（电气工程专业论文）ltcs03型起飞零时控制系统的研制.pdf

t h ed e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r e so fl t c s - 0 3 l a u n c h i n gt i m ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t l a u n c h i n gt i m ec o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n te q u i p m e n ti nl a u n c h i n gg r o u n d i tr e c e i v e sl a u n c h i n gs i g n a la n dg e n e r a t e sa b s o l u t ez e r ol a u n c h i n gt i m e ( t o ) i n l a u n c h i n gg r o u n d t h ez e r ot i m ei ss e n tt oc e n t e rc o m p u t e rb yc o m m u n i c a t i n gl i n e r , a n dt h ec e n t e rc o m p u t e rs e n d si tt ot h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e ma sab a s i c t i m et os t a r tp r o g r a m s a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e ma l s og e n e r a t et h el a u n c h i n g a n di n c u l p a t i n gs o u n df o rc o n t r o l l i n ga n dc o o r d i n a t i n gs y s t e mw h i c hs e n dt h e s o u n dt oa l lu s e r t h eh a r d w a r e so fl t c s - 0 3l a u n c h i n gt i m ec o n t r o ls y s t e ma r em a d eu po f i n d u s t r i a lc o m p u t e r , t og e n e r a t i n gc a r d ，o p e r a t i n gp l a t f o r ma n dl i n e rt r a n s i tc a r d t og e n e r a t i n gc a r d ，a st h ec e n t e ro ft h es y s t e m ，h a sas m a l l e rs i z ea n ds t r o n g e r f u n c t i o na n d h i g h e r t r u s t i n e s st h a nt h eo l d e re q u i p m e n t b yu s i n g f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yt e c h n o l o g y t h i sc a r di n s e t st h ei n d u s t r i a lc o m p u t e ri n p c il o c a lb u ss l o t t h es y s t e mc a nr e c e i v e8l a u n c h i n gs i g n a l st og e n e r a t e4t o s i g n a l sw h i c hc a nb es e l e c t e dt ob es e n to u t t h es o f t w a r e so fl t c s - 0 3l a u n c h i n gt i m ec o n t r o ls y s t e ma r em a d eu po f f p g ac o n f i gs o f t w a r e ，d r i v e rs o f t w a r ea n da m p p l i c a t i o ns o f t w a r e f p g ac o n f i g s o f t w a r er e a l i z e sa l la c t i o n so ff p g a t h ed r i v e rs o f t w a r e ，r e a l i s i n gt h eh a r d r e s o u c e ，c o m p l e t e si n i t i a la n di oo ft h eh a r d w a r e ，bc o d ed e c o d e da n d s oo n t h e a m p l i c a t i o ns o f t w a r eg e n e r a t e st os i g n a l ，t h eb e ev o i c eo fl a u n c h i n ga n d i n c u l p a t i n g ，s h o w st h es t a t eo fa l lw o r k i n gm o d e l s ，r e c o r d st h es t a t eo ft h es y s t e m ， s a v e sa n dp r i n t st h ei n f o r m a t i o no ft or e a l t i m l y k e yw o r d s ：l a u n c h i n gt i m e ：f p g a ：p c il o c a lb u s ；t og e n e r a t i n gc a r d 图3 1 ： 图3 2 ： 图3 3 ： 图3 4 ： 图4 1 ： 图4 2 ： 图6 1 ： 图6 2 ： 图6 3 ： 图6 4 ： 图6 5 ： 图6 6 ： 图6 7 ： 插图清单 t0 控制台总体框图5 t o 形成板接口图6 t o 形成板原理框图7 控制部分电路原理图9 配置写时序图1 1 毫秒微秒计数器的逻辑关系1 2 起飞零时控制系统软件界面2 3 起飞零时控制系统软件界面一设置菜单项2 8 起飞零时控制系统软件界面一b 码选择2 8 起飞零时控制系统软件界面一选择输出t o 2 9 起飞零时控制系统软件界面一设置任务名称2 9 起飞零时控制系统软件界面一系统状态。3 0 各主要对象之间的关系3 2 表格清单 表1 1 六种i r i o 串行时间码格式的主要参数2 表6 1 ：c t 0 类说明一3 3 表6 2 ：c t 0 3 4 表6 3 ：c t 0 3 4 表6 4 ：o p e n 3 5 表6 5 ：c l o s e 3 5 表6 6 ：s e t q f ( i n tn l i n e ) 3 5 表6 7 ：c l e a r q f 3 6 表6 8 ：s e l e c t o u t p u t ( u s h o r tu s s e l e c t ) 3 6 表6 9 ：s e l e c t d c 3 6 表6 1 0 ：g e t b c o d e s t a t e ( ) 3 7 表6 一l1 ：g e t c u r r e n t t i m e ( ) 3 7 表6 1 2 ：c l e a r q d a u d i o 3 7 表6 1 3 ：s e n d t o f r a m e ( t o f r a m et o f r a m e ，i n tn l i n e ) 3 8 表6 1 4 ：c r e a t e t 0 ( t 0i n f ot o i n f o ) 3 8 表6 1 5 ：g e t t 0 ( i n tn l i n e ) 3 8 表6 1 6 ：c l e a r q f a u d l 0 0 3 9 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金胆王些太堂 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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：龋切中 签字日期：抄g 年j 月2 妇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金匙王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权地 王些盔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，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) 学位论文作者签名：鸹中 签字日期：石删是年s 月一2 j 阳 学位论文作者毕业后去向： 作单位： 通讯地址； 导师签名： 签字日期：彬s _ 月髟日 电话： 邮编： 致谢 自2 0 0 3 年5 月开始攻读学位以来，至今已五年。在这段时间里，从专业学 习到论文的完成，无不得到导师张崇巍教授不倦教诲。导师认真的工作态度， 严谨的治学作风和探索创新的精神，时刻在鼓励和鞭策着我。尤其在张崇巍教 授的指导下，使我确定了自信心，也使我从做工程的思维模式向理论研究的思 维模式的转变，学会了科研的方法，开阔了视野，也学到了许多做学问、做人 的道理。在此向导师表示深深的谢意! 感谢安徽职业技术学院就业指导中心的同仁们在我做论文期间给予工作、 学习、生活上的帮助。 感谢所有参考文献的作者和同行的工作，给予我莫大的启发。 一感谢我的妻子杨殉四年来给予我极大的理解、支持和鼓励，这五年来我对 家庭的关心太少，在此深表歉意! 作者：胡坤 2 0 0 8 年5 月 第1 章绪论 1 1 起飞零时控制系统概述 火箭起飞时，火箭离开地面的绝对时刻( 我国采用的是北京时间) 为t 0 ， 测控设备以此时刻作为相对时间零点，对火箭进行测量，又称起飞零点绝对时 刻。 起飞零时控制系统是发射场形成t 0 的关键设备，它的故障将引起整个测 控系统的混乱，其可靠性会影响整个测控系统的可靠性。它的作用是接收发射 阵地的起飞触点信号并产生起飞零点绝对时刻，经过通信线路发送给中心计算 机，由中心计算机向各测控设备转发，作为测控设备启动程序的时间基准；同 时产生起飞和牵动蜂音信号，提供给指挥所调度系统，由指挥所向各调度设备 通播。 i 2 起飞零时控制系统组成 l t c s 一0 3 型起飞零时控制系统硬件由工控机、t 0 形成板、操作台、线路转 接板组成。t o 形成板是本系统的核心部件，它采用现场可编程门阵列技术，在 小型化、通用性、可扩展性等方面有重大创新，强化了功能，提高了可靠性， 它与工控机的连接采用p c i 总线连接。该系统能同时接收8 路起飞触点信号， 产生4 路t 0 ，选择适当的t 0 输出。 l t c s 一0 3 型起飞零时控制系统软件由f p g a 配置软件、驱动程序和应用程 序三部分组成。f p g a 配置软件实现了标准p c i 总线接口电路、毫秒微秒分频器 电路、t o 发送、接收电路及缓冲电路。驱动程序管理硬件资源，实现硬件的初 始化，硬件的输入输出，中断处理，b 码解码，并为应用程序提供编程接口。 应用程序产生t 0 信息、牵动及起飞蜂音，显示各模块的工作状态，记录设备的 工作情况，实时存储打印t 0 信息。 1 3i r i g b 格式时间码简介 以上提到了i r i g b 码，它是时间统一系统传输主要信号，下面就对这种时 间码做一介绍。 1 3 1i r i g 简介 i r i g 是英文i n t e r - - r a n g ei n s t r u m e n t a t i o ng r o u p ( 靶场时间仪器组) 的缩写。 它是美国靶场司令委员会的下属机构。它的执行委员会是由美国各靶场的代表， 三军代表、国防部、国家航空航天局和国家标准局的代表团组成。它的职责是 负责靶场间的信息交换，制定标准、协调设备和协调靶场间的相互配合。它所 制定的i r i g 标准，已成为国际上通用标准，在西欧、日本、澳大利亚等处得 到了广泛的应用。 1 3 2i r i g 串行时间码格式简介 i r i g 时间码标准有二大类。一类是并行时间码格式，这类码由于是并行形 式，传输距离较近，且是二进制，因此应用远不如串行格式广泛。另一类是串 行时间码，共有六种格式，即i r i g a 、b 、c 、d 、e 、g 、h 。它们的主要差别 是时间码的帧速率不同，从最慢的每小时一帧的d 格式到最快的每十毫秒的g 格式。各种格式的主要参数如表l - 1 所示。由于i r i g b 格式时间码( 以后简称 b 码) 是每秒一帧的时间码，最适合使用习惯，而且传输使用比较容易。因此， 在i r i g 六种串行时间码格式中，应用最为广泛的是b 码。当前在我国的航天 武器试验靶场中，主要使用b 码传输时间信息和同步信息。 表1 - 1 六种i r i g 串行时间码格式的主要参数 格式时帧周期码元速率二一十进制信息位数表示时间的信息 i r i g - dl 小时1 个分 1 6 天、时 i r i g - h1 分1 令 毽2 3天、时、分 i r i g - e 1 0 秒l o 个秒 2 6 天、时、分、1 0 秒 i r i g b 1 秒1 0 0 个秒 3 0 天、时、分、秒 i r i g - a 0 1 秒1 0 0 0 令? 秒 3 4天、时、分、秒、0 1 秒 i r i g - g 0 0 1 秒1 0 0 0 0 令f 碜 3 8 天、时、分、秒o 1 秒0 0 1 秒 1 4 课题立项背景及要解决的问题 1 4 1 课题的来源 原有的起飞零时控制系统只能接收主、备共两路起飞信号，形成一个t o 。 原有的t 0 控制台硬件采用中、大规模集成电路和超大规模集成电路设计，与工 控机的接口采用i s a 总线接口，应用程序采用d o s 操作系统下的用b c 编程语言 开发，能较好地实现接收一个发射工位起飞信号，形成一个t 0 的功能：目前中 心的起飞零时控制系统需要接收北区、工程和x 工程三个工位的主、备共六路 起飞信号，形成三个t o 。为了解决接收多路起飞信号，形成多个t o 的问题， 因此，需要研制新的换代产品。 1 4 2 研究该课题的目的和作用 l t c s - 0 3 型起飞零时控制系统通过对t 0 信号形成部分进行研究，提出了 接收四个工位起飞信号，形成四个t 0 ，根据需要选择适当的t o 发送到需要的 输出接1 3 上的实现方法。l t c s 0 3 型起飞零时控制系统针对靶场多发射工位执 行任务特点，实现了接收四个发射工位、主用和备用共八路起飞信号、形成四 路t 0 的功能，可控制多路输入与多路输出、多路独立操作并显示，可交叉执 行多种型号任务。且在小型化、通用性、可扩展性等方面有重大创新。 2 第2 章相关技术在该系统的应用 2 1 使用集成度更高的器件 f p g a 器件( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是二十世纪八十年代中期出 现的一种新概念一一用户现场可编程门阵列集成电路。是可由用户根据所设计 的数字系统的要求，在现场由自己配置、定义的高密度专用数字集成电路。f p g a 设计者在f p g a 开发系统软件的支持下，现场直接根据系统要求定义和修改其 逻辑功能，使一个包含数万个逻辑门的数字设计系统的实现，集成到一片f p g a 器件内。有人预言，未来的许多电子产品将以c p u + r a m + f p g a 的构成为特征； f p g a 更新了现代数字系统设计理念，反映了现代数字系统设计的一种趋势。 从结构上讲，f p g a 划分为三个组成部分：可编程逻辑块c l b ( c o n f i g u r a b l e l o g i cb l o c k s ) ，可编程输入输出模块i o b ( i n p u t o u t p u tb l o c k ) ，可编程内部连 线p i c ( p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t ) 。 本设计使用的f p g a 芯片采用的是a l t e r a 公司生产的f l e x i o k 2 0 。芯片上 集成了1 ，3 4 4 个寄存器，1 2k 的片内嵌入式r a m 存储器块，1 5 , 0 0 0 到6 3 ，0 0 0 可用逻辑门。其优点是： 第一，简化了数字电路系统的设计和制造 采用了用户现场可编程逻辑阵列( f p g a ) 器件，修改时只需修改f p g a 的内部逻辑就可以改变器件的逻辑功能，不需要修改与之相关的印制板电路。 第二，有利于产品的升级，降低成本 采用f p g a 技术，可以在设计时预先保留重新编程的功能，当产品需要升 级时，可通过软件对f p g a 器件进行重新编程，使其具有新的逻辑功能，几乎 不需要附加任何硬件上的投入。f p g a 可以反复编程，重复使用，没有前期投 资风险，且可以在开发系统中直接进行系统仿真，故也没有工艺实现的损耗。 本设计除了基本的输入输出隔离、电平转换和必要的变换外，其余的工作 均由工控机和f p g a 完成。本设计采用的硬件设计模式为c p u + f p g a + i o 。 2 2 使用更优秀的操作系统 w i n d o w s2 0 0 0 的特点是更具兼容性，功能更强大，易于管理、稳定和安全。 高效的存储、打印，计算，显著地扩展了w i n d o w sn t 的已有能力：支持f a t 3 2 和n t f s 文件系统；改进了t c p i p 堆栈性能，加快了信息传输；兼容更多 的应用程序，继续支持为以前w i n d o w s 版本开发的软件及硬件；使用驱动程 序在测试之后的数字签名，保证了硬件驱动程序的高品质；减少了对事件报告 的维护，使得管理设备驱动程序更加容易；安全系统可以对访问计算机资源的 人员进行身份识别，防止特定资源被用户不适当地访问。而且，w i n d o w s2 0 0 0 支持更加广泛的硬件和应用程序，是运行最新软硬件的最佳平台。 2 3 使用更优秀的编程语言 v is u a lc + + 6 0 编程语言是m i c r o s o f t 公司推出的功能强大的可视化编程 语言，使编写w i n d o w s 应用程序的效率得到很大提高。对w i n 3 2a p i 函数进行 了封装，大部分工作可以通过使用v c 提供的m f c 库，而不必要直接调用繁琐的 a p i 函数。在v i s u a lc + + 6 0 中包括了m f c 4 2 1 ，m f c 4 2 1 是一个稳定和涵盖 极广的c + + 类库，为大多数w i n 3 2 程序员所使用。m f c 库是可扩展的，它和 w i n d o w s 技术的最新发展到目前为止始终是同步的。并且，m f c 类库使用了标准 的w i n d o w s 命名约定和编码格式，结合了w i n d o w ss d k 编程概念和面向对象的 程序设计技术，具有极大的灵活性和易用性。 2 4 使用更优秀的总线 p c i 局部总线是一种高性能、3 2 位或6 4 位地址数据线复用的总线，总线时 钟为0 3 3 m h z 。它最重要的优点是可配置性，可配置的地址和中断，从而省略 了地址选择和中断选择电路，实现灵活的地址和中断分配。地址和中断的配置 由c p u 在初始化程序中分配，从而避免了多块板卡之间的地址和中断冲突：p c i 局部总线规范还可以实现中断号共用，从而实现插入大于中断总数的p c i 板卡， 而不必担心中断发生冲突。主要的p c i 信号线有：( 带# 的信号线是低电平有 效) a d 3 1 0 0 地址和数据在相同的p c i 引脚上复用，一个总线传送包括 一个地址段及相随的一个或多个数据段； c b e # 3 0 3 总线指令和字节允许在相同的p c i 引脚上复用； p a r 奇偶校验； f r a m e # 帧周期信号； i r d y #主设备准备好信号； t r d y #从设备准备好信号： i d s e l初始化设备选择信号； d e v s e l # 设备选择信号： i n t a # 中断线。 4 第3 章系统的硬件设计 3 1 硬件结构框图和工作原理 l t c s - 0 3 型起飞零时控制系统由工控机、t 0 形成板、操作台、线路转接板 组成。其总体结构框图如图3 1 所示。 工操作台 户 线 路 控 转 p c i 思线 接 机 声 t 0 形成板鬣 板 起飞信号 b ( d c ) 码 b ( a c ) 码 t 0 信息 蜂音 图3 1 ：t0 控制台总体框图 3 1 1 工控机 工控机由主机、显示器、键盘、鼠标、网卡等组成，工控机内插t o 形成 板。主机配置为：c p u 主频在i g h z 以上，内存5 12 m 以上，硬盘4 0 g 以上， 配备光驱和软驱。网卡为内插式，用于扩展网络联机，可以直接将t o 发送到 网络上。工控机系统软件为w i n d o w s2 0 0 0 。 3 1 - 2 操作台 操作台是起飞零时控制系统所有操作的平台，操作台将输入的8 路起飞信 号分为4 组，每组两路，一路为主用，一路为备用。面板上有起飞信号线主 备用转换开关和电源开关，起飞信号线主备用转换开关控制起飞信号线的输 入输出。操作台还是各个组件的支架。 3 1 3 线路转接板 线路转接板是系统的输入输出部分，并有部分信号的检测功能。它接收阵 地起飞触点信号，通过操作台的起飞信号线主备用转换开关选择，每组选出 一路送到t 0 形成板；接收i r i g b ( d c ) 码和i r i g b ( a c ) 码，送给t 0 形成板解 码；起飞触点信号的电源通过线路转接板提供到起飞信号线上；t o 形成板输出 的t 0 绝对零时、起飞牵动蜂音信号等通过线路转接板输出；通过外线环回t 0 到t o 形成板；检测秒信号。 5 3 1 4t o 形成板 t 0 形成板接收线路转接板送来的i r i g b ( d c ) 码和i r i g b ( a c ) 码，进行电 平转换，送给工控机解出北京时间和秒信号，作为起飞零时控制系统的时间基 准；产生秒中断和2 0 h z 中断信息送给工控机；产生t o 的毫秒微秒值，提供给 工控机形成t o ；用h d l c 格式发送t o ；接收并解出线路转接板环路回来的t o ， 提供给工控机进行比对。t o 形成板与工控机的接口为p c i 总线。 3 1 5t o 形成板的接口关系 t o 形成板与微机的接口总线为p c i 总线。板上输入信号有1 路b ( d c ) 码、l 路b ( a c ) 码、4 路起飞信号，l 路环路t 0 信息：输出6 路t o 信息和2 路音响信号。6 路t o 信息输出接口包括4 路r s 4 2 2 接口和2 路r s 2 3 2 接口。 其接口关系如图3 2 所示。 其中，输入的4 路起飞信号可以独立形成t o ，各路输出的t o 值可以由程 序选择。 ，一般情况，t o 控制台离时统距离不远，采用b ( d c ) 码传送比较方便。 兼顾到远距离传输，备有一路b ( a c ) 码输入。微机对两路b 码进行自动判别， 以b ( d c ) 码为主用。 1 路b ( d c ) 码 1 路d ( a c ) 码 4 路起飞信号 l 路环路t o 图3 2 ：t 0 形成板接口图 4 路t 0 ，r s 4 2 2 2 路t o ，r s 2 3 2 2 路音响信号 3 2t 0 形成板的硬件设计 t o 形成板的原理框图如图3 3 所示。t o 形成板由输入、输出和控制三部 分组成。 6 b ( d c ) 码 频率源 两路蜂音 电平转换 蜂音放大、 r1 r dl o j 明 b ( a c ) 转换四路r s 4 2 2 为b ( d c ) f p g a ，一 l 电平转换、 - 一 四路 t 环路检测 起乜信号 四路 两路r s 2 3 2 起飞信号 堋： l环路检测 - 形成电路 j _ lk p c i 总线 下 输入部分 输出部分 控制部分 图3 3 ：t o 形成板原理框图 3 2 1 输入部分 输入部分分为四路起飞信号形成电路、直流b 码解码电路和交流b 码解码 电路三个部分。 ( 1 )起飞信号形成电路 起飞信号形成电路先对阵地起飞信号进行滤波，滤除瞬时脉冲电压干扰和 线路闭合时产生的高频杂波干扰。然后通过光电隔离与信号产生电路，产生起 飞信号。t 0 形成板上有四路阵地起飞信号同时输入，形成四路起飞信号，经过 光电隔离后同时送给f p g a 处理。 ( 2 )直流b 码解码电路 直流b 码解码电路由极性变换电路、整形滤波电路等组成。极性变换电路 的主要作用是把v 1 1 电平接口的i r i g b ( d c ) 码变换成t t l 接口。整形滤波电 路对t t l 接口的i r i g b ( d c ) 码先经过电容滤波，然后送入7 4 l s l 4 整形，送给 f p g a 。 ( 3 )交流b 码解码电路 交流b 码解码电路由输入电路、滤波电路、比较电路和直流码形成电路等 组成。输入电路的主要作用是把变压器接口的i r i g b ( a c ) 码经过变压器隔离， 送给输入平衡电路进行输入隔离；滤波电路对交流b 码进行滤波，产生交流码 的正向平均电平，作为比较电路的基准电平；比较电路将交流b 码与滤波电路 产生的基准电平相比较，大于基准电平的为“l ，小于基准电平的为“o ，从 而产生一系列含有直流码信息的脉冲；直流码形成电路将比较电路产生的含有 7 直流码信息的脉冲进行宽度扩展，形成直流b 码，送给f p g a 。 3 2 2 输出部分 输出部分将f p g a 输出的蜂音信号分成两路放大，变压器平衡输出；将输 出的两路t t l 电平接口的t 0 同步与时间信息转换成r s 2 3 2 接口，同时可以环 路检测一路r s 2 3 2 接口的t o 同步与时间信息，还可将调制解调器的时钟输入 到f p g a ，作为t o 时间信息的同步信号；将输出的四路t t l 电平接口的t o 同 步与时间信息转换成r s 4 2 2 接口，同时可以环路检测一路r s 4 2 2 口的t o 同步 与时间信息。 3 2 3 控制部分 控制部分由频率源部分和f p g a ( f i e l dp r a g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现 场可编程门阵列) 组成。 频率源部分将晶振产生的频率稳定度较高的1 m h z 信号经过隔离整形电 路和电平变换电路，产生t t l 电平的1 m h z 信号，送给f p g a ，作为f p g a 的 频率基准。 f p g a 的主要功能是： ( 1 ) 以频率源产生的1 m h z 信号为时钟基准，进行自走钟，产生时间的 m s 、“s 值，产生秒信号，2 0 h z 信号； ( 2 ) 输入四路起飞信号，锁定各路起飞输入的m s 、“s 值，送给微机作 为t o 的m s 、斗s ； ( 3 ) 输入直流和交流b 码，选择b 码接收方式是直流还是交流，并将接 收的串行b 码信息转换成数据方式； ( 4 ) 输出t o 时间码和同步码； ( 5 ) 输出起飞和牵动蜂音信息； ( 6 ) 与微机进行通信； ( 7 ) 接收环路t o 检测信息。 控制部分的电路原理框图如图3 - - 4 所示。首先，p c i 总线控制器对配置进 行读写，了解插件板的基本情况，然后进行地址与中断的分配；上层软件根据 实际应用情况，往控制寄存器中写入控制位；各输入输出单元和计数器根据控 制寄存器中控制位的要求进行输入或输出；输入输出的数据写入数据寄存器； 各输入输出单元和计数器所产生的中断写入中断寄存器；各寄存器的值通过 p c i 总线接口电路与微机进行通信。 8 图3 4 ：控制部分电路原理图 9 第4 章f p g a 软件设计 f p g a 软件设计平台是a l t e r a 公司开发的、用于支持设计其公司的产品的应 用程序m a x + p l u si i 。f p g a 设计软件采用a h d l 语言。f p g a 设计软件主要 包括p c i 总线接口设计、计数器设计、t 0 收发设计、发送接收缓冲器设计四个 方面的内容。 4 1p c i 总线接口设计 p c i 总线接口是微机与p c i 板卡之间信息连接的通道。微机通过p c i 总线 接口对p c i 板卡进行控制和信息的读写。 p c i 总线接口设计包括配置读写设计和i 0 读写设计。 ( 1 ) 配置读写设计 一块p c i 板卡要正常工作，首先必须对它的各种工作状态进行正确配置。 p c i 板卡的各种工作状态存放在配置寄存器中，这些寄存器包括：表明设备制 造者的供应商代码寄存器：标明特定设备的设备识别寄存器：用来标识设备的 总体功能和特定的寄存器级编程接口的分类代码寄存器；可以发出和响应p c i 总线命令的命令寄存器；用于记录p c i 总线有关事件状态信息的状态寄存器； 存放设备基地址基址寄存器；表示设备的中断引脚与系统中断控制器连接的中 断线寄存器；表示设备使用哪个中断线的中断引脚寄存器；此外，还有修改识 别，头标类型，修改版本等配置寄存器。配置寄存器可以进行配置读和配置写 操作。在c p u 初始化阶段，c p u 读取这些寄存器的值，根据需要，对p c i 板卡 进行配置，分配地址和中断。配置的读写操作从i d s e l = “l 开始。 如果p c i 板上负责通信的电路在时钟信号的上升沿，同时检测到i d s e l = “l ”，f r a m e # = “0 ，i r d y # = “l ，t r d y # = “l ”，d e v s e l # = 。l ，说明主机 要对本设备进行配置读写。此时，地址数据总线a d 3 1 0 0 上传送的是配置寄 存器的地址。c b e = b ( 1 0 11 ) 为总线写命令，c b e = a ( 1 0 1 0 ) 为总线读命令。 为了更清楚地了解配置读写的进行情况，设置了8 进制的时钟计数器 c o u n t e r 来说明读写的进程。当各控制信号满足上述条件，且时钟计数器 c o u n t e r - - 0 时，进入配置读写周期，置时钟计数器c o u n t e r = 1 。下一个时钟周 期内，如果i r d y = “l ，则进入等待周期；如果i r d y = “0 ”，那么置c o u n t e r = 2 ，同时允许t r d y 和d e v s e l 输出低电平有效，表明该设备开始进行数据交换， 如果c b e = b ( 1 0 11 ) ，则接收总线数据，如果c b e = a ( 10 1 0 ) ，则将数据发送到总线 上。再下一个时钟周期内，若i r d y = “1 ，进入等待周期；如果i r d y = “0 ”， 置c o u n t e r = 3 ，在写周期输出p a r 奇偶校验。再下一个时钟周期，c o u n t e r = 4 ， 结束本次读写周期，进入等待周期，置c o u n t e r = 0 。图4 一l 说明了配置写的 时序。 1 0 n a m e ： v a l u e ：， 2 0 0 o n s3 0 0 o n s - m # - c l o c k1 il i iiiill ii 商芦a d 3 1 d 】 - z z z z z z z z x o o o o o o l o x z z 丑z z z z x 0 0 0 0 e f f f x 7 7 7 7 7 7 7 7 亩萨c b e l 3 0 j h00 x b x 0 护f r a m e 1 ii 皿卜i d s e l 0 厂 幽_ i r d y 1 i1 a 卜d e v s 8 i z _ - _ - _ _ _ l o r o o o i - _ _ _ _ 0 1 j w - t r d y z 1 n p 。 柚t r d y z 厂- 1 1 雀d e v s e i z- r l 材p a r z 鼋pa d 【3 1 0 l 7 _ z z _ j f 0 0 0 0 0 0 1 0v z z z z z z z z l | f 0 0 0 0 e f f f1 f7 7 7 7 7 7 7 7 矽c o u n t e r 2 0 j h00 x 1 x 2 x 3 x 4 ) l 卫 图4 1 ：配置写时序图 ( 2 ) i o 读写 i o 写是主机往p c i 板卡上写数据。这些数据从主机写到各种寄存器中， 包括：设备中断控制、b 码同步允许、b 码接收状态、b 码接收允许的设备控 制寄存器；从主机产生模拟起飞信号的路数，产生或清除情况；控制6 路t 0 、 2 路蜂音输出允许的输出允许控制寄存器；控制6 路输出中的每一路是否允许 输出的输出允许控制寄存器；控制6 路输出中的每一路应该选择4 路t o 中的 哪一路输出的选择输出选择控制寄存器；存放4 路t 0 发送信息的寄存器。 i o 读是主机从p c i 板卡上读取数据。这些数据从p c i 板卡的各种寄存器 中读到主机，包括：存放环路接收t o 信息的t o 接收寄存器；存放毫秒、微秒 的毫秒微秒寄存器；存放b 码信息的b 码寄存器；存放秒中断、2 0 h z 中断、 t o 接收中断、b 码输入中断、4 路起飞信号中断的中断寄存器。 i 0 读写与配置读写相似。如果在时钟信号的上升沿，同时检测到f r a m e # = “0 ”，i d s e l = “0 。i r d y * t = “l ”，t r d y * = “1 ，d e y s e l # = “1 ”，此时， 地址数据总线a d 3 1 0 0 上传送的是地址。c b e = 3 ( o o l1 ) 为总线写命令， c b e = 2 ( 0 0 1 0 ) 为总线读命令。锁存程序锁存a d 3 1 0 0 总线上的地址，与配置 程序配置的地址相比较，如果相同，则进入i o 读写周期，置时钟计数器c o u n t e r = 1 ；如果不相同，则继续等待。i 0 读写周期与配置读写周期基本相同。 4 2 计数器设计 计数器的作用是产生发送时钟，起飞蜂音，牵动蜂音，t 0 的毫秒微秒位。 计数器的设计包括发送时钟计数器、蜂音输出计数器和毫秒微秒计数器的设计。 发送时钟计数器输出9 6 k h z 的时钟频率，作为t 0 信号输出的同步信号；蜂音 输出计数器在起飞允许时刻输出1 - 5 k h z 的起飞蜂音信号，在牵动允许时刻输出 4 0 0 h z 的牵动蜂音信号；毫秒微秒计数器的逻辑关系如图4 - 2 所示，在秒始时 刻根据交直流b 码控制位将计数器置初值，直流为0 ，交流为5 0 1 ，以i m h z 的 时钟频率计数，形成标准的毫秒微秒，同时输出秒中断和2 0 h z 中断。 时钟秒信号 图4 2 ：毫秒微秒计数器的逻辑关系 毫秒微秒计数器的程序设计如下： s u b d e si g nc o u n t e r b (o n e m h z ，s e c o n d s i n g a l：i n p u t ：( 注释) o n e m h z ：i m h z ； s e c o n d s i n g a l ：秒信号 c t r b i tl ，c t r b i t 2 ：i n p u t ：一c t r b i t l ，c t r b i t 2 ：b 码控制位 c o u n t e r h m s 4 0 ，c o u n t e r l m s 5 0 ，c o u n t e r u s 9 0 ：o u t p u t ： c o u n t e r h m s ：毫秒高位计数器：c o u n t e r l m s ：毫秒低位计数器；一c o u n t e r u s ： 微秒计数器；) v a r i a b l e c o u n t e r h m s 4 0 ，c o u n t e r l m s 5 0 ：d f f ；一d f f ：d 型锁存器 c o u n t e r u s 9 0 ：d f f ： s e c o n d s i n g a l 0 ，s e c o n d s i n g a l l：d f f ： b e g i n c o u n t e r h m s 4 0 3 c l k = o n e m h z ： c o u n t e r l m s 5 0 c l k = o n e m h z ： c o u n t e r u s 9 0 c l k = o n e m h z ： s e c o n d s i n g a l 0 c l k = o n e m h z ： s e c o n d s i n g a l1 c l k = o n e m h z ： s e c o n d s i n g a l 0 = s e c o n d s i n g a l ： s e c o n d si n g a l1 = s e c o n d s i n g a l0 ： i f ( s e c o n d s i n g a ll = = g n d ) a n d ( s e c o n d s i n g a l = = v c c ) t h e n c o u n t e r l m s = o ： 1 2 c o u n t e r h m s = o ： i f ( c t r b i t l = = v c c ) a n d ( c t r b i t 2 = = v c c ) t h e n c o u n t e r u s = 5 0 1 ： e l s e c o u n t e r u s = 0 ： e n di f ： e 】s e if ( c o u n t e r u s = = 9 9 9 ) t h e n c o u n t e r u s - 0 ： i fc o u n t e r l m s = = 4 9t h e n c o u n t e r i m s = 0 ： i fc o u n t e r h m s = = 1 9t h e n c o u n t e r h m s = 0 ： e ls e c o u n t e r h m s = c o u n t e r h m s + 1 ： e n di f ： e l s e c o u n t e r h m s c o u n t e r l m s e n di f ： e l s e c o u n t e r l m s c o u n t e r h m s c o u n t e r u s = e n di f ： e n di f ： e n d ： = c o u n t e r h m s ： = c o u n t e r l m s + 1 ： = c o u n t e r l m s ： = c o u n t e r h m s ： c o u n t e r u s + 1 ： 4 3t 0 收发设计 t 0 收发的采用的是h d l c 格式。h d l c 格式在发送数据的间隙发送的是帧同 步信号“7 e ”；在发送数据阶段发送的是数据；如果发送的数据有6 个以上的