（电路与系统专业论文）通信信号电磁环境模拟器中的hf背景信号产生器设计.pdf

国防科学技术犬学研究生院学侥论文 t h e b a c k g r o m ds i g m ls i m u l a t o r a d o p t s t h e m o d e o f v i r t u a l i n s t m m e n f a n d c a r r i e s o u t t h e t h o u g h t s o f s o t t w a r ei st h ei n s t n u n e n t a n ds i m u l a t e st h er e a ls i g n a le l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tb ym e a n so f l o a d i n g a n dc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r sm a l - t i m e l ya n dd y n a m i c a l l yi nt h ec u n c n ts p 0 lt 1 1 i ss i m u l a t o rh a sh i g h f l e x i b i l i t y t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h e a r b i l r a r y w a v e f o r m g e n e r a t i o no f h f w a v eb a n db a s i n go ni s p t e c h n o l o g y i t s m a i n c o n t e n t i n c l u d e s t h r e e p a r t s ：t h e i s p l o g i c c o n t r o l 、t h e m e m o r y o f d a t a a n d t h e d a c o n v e r s i o n i n t h e s e p 缸t h e 枷c l e i n t r o d u c e st h ed e s i g nm e t h o do ni s pt e c h n o l o g y ，t h ed e s i 毋ap r i n c i p l eo f 岫h i g h _ s p e e d c i r c u i ti nd a t am e m o r y ，a n a l y z e st h ep r o b l e m si nt h ed e b u g g i n ga n dh o w t os o l v et h e m t h eb o e k g r o u n d s i g n a lo fh f w a v eb a n da c h i e v e st h ee x p e c t a n tt a r g e t si nt h ed e b u g g i n go ft h es i g n a le l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n t s i m u l a t o r o f t h e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：i s p t e c h n o l o g y s r a md a t a m u x i n gd a c o n v e r t i n g 独创性声明 n 。1 3 8 s s 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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 学位论文题目：煎焦篮墨垫壁墅! 豇搓型墨生曲竖蜚量焦墨芒生攫遮j 土 学位论文作者签名：e 挚翌丝盔 日期：矽年，1 月埘日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：煎焦焦曼电邀巫擅搓赵墨生曲堕篮量焦墨芒生墨遮! 土 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 覃鍪圣毯 彳茔 土宝 日期： 卯2 年，月- 日 日期：矽年j 1 月叫日 国防科学技术人学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 在通信对抗试验中。需要模拟逼真的战场通信信号环境。只有在逼真的战场信号环境 下才能检验出被测试通信对抗设备的实- 浅战术性能，为装备的定型及部队的作战使用提供 真实可信的技术依据。随着通信新技术的快速发展。新的通信体制的不断涌现，战场环境 。l | 的通信信号已不是一种或几种固定信号，而是并存着多种体制的通信信号，在这种情况 下，用实体电台来模拟战场通信信号，不仅会浪赞大量的财力和物力，而且根本无法潲足 新 奉删通信对抗设衙试验的要求。这就对通信信号模拟器的研制提出了迫切的要求。 通信信号电磁环境模拟器系统用作通信对抗装备试验的标准试验设备，其功能完全取 决于被测通信装备及通信对抗装备对实验的要求。本系统可生成不同战术背景和试验条件 下所要求的瞬时、宽频段、多种信号样式、大信号密度、多方位、动惫可控的电磁背景信 0 环境和标准可测通信信号，以辐射式和注入式信号输m ，为通信对抗装备试验鉴定提供 符合实战要求的电磁环境背景和标准可测通信信号及战术网台信号。 背景信号模拟器的主要任务是在内、外场试验中为通信和通信对抗设备提供宽频带、i 岛 密度、多样式的电磁信号环境，在一定程度上真实地模拟出战场的通信环境。 背景信号模拟器的主要功能为： 能够在i 5 3 0 m h z 、3 0 - - 4 0 0 m h z 、4 0 0 1 2 5 0 m h z 内提供三个瞬时带宽分别为 5 0 0 k i i z 、6 0 m h z 、6 0 m h z 的背景信号，其巾h f 频段背景信号密度为1 1 6 0 个，5 0 0 k h z ； v h f 频段背景信号密度为l 1 2 0 0 个6 0 m h z u h f 频段背景信号密度为1 5 0 0 个6 0 m h z 。 贝有生成、编辑、修改、存储战术想定功能和数据库建立、查询、显示和记录功能。 具有内部c 3 功能，在靶场勤务通信支持下亦可与外部( 指挥所) 问建立c 3 功能。 只有g p s 标频、定时、定位功能。 具有对信号和设备工作状态的自检功能。 背景信号模拟器由系统控制器i 背景信号产生器、混频器、功率放大器和天线组成。根据背景 信号的指枷漤求，它的型脚融温产生的信号密集、p 撇巨大、调制样式多、捌黝眦灵活、可控。 因此，不可能采用各路信号单独用硬件产生。然后台成一路输出的经典方法，必须采用任意波形产 生的软、硬f f i ：结合的技术路线，即直接产g ：多路信号合成后的信号波形的方法。首先，用数学公式 表剥谤濡要产生信号的波形，确定有关参数；然后采用先进自勺j 靴鲥僻出合成波形的数字流， 将其存储在s r a m 中，在主投机的控带忭，用适当的速率读出，经i y a 变换后，即可得至| 饼需频 率、相应带宽的多路信号。对于频率较高的讴和u h f 频段受a d 变换器最高可工作频率的限 繁i 甄 国防科学技术人学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 在通信对抗试验中。需要模拟逼真的战场通信信号环境。只有在逼真的战场信号环境 下才能检验出被测试通信对抗设备的实- 浅战术性能，为装备的定型及部队的作战使用提供 真实可信的技术依据。随着通信新技术的快速发展。新的通信体制的不断涌现，战场环境 。l | 的通信信号已不是一种或几种固定信号，而是并存着多种体制的通信信号，在这种情况 下，用实体电台来模拟战场通信信号，不仅会浪赞大量的财力和物力，而且根本无法潲足 新 奉删通信对抗设衙试验的要求。这就对通信信号模拟器的研制提出了迫切的要求。 通信信号电磁环境模拟器系统用作通信对抗装备试验的标准试验设备，其功能完全取 决于被测通信装备及通信对抗装备对实验的要求。本系统可生成不同战术背景和试验条件 下所要求的瞬时、宽频段、多种信号样式、大信号密度、多方位、动惫可控的电磁背景信 0 环境和标准可测通信信号，以辐射式和注入式信号输m ，为通信对抗装备试验鉴定提供 符合实战要求的电磁环境背景和标准可测通信信号及战术网台信号。 背景信号模拟器的主要任务是在内、外场试验中为通信和通信对抗设备提供宽频带、i 岛 密度、多样式的电磁信号环境，在一定程度上真实地模拟出战场的通信环境。 背景信号模拟器的主要功能为： 能够在i 5 3 0 m h z 、3 0 - - 4 0 0 m h z 、4 0 0 1 2 5 0 m h z 内提供三个瞬时带宽分别为 5 0 0 k i i z 、6 0 m h z 、6 0 m h z 的背景信号，其巾h f 频段背景信号密度为1 1 6 0 个，5 0 0 k h z ； v h f 频段背景信号密度为l 1 2 0 0 个6 0 m h z u h f 频段背景信号密度为1 5 0 0 个6 0 m h z 。 贝有生成、编辑、修改、存储战术想定功能和数据库建立、查询、显示和记录功能。 具有内部c 3 功能，在靶场勤务通信支持下亦可与外部( 指挥所) 问建立c 3 功能。 只有g p s 标频、定时、定位功能。 具有对信号和设备工作状态的自检功能。 背景信号模拟器由系统控制器i 背景信号产生器、混频器、功率放大器和天线组成。根据背景 信号的指枷漤求，它的型脚融温产生的信号密集、p 撇巨大、调制样式多、捌黝眦灵活、可控。 因此，不可能采用各路信号单独用硬件产生。然后台成一路输出的经典方法，必须采用任意波形产 生的软、硬f f i ：结合的技术路线，即直接产g ：多路信号合成后的信号波形的方法。首先，用数学公式 表剥谤濡要产生信号的波形，确定有关参数；然后采用先进自勺j 靴鲥僻出合成波形的数字流， 将其存储在s r a m 中，在主投机的控带忭，用适当的速率读出，经i y a 变换后，即可得至| 饼需频 率、相应带宽的多路信号。对于频率较高的讴和u h f 频段受a d 变换器最高可工作频率的限 繁i 甄 国防科学技术人学研究生院学位论文 制，我们采用混频的方法实现全频段覆盖的要求。 i i f 背嫩信号模拟器足背景信号模拟器巾三个波段之一，它的任务足在系统控制器的控 制_ 卜时h f 背景信号数据进行存储、数据复接、d a 变换和滤波等处理之后。经过功率放火 器和天线发射出去。 h f 背景信号模拟器结构如下图1 | 所示。 图1 1h f 背景信号模拟器结构图 在h f 背景信号模拟器巾，h f 基带信号产生单元主要山背景信号产生器( 包括滤波器 和可控增益单元) 、h f 频率综合器等部分组成。其中背景信号产生器产生1 5 3 0 m h z 中符 合要求的基带任意波形信号；h f 频率综合器产生h f 背景信号产生器所需的3 0 0 m h z 、 1 5 0 m h z 时钟信号。 1 2 课题研制任务 本课题所研究的是h f 背景信号模拟器巾的信号产生器。h f 背景信号产生器产生1 5 3 0 m h z 的任意波形信号，它采用“虚拟仪器”的模式，在通用计算机上添加一层软件和p c i 卡，使用户操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器一样，在使用现场可以 实时越入和动态修改参数。这利模式贺彻“软p i ：就是仪器”的思想具有极强的灵活性和 适应性，特别适用于现代越来越复杂的测试系统。 h f 背景信号产生器由p c 机提供波形数据，通过p c i 卡写入随机静态存储器( s r a m ) ， s r a m 输出数据经复接之后作为d a 输入。d a 输出经低通滤波和可控增益放大，即可得 到符合要求的基带信号输出波形。h f 背景信号产生器的电路工作原理如图i 2 所示： 第3 甄 国防科学技术人学研究生院学位论文 制，我们采用混频的方法实现全频段覆盖的要求。 i i f 背嫩信号模拟器足背景信号模拟器巾三个波段之一，它的任务足在系统控制器的控 制_ 卜时h f 背景信号数据进行存储、数据复接、d a 变换和滤波等处理之后。经过功率放火 器和天线发射出去。 h f 背景信号模拟器结构如下图1 | 所示。 图1 1h f 背景信号模拟器结构图 在h f 背景信号模拟器巾，h f 基带信号产生单元主要山背景信号产生器( 包括滤波器 和可控增益单元) 、h f 频率综合器等部分组成。其中背景信号产生器产生1 5 3 0 m h z 中符 合要求的基带任意波形信号；h f 频率综合器产生h f 背景信号产生器所需的3 0 0 m h z 、 1 5 0 m h z 时钟信号。 1 2 课题研制任务 本课题所研究的是h f 背景信号模拟器巾的信号产生器。h f 背景信号产生器产生1 5 3 0 m h z 的任意波形信号，它采用“虚拟仪器”的模式，在通用计算机上添加一层软件和p c i 卡，使用户操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器一样，在使用现场可以 实时越入和动态修改参数。这利模式贺彻“软p i ：就是仪器”的思想具有极强的灵活性和 适应性，特别适用于现代越来越复杂的测试系统。 h f 背景信号产生器由p c 机提供波形数据，通过p c i 卡写入随机静态存储器( s r a m ) ， s r a m 输出数据经复接之后作为d a 输入。d a 输出经低通滤波和可控增益放大，即可得 到符合要求的基带信号输出波形。h f 背景信号产生器的电路工作原理如图i 2 所示： 第3 甄 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 2h f 背景信号产生器的原理框图 鉴于系统数据存储量大，速度较高，控制较复杂，决定使用i s p 技术进行现场可编程 控制。在该电路中，逻辑功能控制、数据隔离、复接、可控增益放大以及状态检测都使用了 在系统可编程( i s p ) 芯片。逻辑功能控制部分控制整个系统的工作流程；数据隔离部分用 于缓冲从计算机接收的数据，使读写互不影响；s r a m 部分对整个波形的数据缓冲存储，； d a 转换实现数字信号到模拟信号的转换，产生系统中所需的1 5 3 0 m h z 信号：低通滤波 用以滤除信号中的干扰信号，以保证输出信号的质量，设计中采用3 0 m h z 的低通滤波器； 可控增益放大模块用一个可变的控制电压来控制输出信号的幅度，保证信号在- - 4 0 d b m 0 d b m 范围内可控；状态检测用于检测d 从输出是否正确，从而判断系统是否正常工作。 p c i 卡到h f 背景信号产生器的主要控制信号为： 数据8 根d 沪_ d 7 时钟l 根w c l k 读信号l 根w i 写信号1 根 l u 板选信号5 根b c e 0 b c f a 方向控制1 根 io 备用线l 根n c 这些信号线通过控制状态寄存器。决定某一时刻该进行何种操作，同时产生s r a m 以 及d a 的控制信号。整个系统的控制过程为：写命令字一写s r a m - - 写命令字一读s r a m 校验或启动d a 。 第3 甄 国防科学技术人学研究生院学位论文 整个系统原理框图为下图1 3 所示。 图i 3系统原理框图 根据原理图，如果把这么多功能的电路做在一块p c b 板上，将给制板以及调试工作，特 来很大的困难，所以要进行分板，那么怎么划分电路结构，就成为关键问题。考虑到数据 隔离、逻辑功能控制、数据存储以及复接模块的可重复性，决定将这些功能在两块完全相 同的p c b 板上实现，而状态检测和d a 转换由于功能不同，且模拟信号受数字信号的影响 较大，就各自做成一块。这样整个系统的结构罔为下闱1 4 所示。 在图1 4 中，b h 0 1 板为总线接口板，除了把底板的信号分为两路送入b h 0 2 a 和b h 0 2 b 之外，还产生增益控制信号。b h 0 2 a 为数据存储的高位板，b h 0 2 b 为低位板。b h 0 3 为d a 转换板。b h 0 4 为自动增益控制板。b h 0 5 为状态检测板。本文只介绍b h 0 1 、b h 0 2 、b h 0 3 三板。 第4j i ( 国防科学技术大学研究生院学能论文 b h 0 5 b 1 1 0 2 b b h 0 l b 0 3 b 1 0 2 a b 0 4 图1 4系统结构板图 国防科学技术人学研究生院学位论文 第二章i s p 逻辑控制 在h f 背景信号产生器中，数据隔离、逻辑功能控制和状态检测采用了在系统可编程 ( i s p ) 技术，这种基于i s p 芯片的设计方法取代了传统的“固定功能集成块+ 连线”的设 计方法，使得硬件系统不再是固定结构，而具有了软件的灵活性，这种“软”硬件的全新 设计概念，使整个系统具有了极强的灵活性和适应性。 2 1i s p 在系统可编程技术 2 。i 1 i s p 技术概述 1 s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y ) 在系统可编程足指在用户自己设计的目标系统 i 或 线路板1 ：为重构逻辑器件进行编程或反复编程的能力。这种重构可以在实验开发过程中、 制造过程中甚至在交付用户使用后在现场进行或通过i n t e r n e t 进行。在系统可编程技术的 出现，提高了可编程逻辑器件的生命力，使用户无须从系统板上拆下芯片或从系统中拔下系 统板就可以改变芯片逻辑内容乃至系统逻辑功能。最大限度地实现了硬件设计的软件化， 缩短了电子设备的设计周期，改变了电子系统的设计概念及方法，为电子系统设计提供了巨 大的灵活性。反映了现代电子系统设计的趋势。 i s p 器件的特点： 1 集成度高，体积小，该系列器件集成度1 0 0 0 2 5 0 0 0 门，引脚到引脚延时最小可达 3 5 n s ，系统工作速度最高可达2 5 0 m l l z 。 2 器件基于p c 的编程，只需标准的5 v 电源，无需编程器，无需从电路板一卜拔除， 甚至可以采用“虚拟”的i s p 器件尽早确定电路结构和局 3 设有专用保密位，并可对其编程，保密性好可以防止对器件内编程内容的非法复 制。 4 采用了e 2 p r o m 编程技术以及静态r a m 技术。e 2 朋( ) m 编程技术的非易失性意 味着在掉电或上电后不需要对器件重新进行编程，数据可长期保存，另外它无需采 用附加存储器件来保存逻辑组念数据；而静态s r a m 技术则使i s p 器件具有灵活 的现场编程的优点 5 i s p 器件内部时延恒定，对整个电路能达到门级控制，从而可预知电路的性能。 6 先进的总体时钟网络，使整个控制完全同步 7 器件内部有抗锁定电路，防止出现c m o s 电路中可能产生的有害的锁定效应 第6 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 第二章i s p 逻辑控制 在h f 背景信号产生器中，数据隔离、逻辑功能控制和状态检测采用了在系统可编程 ( i s p ) 技术，这种基于i s p 芯片的设计方法取代了传统的“固定功能集成块+ 连线”的设 计方法，使得硬件系统不再是固定结构，而具有了软件的灵活性，这种“软”硬件的全新 设计概念，使整个系统具有了极强的灵活性和适应性。 2 1i s p 在系统可编程技术 2 。i 1 i s p 技术概述 1 s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y ) 在系统可编程足指在用户自己设计的目标系统 i 或 线路板1 ：为重构逻辑器件进行编程或反复编程的能力。这种重构可以在实验开发过程中、 制造过程中甚至在交付用户使用后在现场进行或通过i n t e r n e t 进行。在系统可编程技术的 出现，提高了可编程逻辑器件的生命力，使用户无须从系统板上拆下芯片或从系统中拔下系 统板就可以改变芯片逻辑内容乃至系统逻辑功能。最大限度地实现了硬件设计的软件化， 缩短了电子设备的设计周期，改变了电子系统的设计概念及方法，为电子系统设计提供了巨 大的灵活性。反映了现代电子系统设计的趋势。 i s p 器件的特点： 1 集成度高，体积小，该系列器件集成度1 0 0 0 2 5 0 0 0 门，引脚到引脚延时最小可达 3 5 n s ，系统工作速度最高可达2 5 0 m l l z 。 2 器件基于p c 的编程，只需标准的5 v 电源，无需编程器，无需从电路板一卜拔除， 甚至可以采用“虚拟”的i s p 器件尽早确定电路结构和局 3 设有专用保密位，并可对其编程，保密性好可以防止对器件内编程内容的非法复 制。 4 采用了e 2 p r o m 编程技术以及静态r a m 技术。e 2 朋( ) m 编程技术的非易失性意 味着在掉电或上电后不需要对器件重新进行编程，数据可长期保存，另外它无需采 用附加存储器件来保存逻辑组念数据；而静态s r a m 技术则使i s p 器件具有灵活 的现场编程的优点 5 i s p 器件内部时延恒定，对整个电路能达到门级控制，从而可预知电路的性能。 6 先进的总体时钟网络，使整个控制完全同步 7 器件内部有抗锁定电路，防止出现c m o s 电路中可能产生的有害的锁定效应 第6 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 i s p 技术不仅为数字电路的设计提供了很大的方便，而且在很大程度上改变了以往数字 系统设计、调试、运行的工作方式。 首先，它使硬件的设计工作加简单方便了。凶为l 【l 路的逻辑功能可以由编程数据设 定，而且能在线装入和修改，所以硬件的设计和安装完全可以一次完成，这样就节省了修 改硬件电路耗费的人力和物力。而且对几种不同功能的逻辑电路可以采用相同的硬件电路， 这也减少了许多硬件设计的工作量。 其次，在调试过程中通过写入编程数掘很容易将l 乜路设置成各种便于调试的状态，对 f 乜路进行测试，这比通过直接设置硬件电路的状态要方便得多。 最后，i s p 技术无需编程器和较高的编程电压，打破了先编程后装配的惯例，形成产n l 后还可以在系统内反复编程，可以快速有效地设计丌发，加快系统预制及器件功能升级， 减少r 【l 蹄走线，大大减少设计时问，缩短丌发周期。 2 1 2i s p 在系统可编程基本原理 尢系统可编程器件采用e 2 c o m s 工艺，允许在证常工作r 乜压下对器仆进行反复编程， 在系统可编程器件的编程控制电路中有两个移位寄存器，一个水平方向的移位寄存器，用 来暂存编程数据；一个垂直方向的移位寄存器，用来选择编程地址。当对起始行进行编程 时，先将准备写入该行的数据串行移入水平移位寄存器，再将地址移位寄存器中与起始位 对应的寄存器单元置1 ，其余单元置0 ，选通起始行，然后在编程脉冲作用下，水平移位 寄存 j t i 一的数据被并行写入起始行，接着改变水平移位寄存器的内容，_ ) f ：将地址移位寄存 器移动一位，选通阵列的下一行，准备写入下一行内容，以此类推。 在系统可编程器件通过编程接口电路和一根8 线扁平电缆与计算机相连，该接口电路 为编程器件提供了编程所需要的编程使能信号( z s p e n ) 、串行数据输入信号( s d i ) 、串行 数据输出信号( s d o ) 、串行移位时钟信号( s c l k ) 和编程方式控制信号( m o d e ) 。当编程使能 信号有效时，计算机根据下载指令向编程接口电路提供串行数据输入信号、串行移位时钟 信号以及编程方式控制信号。编程接口电路则通过提供串行数据输出信号。以便计算机对 编程数据进行校验。当电路板上有多个在系统可编程逻辑器件时，如下图2 1 所示，可以 砂g 用一个编程接口，最前面的i s p 芯片的s d i 端和最后一个i s p 芯片的s d o 端与编程接口 相连，处于中间的i s p 芯片的s d i 输入端与前面i s p 芯片的s d o 输出端相连，形成一个菊 花链式的编程结构。 ：= = 为了实现在用户系统上直接编程，当编程使能信号印剧”为低电r 甲时，所有i 0 端 均处于高阻态，i o 端通过内部上拉电阻1 0 0 煳接电源v c c ：编程操作受到片内的状态机控 第7 戴 国防科学技术人学研究生院学位论文 i s p 技术不仅为数字电路的设计提供了很大的方便，而且在很大程度上改变了以往数字 系统设计、调试、运行的工作方式。 首先，它使硬件的设计工作加简单方便了。凶为l 【l 路的逻辑功能可以由编程数据设 定，而且能在线装入和修改，所以硬件的设计和安装完全可以一次完成，这样就节省了修 改硬件电路耗费的人力和物力。而且对几种不同功能的逻辑电路可以采用相同的硬件电路， 这也减少了许多硬件设计的工作量。 其次，在调试过程中通过写入编程数掘很容易将l 乜路设置成各种便于调试的状态，对 f 乜路进行测试，这比通过直接设置硬件电路的状态要方便得多。 最后，i s p 技术无需编程器和较高的编程电压，打破了先编程后装配的惯例，形成产n l 后还可以在系统内反复编程，可以快速有效地设计丌发，加快系统预制及器件功能升级， 减少r 【l 蹄走线，大大减少设计时问，缩短丌发周期。 2 1 2i s p 在系统可编程基本原理 尢系统可编程器件采用e 2 c o m s 工艺，允许在证常工作r 乜压下对器仆进行反复编程， 在系统可编程器件的编程控制电路中有两个移位寄存器，一个水平方向的移位寄存器，用 来暂存编程数据；一个垂直方向的移位寄存器，用来选择编程地址。当对起始行进行编程 时，先将准备写入该行的数据串行移入水平移位寄存器，再将地址移位寄存器中与起始位 对应的寄存器单元置1 ，其余单元置0 ，选通起始行，然后在编程脉冲作用下，水平移位 寄存 j t i 一的数据被并行写入起始行，接着改变水平移位寄存器的内容，_ ) f ：将地址移位寄存 器移动一位，选通阵列的下一行，准备写入下一行内容，以此类推。 在系统可编程器件通过编程接口电路和一根8 线扁平电缆与计算机相连，该接口电路 为编程器件提供了编程所需要的编程使能信号( z s p e n ) 、串行数据输入信号( s d i ) 、串行 数据输出信号( s d o ) 、串行移位时钟信号( s c l k ) 和编程方式控制信号( m o d e ) 。当编程使能 信号有效时，计算机根据下载指令向编程接口电路提供串行数据输入信号、串行移位时钟 信号以及编程方式控制信号。编程接口电路则通过提供串行数据输出信号。以便计算机对 编程数据进行校验。当电路板上有多个在系统可编程逻辑器件时，如下图2 1 所示，可以 砂g 用一个编程接口，最前面的i s p 芯片的s d i 端和最后一个i s p 芯片的s d o 端与编程接口 相连，处于中间的i s p 芯片的s d i 输入端与前面i s p 芯片的s d o 输出端相连，形成一个菊 花链式的编程结构。 ：= = 为了实现在用户系统上直接编程，当编程使能信号印剧”为低电r 甲时，所有i 0 端 均处于高阻态，i o 端通过内部上拉电阻1 0 0 煳接电源v c c ：编程操作受到片内的状态机控 第7 戴 国防科学技术大学研究生院学位论文 制，根据控制信号m o d e 和s d i 的状态，状念机决定停留在现状态还是转移到下一个状态； 编程接口电路切断器件与用户系统的联系，避免器件在编程时对用户系统的影响。而当编 程使能信号卸e 为高电平时，器件处于非编辑状态，i 0 端处于正常工作状态，其它4 个编程控制信号可以作为输入信号使用，编程控制逻辑对器件不起作用。 图2 1多个在系统可编程器件与计算机的连接方式 2 1 3i s p 器件结构 i s p l s i 系列器件是基于与或阵列的复杂的可编程逻辑器件，芯片内部由若干巨型块组 成，巨型块之间通过全局稚线区g r p 连接起来，每个巨型块包括若干通用逻辑块g l b 、输i 布线区o r p 、输入输出单元i o c 和时钟分配网络c d n 组成。以i s p l s l 2 1 2 8 v e 为例，内部结 构原理如图2 2 所示。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 制，根据控制信号m o d e 和s d i 的状态，状念机决定停留在现状态还是转移到下一个状态； 编程接口电路切断器件与用户系统的联系，避免器件在编程时对用户系统的影响。而当编 程使能信号卸e 为高电平时，器件处于非编辑状态，i 0 端处于正常工作状态，其它4 个编程控制信号可以作为输入信号使用，编程控制逻辑对器件不起作用。 图2 1多个在系统可编程器件与计算机的连接方式 2 1 3i s p 器件结构 i s p l s i 系列器件是基于与或阵列的复杂的可编程逻辑器件，芯片内部由若干巨型块组 成，巨型块之间通过全局稚线区g r p 连接起来，每个巨型块包括若干通用逻辑块g l b 、输i 布线区o r p 、输入输出单元i o c 和时钟分配网络c d n 组成。以i s p l s l 2 1 2 8 v e 为例，内部结 构原理如图2 2 所示。 第8 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 图2 2i s p l s l 2 1 2 8 v e 结构原理图 i s p l s i 的g l b ( g e n e r i cl o g i cb l o c k ) 是i s p l s i 器件内部的关键部件，这种通用逻 掣丰块g l b 提供了强有力而又灵活多变的逻辑构造模块。g l b 模块的结构为与或阵列结构，它 有许多输入线和若干条输出线。能够实现复杂的逻辑函数，i s p l s l l o o o e 和i s p l s l 2 0 0 0 系列集成电路的每个g l b 有1 8 个输入、2 0 个乘积项和4 个输出，可以实现4 组1 8 个输入 变景的逻辑函数。 i s p l s i 的输入输出单元1 0 c ( i o c e l l ) 用于i o 管脚和器件内部逻辑结构的信号连接和 接口匹配，i s p l s i 器件i o c 由一个d 触发器和若干个多路选择开关构成，在使用时可以配 置为8 种形式：缓冲输入；电平敏感的锁存器输入：边沿触发的寄存器输入：缓冲 输出；反向输出；三念输出；双向i o ；带寄存器的输入双向i o 。 g r p ( g l o b l er o u t i n gp 0 0 1 ) 是i s p l s i 器件内部的连线资源，该斫谶区将所有片内逻辑 联系在一起，供设计者使用，g r p 在时延恒定并且可预知的前提下，提供了完善的片内互联 性能。这种独特的互联性能保证了芯片的高性能，从而可以非常省力地实现各种复杂的设 计。 输出布线区o r p ( o u t p u tr o u t i n gp 0 0 1 ) 是i s p i 。s i 器件所独有片内结构，它向使用者提 供了g l b 输山与输山引脚之洲灵活的连接途径，0 r p 所提供的灵活性可实现在不改变外部引 脚排列的情况下修改芯片内部的逻辑设计。 时钊1 分配网络c d n ( c l o c kd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 广：生三个全局时钏f f 占号c l k o 、c l k i 、 c l k 2 ，可以作为所有g l b 的时钟信号，使整个系统完全同步。 第9 斑 国防科学技术人学研究生院学位论文 i s p 器件的管脚说明： 1 i o 引脚可以由设计者灵活地定义为多种性质( 如组合逻辑形式、寄存器形式和锁 存器形式的输入方式和输出、双向i o 或三态输出等) 的引脚，输入输出电平与t t l 电平 兼容； 2 指定输入引脚i n o i n 2 ； 3 5 个编程引脚： 1 ) 在系统可编程允许l 脚i s p e n ( i s pe n a b l e ) 。 2 ) 串行数据输入引脚和指定输入引脚s d i i n o ( s e r i a ld a t ai n p u t ) ，这是一个具有 双功能的引脚。当卸e 信号为低电平时，该引脚作为对器件编程时的控制数据 输入信号；否则作为器件的一个指定输入信号供设计肴使用。 3 ) 方式控制和输入引脚m o d e i n 2 ：个j l 订舣功能的0 i 脚。当枷e 信呼为低i u 平时，该引脚作为器件内部的状态机的一个方式控制信号( 当m o d e 为低电甲时， s d i 作为串行数据输入信号线：否则作为编牲状态机的一个控制信号) ；否则作为 器件的一个指定输入信号供设计者使用。 4 ) 串行数据输出和指定输入引脚s d o l n l ( s e r i a ld a t ao u t p u t ) ：一个其有双功能 的引脚。当卸e 信号为低电平时，浚引脚作为器件的串行数据输出信号；否则 作为器件的一个指定输入信号供设计者使用。 _ - - 。_ 。_ 。一 5 ) 串行时钟信号s c l k y 2 ( s e r i a lc l o c k ) ：一个具有双功能的引脚。当i s p e n 信号 为低电平时，i ：炙日i 脚作为编程器件时的时刨 裔l _ ： ：否! i ! l | 作为器件的一个时钟信号 供设计者使用，这个时钟信号可以作为任何一个通用逻辑块或输入，输 “单元的时 钊。 4 指定时钟输入引脚y o ：该信号可以作为这个器件的所有通用逻辑块的时钟信号。 5 时钟输入和复位输入引脚y i r e s e t ：一个具有双功能的引脚。作为一个指定的时 钟输入信号，通过时钟分配网络后，然后作为任何一个通用逻辑块或输入输 n 单元的时钟： 或者作为通_ f 1 】逻辑块或输入输出奇存器的复位信呼。 2 1 4i s p 设计流程 i s p 器件使用名为i s ps y n a r i os y s t e m 的设计软件，上述软件是可运行于p c 机v i n d o w s 国防科学技术人学研究生院学位论文 i s p 器件的管脚说明： 1 i o 引脚可以由设计者灵活地定义为多种性质( 如组合逻辑形式、寄存器形式和锁 存器形式的输入方式和输出、双向i o 或三态输出等) 的引脚，输入输出电平与t t l 电平 兼容； 2 指定输入引脚i n o i n 2 ； 3 5 个编程引脚： 1 ) 在系统可编程允许l 脚i s p e n ( i s pe n a b l e ) 。 2 ) 串行数据输入引脚和指定输入引脚s d i i n o ( s e r i a ld a t ai n p u t ) ，这是一个具有 双功能的引脚。当卸e 信号为低电平时，该引脚作为对器件编程时的控制数据 输入信号；否则作为器件的一个指定输入信号供设计肴使用。 3 ) 方式控制和输入引脚m o d e i n 2 ：个j l 订舣功能的0 i 脚。当枷e 信呼为低i u 平时，该引脚作为器件内部的状态机的一个方式控制信号( 当m o d e 为低电甲时， s d i 作为串行数据输入信号线：否则作为编牲状态机的一个控制信号) ；否则作为 器件的一个指定输入信号供设计者使用。 4 ) 串行数据输出和指定输入引脚s d o l n l ( s e r i a ld a t ao u t p u t ) ：一个其有双功能 的引脚。当卸e 信号为低电平时，浚引脚作为器件的串行数据输出信号；否则 作为器件的一个指定输入信号供设计者使用。 _ - - 。_ 。_ 。一 5 ) 串行时钟信号s c l k y 2 ( s e r i a lc l o c k ) ：一个具有双功能的引脚。当i s p e n 信号 为低电平时，i ：炙日i 脚作为编程器件时的时刨 裔l _ ： ：否! i ! l | 作为器件的一个时钟信号 供设计者使用，这个时钟信号可以作为任何一个通用逻辑块或输入，输 “单元的时 钊。 4 指定时钟输入引脚y o ：该信号可以作为这个器件的所有通用逻辑块的时钟信号。 5 时钟输入和复位输入引脚y i r e s e t ：一个具有双功能的引脚。作为一个指定的时 钟输入信号，通过时钟分配网络后，然后作为任何一个通用逻辑块或输入输 n 单元的时钟： 或者作为通_ f 1 】逻辑块或输入输出奇存器的复位信呼。 2 1 4i s p 设计流程 i s p 器件使用名为i s ps y n a r i os y s t e m 的设计软件，上述软件是可运行于p c 机v i n d o w s 国防科学技术大学研究生院学位论文 环境的优秀通用电子设计软件。i s p 软件能够支持1 a t t i c e 的i s p l s i 器件、i s p g a i 器件、 s p g d s 器件以及全系列g a l 器件的设计、编泽和逻轻 模拟。它包括了d a t ai o 的s y n a r i o 输入软件的全部功能，既可用原理图输入和a b e l 硬件描述语青输入，也可采用混合式设计 输入模式。允许在同一器件的设计中同时采用原理图、高级语言、真值表和状态机输入方 式，从而使设计输入十分灵活简便。它除了s y n a r i o 外还包含有i s p g d s 编译软件、 s p c o d e 软件和用于在系统编程的菊花链烧写软件、功能仿真器和波形观察器。j t r f l s p c o d e 软什 是一套描述i s p 器件编程算法的源程序库。菊花链烧写软件则是用来将事先用i s p c o d e 软 件描述的i s p 器件编程算法进行器件烧写，这时空白的一块i s p 器件就按你所设计的功能 形成了集成i 【l 路；并且还可同时对一块l 乜路板上的多个i s p 器件进行编程烧制，菊花链( 一 条多芯电缆) 也由此得名。功能仿真器和波形观察器可用于模拟检查设计正误，使用时方便 灵活。 归纳起来有以下特点： 1 ：! j l i 速r u 路板和整个系统的凋试： 2 彻底消除器件编程过程所引起的引脚弯曲现象： 3 无需从电路板上拆下芯片就能重烧重构系统功能； 4 易于通过功能重构来实现系统的现场升级和遥控升级。 川该软件对i s p 器件编程烧制的实现步骤旗本一i ：足： ( i ) 原理图输入。在启动i s ps y n a r i o 后：1 创建一个设计项目；2 项目命名；3 器件 选择；4 在设计巾增加源文件；5 原理网输入；6 添加更多的元什符号和连线；7 定义器 件的属性：8 保存已经完成的设计。 ( 2 ) 设计的编译与仿真。1 建立仿真测试向量：2 编译原理图和编译测试向量；3 功能 仿真和波形输出；4 建立元件符号：5 将设计编译到器件q ，。 ( 3 ) 软件下载。将程序烧制到 s p 器件中，完成集成块的制作。 在系统可编程技术即i s p 技术是i s p 硬件与软件完美结合的产物，是可编程器件领域 的一利最先进的技术，它可使硬件变得像软件那样灵活易于修改，使得所设计的系统的 i 样及调试- 1 1 ： 1 7 l 迅速方便。 基于i s p 技术的以上优点，f 背景信号产生器- p 的数= i ! ；隔离、逻辑功能控制和状态榆 测模块采用了在系统可编程( i s p ) 技术，下面就各个功能模块做详细地介绍。 2 2 数据隔离 在h f 背景信号产生中，高低位的数据写入和读h 1 都使用同一个数据通道，为了保证备 个操作的完全独立，要对数据进行隔离，另外，为了保证数据的完全同步和数据的稳定性， 搏l i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 环境的优秀通用电子设计软件。i s p 软件能够支持1 a t t i c e 的i s p l s i 器件、i s p g a i 器件、 s p g d s 器件以及全系列g a l 器件的设计、编泽和逻轻 模拟。它包括了d a t ai o 的s y n a r i o 输入软件的全部功能，既可用原理图输入和a b e l 硬件描述语青输入，也可采用混合式设计 输入模式。允许在同一器件的设计中同时采用原理图、高级语言、真值表和状态机输入方 式，从而使设计输入十分灵活简便。它除了s y n a r i o 外还包含有i s p g d s 编译软件、 s p c o d e 软件和用于在系统编程的菊花链烧写软件、功能仿真器和波形观察器。j t r f l s p c o d e 软什 是一套描述i s p 器件编程算法的源程序库。菊花链烧写软件则是用来将事先用i s p c o d e 软 件描述的i s p 器件编程算法进行器件烧写，这时空白的一块i s p 器件就按你所设计的功能 形成了集成i 【l 路；并且还可同时对一块l 乜路板上的多个i s p 器件进行编程烧制，菊花链( 一 条多芯电缆) 也由此得名。功能仿真器和波形观察器可用于模拟检查设计正误，使用时方便 灵活。 归纳起来有以下特点： 1 ：! j l i 速r u 路板和整个系统的凋试： 2 彻底消除器件编程过程所引起的引脚弯曲现象： 3 无需从电路板上拆下芯片就能重烧重构系统功能； 4 易于通过功能重构来实现系统的现场升级和遥控升级。 川该软件对i s p 器件编程烧制的实现步骤旗本一i ：足： ( i ) 原理图输入。在启动i s ps y n a r i o 后：1 创建一个设计项目；2 项目命名；3 器件 选择；4 在设计巾增加源文件；5 原理网输入；6 添加更多的元什符号和连线；7 定义器 件的属性：8 保存已经完成的设计。 ( 2 ) 设计的编译与仿真。1 建立仿真测试向