上 的错误，避免设计工作的浪费，而且也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设 计的一次成功率。 在t o p d o w n 设计中，将设计分成系统级、功能级、门级、开关级等几个不 同的层次，按照自上而下的顺序，在不同的层次上，对系统进行设计与仿真。 第二章f p g a 和e d a 技术 图2 3 是这种设计方式的示意图。如图所示，在t o p - d o w n 的设计过程中， 需要有e d a 工具的支持，有些步骤e d a 工具可以自动完成，比如综合等，有些 步骤e d a 工具为用户提供了操作平台。 图2 - 3t o p - d o w n 设计方式示意图 t o p d o w n 设计须经过“设计验证修改设计再验证 的过程， 不断反复，直到得到的结果能够完全实现所要求的逻辑功能，并且在速度、功耗、 价格和可靠性方面实现较为合理的平衡为止。 2 2 5e d a 开发软件q u a r t u si i a l t e m 公司在推出各种可编程逻辑器件的同时，也在不断升级开发工具。 a l t e r a 公司提供的开发c p l d f p g a 的集成环境q u a r t u si i ，其可视化、集成化 设计环境等优点为大家公认，从设计输入、仿真、编译、综合、布局布线和下载 都可以使用这个集成环境来完成。q u a r t u si i 提供了一种与结构无关的设计环境， 我们只需要使用自己熟悉的开发工具，通过软件提供的各种输入方式进行编译、 仿真和综合，便可设计出需要的可编程逻辑器件。而且q u a r t u si i 软件还提供了 可编程片上系统( s o p c ) 设计的一个综合开发环境，包括以下内容：系统级设 计，嵌入式软件开发，可编程逻辑器件设计。 1 2 第三章c a n 总线和c a n o p e n 协议 第三章c a n 总线和c a n o p e n 协议 3 1c a n 总线1 1 1 3 1 1c a n 总线概述 c a n ，全称为“c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，即控制器局域网，是国际上应用最 广泛的现场总线之一。 c a n 最初出现在8 0 年代末的汽车工业中，由德国b o s c h 公司最先提出。当 时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电 子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连 接信号线。提出c a n 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制 装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总 线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。这样，c a n 被设计作为汽车环境 中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子 控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中， 均嵌入c a n 控制装置。1 9 9 3 年，c a n 已成为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和 i s o l l 5 1 9 ( 低速应用) 。 c a n 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率， 高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。一个由c a n 总线构成的单 一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电 气特性所限制。c a n 可提供高达1 m b i t s 的数据传输速率，这使实时控制变得非 常容易。 由于c a n 总线的以上优点，c a n 已经在汽车工业、航空工业、工业控制、 安全防护等领域中得到了广泛应用。 3 1 2c a n 总线的特点 c a n 总线具有以下特点： c a n 可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地 向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活。利用这一 特点也可方便地构成多机备份系统。 c a n 网络上的节点( 信息) 可分成不同的优先级，满足不同的实时要求。 第三章c a n 总线和c a n o p e n 协议 c a n 采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向网络上传送信息 时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响 地继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间，最重要的是在网络负 载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 c a n 可以点对点、一点对多点( 成组) 和全局广播等几种传送方式接收数 据。 c a n 的直接通讯距离最远可达1 0 k i n 。 c a n 的通讯速率最高可达1 m b p s ( 此时距离最长4 0 m ) 。 c a n 上的节点数实际可达1 1 0 个。 q 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，这样传输时间短，受 干扰的概率低，且具有极好的检错效果。 c a n 每帧信息都有c r c 校验和其它检错措施，保证数据出错率极低。 c a n 能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞 线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“c a nh ”和“c a nl ”， 静态时均是2 5 v 左右，此时状态表示为逻辑“1 ”，也可以叫做“隐性”。 用c a nh 比c a nl 高表示逻辑“0 ，称为“显形”，此时，通常电压值 为：c a nh = 3 5 v 和c a nl = 1 5 v 。 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭总线的功能，切断它与总线 的联系，使总线上的其它操作不受影响。 3 2c a n2 0 b 协议介绍 1 2 】【1 3 】 c a n 协议包括c a n2 0 a 和c a n2 0 b 两部分内容，只定义了数据链路层和 物理层，不是一个完整的网络协议，缺少应用层和网络管理部分，用户可以根据 实际应用开发自己的应用层协议，领先的用户们定义他们自己的协议并进行推 广，使之也成为一种标准。今天存在的一些应用层协议有：d e v i c e n e t ，s d s ， c a l c a n o p e n ，c a nk i n g d o m 等，已得到c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 的支持。 标准c a n 的标志符长度是1 1 位，而扩展格式c a n 的标志符长度可达2 9 位。c a n 协议的2 0 a 版本规定c a n 控制器必须有一个1 1 位的标志符。同时， 在2 0 b 版本中规定，c a n 控制器的标志符长度可以是l l 位或2 9 位。遵循 c a n 2 0 b 协议的c a n 控制器可以发送和接收1 1 位标识符的标准格式报文或2 9 位标识符的扩展格式报文。如果禁止c a n2 0 b ，则c a n 控制器只能发送和接 收l l 位标识符的标准格式报文，而忽略扩展格式的报文结构，但不会出现错误。 1 4 第三章c a n 总线和c a b o p e n 协议 3 2 1c a n2 0 b 协议的分层结构 c a n 遵循i s o o s i 标准模型，成为数据链路层( 包括：逻辑链控制( l l c ) 子层和媒体访问控制( m a c ) 子层) 和物理层。 l l c 子层的主要功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 帧接收滤波：帧内容由标识符确定，每个接收器通过帧接收滤波确定此帧是 否与其有关； 超载通告：当数据帧和远程帧的发送需要延迟时，由l l c 子层开始发送超 载帧，其最多可以产生两个超载帧； 恢复管理：在发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，l l c 子层具有 自动重发的功能。 m a c 子层的功能主要是确定传送规则，即发送前确认总线是否空闲，控制 帧的结构、数据的封装及卸装，执行仲裁、应答校验，错误检测、出错标定、故 障界定、输出或接收串行位流、位定时等。m a c 子层特性不存在修改的灵活性。 在现场总线协议中m a c 子层最重要，其特性直接与总线的实时能力相关。 c a n 总线的m a c 层协议属于事件触发方式中的载波检测、多主掌控冲突检测 ( c s m m c d ) 的通讯模式，采用这种通讯模式，当多个节点同时向总线发信息时， 优先级较低的节点会自动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输 数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。但也由于缺乏全局控制，在发生信息 碰撞时容易导致响应时间不确定，在控制系统中产生不确定性延迟。 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。 c a n 协议并没有对物理层电气特性做具体的规定，但一个网络中所有节点的物 理层特性必须是相同的。 3 2 2c a n 总线的基本属性 1 、报文的优先权 在总线访问期问，识别符定义一个静态的报文优先权。标识符的大小决定了 一包c a n 信息的优先权高低。 2 、远程数据请求( r e m o