（电工理论与新技术专业论文）基于fpga的电子喷绘机数据通信系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , t h e r e h a sb e e na n i n c r e a s i n gn e e df o rh i g h e rs p e e da n dm o r ep r e c i s ed a t at r a n s m i s s i o ni nc o n t r o l s y s t e m s s o i ti s n e c e s s a r y t ou s et h ee r r o r c o d i n gt e c h n o l o g y i nt h ed a t a t r a n s m i s s i o n p r o c e s s t h i s c a nb er e a l i z e d b yu s i n ge r r o rc o r r e c t i o nc o d i n g t e c h n o l o g y ，w h i c hi s a ni m p o r t a n tp a r to fi n f o r m a t i o nt h e o r y s t u d y i n go fe r r o r c o r r e c t i o nc o d i n gi saw o r kc o m b i n e dw i t hs t r o n gt h e o r ya n dp r a c t i c e b e i n ga n i m p o r t a n tl i n e a rb l o c kc o d ei n e r r o rc o n t r o lf i e l d ，t h er e e d s o l o m o n ( r s ) c o d e h a sv e r ys t r o n gc o r r e c t i o na b i l i t i e s ，s oi ti s w i d e l yu s e di n v a r i o u so fm o d e r n c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a st o s a t i s f y t h e r e l i a b i l i t y o fd a t at r a n s m i s s i o n c h a n n e l s i nt h i st h e s i s ，a tar e s e a r c hp r o j e e to f d i g i t a lp r i n t e ri m a g ep r o c e s s i n g s y s t e m ，w ed e s i g n e dad a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t he r r o rc o r r e c t i o na l g o r i t h m b a s e do i le l e c t r o n i c d e s i g na u t o m a t i o n ( e d a ) t e c h n o l o g y , a n ds t u d i e d t h e e n c o d i n g ，t h ed e c o d i n g a n dt h er e a l i z a t i o no fr sc o d eb a s e do nf i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) f i r s t l y ，d e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rh a r d w a r es y s t e mo fd i g i t a lp r i n t e ra sw e l la s t h em o d u l es t r u c t u r ea n df u n c t i o nc i a s s j f i c a t i o na r ed i s c u s s e di nt h j st h e s i s e v e r yc h i p u s e di n e v e r y f u n c t i o n a lm o d u l ea n dt h e i rt i m i n g r e l a t i o n s h i p i s i n t r o d u c e ds p e c i f i c a l l y t h ed a t at r a n s m i s s i o nb a s e do nl o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a l s i g n a l i n g ( l v d s ) t e c h n o l o g y i s d e s c r i b e d s u b s e q u e n t l y ，t h e r e i sd e t a i l e d d e s c r i p t i o nf o rt h ef p g a m o d u l e 。a tt h es a m et i m e ，t h em o d u l ec l a s s f i c a t i o na n d f u n c t i o nr e a li z a t i o no ft h i sm o d u l ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n tf o rt h ep r i n t e r s h a r d w a r es y s t e mi sa l s od i s c u s s e d s e c o n d l y , t h ea l g e b r a i cd e c o d i n ga l g o r i t h m ，u s e di nt h ep r i n t e rs y s t e m ，a n d o p e r a t i o n a lp r i n c i p l ei ng a l o i sf i e l da r ee x p l a i n e di nt h i st h e s i s a tt h es a m e t i m e s o m eb a s i cf o r m u l a so fr s ( 2 5 5 ，2 4 7 ) c o d ea r ea l s oc o n c l u d e d ，s u c ha sg e n e r a t e d p o l y n o m i a l ，s y n d r o m e sm a t r i x ，k e ye q u a t i o n a n ds oo n t h e nw ep r e s e n tt h e h a r d w a r ed e s i g no f r s ( 2 5 5 ，2 4 7 ) e n c o d i n ga n dd e c o d i n g ，i n c l u d i n gt h em u l t i p l i e r i ng a l o i s f i e l d ，t h e c i r c u i tf o r s o l v i n gs y n d r o m e sm a t r i x ，t h e c i r c u i to f b e r l e k a m pa r i t h m e t i ca n ds oo n t h eu s eo fs t r e a m l i n et e c h n o l o g yi nt h ed e s i g n o ff p g a i m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo f e n c o d ea n dd e c o d es y s t e mg r e a t l y 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 f i n a l l y , t h e t h e s i si n t r o d u c e dt h ea c c o m p li s h m e n to fe n c o d ea n dd e c o d eo f r s ( 2 5 5 ，2 4 7 ) c o d eb a s e do nf p g a s i m u l a t i o n sa n df u n c t l o nt e s t sa r ec a r r i e do u t ， a n dt h es i m u l a t i o nw a v e f o r ma n dt e s td a t aa r ea l s og i v e na tt h ee n do ft h i st h e s i s t h es i m u l a t i o na n d t e s t i n gr e s u l t s s h o wt h a tt h ed a t at r a n s m i s s i o n s y s t e m d e s i g n e di n t h i st h e s i sc a nn o to n l ym e e tt h en e e do fd i g i t a lp r i n t e rb u ta l s o i n c r e a s et h ed a t at r a n s m i s s i o ns p e e db yd o u b l et i m e s ，a n di m p r o v e dt h ep r i n t i n g q u a l i t yg r e a t l y t h ep e r f o r m a n c eo f t h ed i g i l a lp r i n t e ri sb o o s t e d t on e wl e v e l k e yw o r d s ：d i g i t a lp r i n t e r e r r o rc o n t r o l ，r sc o d e ，f p g a ，e d a ，a n dl v d s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 在本章中简单介绍了电子喷绘机和喷绘领域的发展与现状，并对 在电子喷绘机硬件系统设计过程中采用的差错控制技术和e d a 技术的 发展和应用进行阐述。最后给出本论文的研究内容。 1 1 喷绘机与喷绘技术 喷绘机是喷墨打印机的另一种定义，现常指大幅面及超大幅面喷 墨打印机。它主要是为了适应大型或巨幅广告打印的一种特殊用途的 打印机。它输出的画面很大，如高速公路旁众多的广告牌画面就是喷 绘机输出的结果。 喷绘机所完成的工作是把特定数据格式的图像送至喷头上打印出 来，并根据喷头的不同选用不同的数据传输方式和时序。由于输出画 面非常大实际尺寸可以达到上百平方米的面积，所以图像数据量也 比较大，一幅图片最大可以达到几个g 字节。所以如何把图像数据快 速准确地发送至喷头打印出来，就成为决定一台喷绘机性能高低的重 要因素。 电子喷绘机融合了计算机，电子，电气，机械等诸多方面的技术， 是一个新兴的技术领域，电子喷绘机系统主要由以下几个部份组成： 主机：一般由p c 机或嵌入式系统组成。主要完成图像数据格式的 转换，即通过软件把普通的r g b 格式的图像文件转化为k c m y 格式。完 成数据图像的分割，并通过硬件系统将分割后的图象数据按次序发送 到喷头中。 打印头：主要完成打印图像数据时序转化，即把打印数据按喷头 的时序重整，然后传送到喷头上，以及喷头的驱动电路，这一部份是 运动的。 运动系统：主要包括两台电机( 伺服或步进) ，控制横向( 喷头) 和 纵向( 布料) 运动，在打印过程中电机运行的精度要尽可能高。 此外还包括供墨及其它一些外围控制系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在当前喷绘领域内，国外的一些大的厂商如：威特( v u t e k 美国) ， 赛天使( s c i t e x 以色列) 等在业界内处于非常领先的地位，引导喷绘领 域的潮流，在国际喷绘机市场上占统治地位。其中威特公司的超宽幅 喷绘机和赛天使的平板喷绘机在同类机型中的市场占有率都在3 0 以 上。而国内厂商尚处于起步阶段，目前主要是根据国外机器进行功能 仿制。所以在总体性能上要稍逊一筹。但是由于成本上非常低廉，只 有国外同类型机器的一半或几分之一，所以也有一定的竞争力。 在国外一些著名的机型中，电子控制系统比较先进，基本上都采 用专用的嵌入式系统作为主机系统，并采用专用图像处理芯片，数据 处理速度非常快。因此国外的机器一般都是6 色或8 色，每种颜色又 有多个喷头，目前最多可以采用3 2 个喷头。比如威特公司的最新型超 宽幅喷绘机有8 色，采用3 2 个喷头，是业界内打印速度最快的喷绘机。 此外，国处的著名机型在图像数据传输过程中采用一些比较先进的技 术。比如威特、赛天使等系列机型全部采用光纤数据传输技术，能很 好地降低图像数据的误码率。 国内厂商则主要采用p c 机作为主机系统，由于技术上的限制，数 据处理速度比较慢。因此国内的喷绘机一般都采用4 色，喷头不超过 1 0 个，打印速度无疑慢了很多。并且由于图像数据的误码率比较大， 打印画面的质量也比国外同类型的机器差。因此要想与国外的著名机 型竞争，一味地降低成本是不行的，必须要在技术上缩小差距。 经过对喷绘机的仔细研究，我们发现限制图像处理速度的主要瓶 颈在硬件的处理速度上，它直接决定了喷绘机的颜色通道和喷头数量。 特别是在数据由主系统向打印头的传输过程，现在国内一般采用的传 输接口速度都比较低，打印速度提高以后，图像误码率太高，造成打 印图像质量下降。因此如何解决打印速度与打印质量之间的矛盾就成 了解决问题的关键。 为此，我们借鉴了通信和多媒体系统中处理图像数据的方法，采 用可编程逻辑器件( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可 编程门阵列) 完成图像数据的处理，采用l v d s 接口技术传输图像数据， 并在传输过程中通过差错编码进行图像数据的纠错。这样一来便很好 地解决了打印速度与打印图形质量之间的矛盾。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 通过以上措施改进后的喷绘机可以采用6 色和8 色，最多可以支 持2 4 个喷头。 我们在硬件设计过程中充分采用了e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n 电子设计自动化) 技术，大大提高了设计效率。并采用了 纠错编码技术来提高打印图像的质量。 差错控制技术和e d a 技术是也是当前新技术领域比较引起关注的 话题，本文的设计其实也是这两种技术在喷绘领域内的一种应用和实 现，因此下砸有必要介绍一下当前差错控制技术和e d a 技术的发展情 况。 1 2 差错控制技术的发展与现状 当今我们正处在一个新技术革命蓬勃发展的大变革的时代。在这 个时代里，信息技术是新技术中最活跃、发展最快的技术。信息技术 的发展和计算机科学技术的发展密切相关。 在控制领域中，控制方式也由原来的传统控制方式向信息化方向 发展，微机控制技术已经成为控制领域内的主要控制手段。控制的对 象和方式都与以前有了很大的不同，最显著的变化之一就是数字化。 由于数字信号抗干扰强、产生的畸变小，并且这些畸变也容易消 除，因而可以大大提高通信质量，是当前控制技术的潮流。数字控制 的方式一般是把控制变量经过模数转换之后，通过通信的方式传输到 主控制系统中，主控制系统根据控制变量作出相应的控制处理，控制 指令再通过通信的方式传输到控制对像，再通过数模变换，转换为相 应的模拟控制量，最终完成对控制对象的控制。 另外，数字控制由于使用的信号简单，对通信设备中所用电路的 要求比较简单，因此成本低。目前数字控制中用到的电路绝大部分都 是集成电路，它具有简便、轻巧、耗电低、不易发生故障等优点。随 着大规模集成电路的发展，设备成本还可以进一步降低，数字通信设 备会越来越普遍，其应用也将越来越广泛。 由于受外来的干扰等原因，数字通信也不能保证百分之百地正确 传输控制信号，在传输数据时极有可能出现差错。但与模拟通信相比， 数字通信可以采用差错控制技术，它能自动发现差错且立即校正，并 改善传输质量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 随着控制技术的发展，控制对象越来越多，控制方式越来越复杂， 特别是在实时控制领域内，要求控制的精度和速度都要非常的高，比 如：在进行视频监控时，需要发送尽可能清晰的实时视频图像。这就 要求数据传输的速度也要相应的提高，但随着数据传输速度的提高， 发生数据传输错误的概率也会增加。因此，如何快速准确地传输控制 数据已成为控制领域内的一个很重要的问题。 要提高数据传输质量可以采取以下两方面的措施： 一是采用“完善技术”。所谓“完善技术”是通过提高数据采集 和传输设备质量来提高数据传输可靠性的。对于控制系统而言，主要是 传感器、变送器、a i d 和d i a 转换器、执行器和传输线路等。为了提 高其可靠性，尽可能选用性能优良的设备，不仅要求精度高，更要求可靠 性好。为了克服传输中可能产生的差错和外界干扰影响，要适当选择传 输媒质，改进数据通信线路的电性能，提高信噪比和带宽等，“完善技术” 的努力会受到经济和技术的限制。 二是采用“差错控制技术”。差错控制方式基本上分为两类，一 类称为“反馈纠错”，另一类称为“前向纠错”。在这两类基础上又 派生出一种称为“混合纠错”。 ( 1 ) 反馈纠错这种方式在是发信端采用某种能发现一定程度传 输差错的简单编码方法对所传信息进行编码，加入少量监督码元，在 接收端则根据编码规则对收到的编码信号进行检查，一旦检测出( 发 现) 有错码时，即向发信端发出询问的信号，要求重发。发信端收到询 问信号时，立即重发已发生传输差错的那部分信息，直到正确收到为 止。所谓发现差错是指在若干接收码元中知道有一个或一些是错的， 但不一定知道错误的准确位置。 ( 2 ) 前向纠错这种方式是发信端采用某种在解码时能纠正一定 程度传输差错的较复杂的编码方法，使接收端在收到的信码中不仅能 发现错码，还能够纠正错码。采用前向纠错方式时，不需要反馈信道， 也无需反复重发而延误传输时间，对实时传输有利，但是纠错设备比 较复杂。 ( 3 ) 混合纠错混合纠错的方式是：少量纠错在接收端自动纠正， 当差错较严重，超出自行纠正能力时，就向发信端发出询问信号，要 求重发。因此，“混合纠错”是“前向纠错”及“反馈纠错”两种方 式的混合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 对于不同类型的信道，应采用不同的差错控制技术，否则就将事 倍功半。 根据功能不同差错控制编码可以分为：检错码、纠错码、纠删码 ( 兼检错、纠错) 。根据信息位和校验位的关系可以分为：线性码和 非线性码。 根据信息码元和监督码元的约束关系分为：分组码和卷积码。分 组码是将k 个信息比特编成n 个比特的码字，共有2 “个码字。所有2 “ 个码字组成一个分组码。传输时前后码字之间毫无关系。卷积码也是 将k 个信息比特编成n 个比特，每个比特不但与本码的其它比特关联， 而且与前面m 个码段的比特位也相互关联。该码的约束长度为( m + 1 ) n 比特。分组码将k 个比特编成n 个比特一组的码字( 码组) ， 经常将分组码记为( n ，k ) 码。由于输入有2 种组合，因此( n ，k ) 码应该有2 。个码字。 由于运用差错编码技术对数据传输进行差错控制，大大降低了误 码率，所以提高了数据传输的正确率，实现了稳定通信。差错控制编 码的应用领域包括：深空通信、卫星通信、数据传输、移动通信、文 件传输和数字音频，视频传输等。 本文所讨论的r s ( r e e d s o l o r f l o n 。里德一所罗门编码) 编码技术早 期主要应用于深空通信和卫星通信中，随后在计算机存储系统中也得 到广泛应用，包括高速计算机存储器以及磁盘和光盘等。近年来，r s 码编技术更是不断应用到无线通信和数字视频系统中，数字电视她面 广播d t t b ( d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ) 中的外 码纠错部分，使用的就是r s 码。 1 3 e d a 技术的发展与现状 现代电子系统一般由模拟子系统、数字子系统和微处理器子系统 三大系统组成。从概念上讲，凡是利用数字技术处理和传输信息的电 子系统都可以称为数字系统。像其它的电子系统一样，数字系统往往 是采用传统的搭积木式的方法进行设计，即由器件搭成电路板，由电 路板搭成电子系统。数字系统最初的“积木块”是固定功能的标准集 成电路和一些固定功能的大规模集成电路。用户只能根掘需要选择合 适的器件，并按照器件推荐的电路搭成系统。在设计时，设计者几乎 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 没有灵活性可言，搭成的电子系统所需的芯片种类多且数目大。 随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发展，电子系统的设 计方法和设计手段发生了很大变化。特别是进入到2 0 世纪9 0 年代以 后，e d a 技术的发展和普及给电子系统的设计带来了革命性的变化， 并已渗透到电子系统设计的各个领域。 电子系统的设计方法也由过去那种由集成电路厂家提供通用芯 片，整机系统用户采用这些芯片组成电子系统的“b o t t o m u p ”( 自底 向上) 设计方法改变为一种新的“t o p d o w n ”( 自顶向下) 设计方法。 在这种新的设计方法中，由整机系统用户对整个系统进行方案设计和 功能划分，系统的关键电路用一片或几片a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r a u i t s 专用集成电路) 来实现，且这些专用集成电路 是由系统和电路设计师亲自参与设计的。 在现代电子系统设计领域，e d a 技术已经成为电子系统设计的重要 手段。无论是设计逻辑芯片还是数字系统，其设计作业的复杂程度都 在不断地增加，现今仅仅依靠手工进行数字系统设计已不能满足要求， 所有的设计工作都需要在计算机上借助于e d a 软件工具进行。在e d a 软件的支持下，设计者只需完成对系统功能的描述，就可以由计算机 软件进行处理得到设计结果，修改设计如同修改程序一样方便。利用 e d a 设计工具，设计者可以预知设计结果，减少设计的盲目性，极大 地提高设计的效率。 ( a ) 传统设计方法( b ) 基于芯片的设计方法 图卜l 电子系统的设计方法 e d a 技术指的是以计算机硬件和系统软件作为基本工作平台，继承 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 和借鉴前人在电路和系统、数据库、图形学、图论和拓扑逻辑、计算 数学、优化理论等多学科的最新科技成果而研制而成的商品化e d a 通 用支撑软件和应用软件包，旨在帮助电子设计工程师在计算机上完成 电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至p c b ( 印刷电路 板) 的自动设计等。 e d a 技术的范畴应包括电子工程师进行产品开发的全过程，以及电 子产品生产的全过程中期望由计算机提供的各种辅助工作。从一个角 度看，e d a 技术可粗略分为系统级，电路级和物理实现级三个层次的 辅助设计过程：从另一个角度看，e d a 技术应包括电子电路设计的各 个领域：即从低频电路到高频电路、从线性电路到非线性电路、从模 拟电路到数字电路、从分立式电路到集成电路的全部设计过程。e d a 技术的范畴和功能如图1 2 所示。 可编程a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s 直译为专用集 成电路，以区别于标准逻辑电路、通用存储器、通用微处理器等电路) ， 特别是现代可编程a s i c ( c p l d ，f p g a ) 的出现，使得电子设计工程师 有条件在实验室内快速、方便地开发专用集成电路。可编程a s i c 给 现代电子系统的设计带来了极大的变革。尤其是c p l d f p g a 器件， 己成为现代高层次电子设计方法的实现载体。 图1 - 2e d a 技术的范畴 可编程a s i c 是指由用户编程来实现所需功能的专用集成电路，按 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 照结构的复杂程度不同大致分为简单可编程a s i c ，复杂可编程a s i c 和现场可编程a s i c 三种类型。 简单可编程a s i c 主要指早期开发的可编程逻辑器件 p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 它们通常由“与阵列”和“或阵列” 组成，能够用来实现任何“与或”形式表示的各种布尔逻辑函数。 p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) 和g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ) 是早期得 到广泛应用的可编程a s i c 器件。 复杂可编程a s i c 主要是指复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，它是2 0 世纪8 0 年代后期得到迅速发展 的新一代可编程a s i c 。它们一般都具有可重编程特性，实现的工艺有 e p r o m 技术闪烁e p r o m 技术和e2 p r o m 技术。c p l d 采用连续互 连方式，即用固定长度的金属线实现逻辑单元之间的互连。这种连续 式的互连结构能够方便地预测设计的时序，同时保证了c p l d 的高速 性能。 现场可编程a s i c 主要是指现场可编程门阵列f p g a ，它是与传统 p l d 不同的一类可编程a s i c 。它具有类似与半定制门阵列的通用结 构，即由逻辑功能块排列成阵列组成，并由可编程的互连资源连接这 些逻辑功能块来实现所需的设计。f p g a 与掩膜编程门阵列的不同之 处就在于它是由用户现场编程来完成逻辑功能块之间的互连，而后者 需由i c 工厂通过掩膜来完成互连。因此从某种意义上说，f p g a 是一 种将门阵列的通用结构与p l d 的现场可编程逻辑特性结合于一体的 新型器件，具有集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便、产品上 市快捷等多方面的优点。 随着工艺和技术的进步，可编程a s i c 的集成度不断提高，它们在 现代电子系统中所占有的地位也越来越重要，已成为当今a s i c 技术 的一个重要分支，在现代电子系统的设计中将起到越来越重要的作用。 1 4 论文内容及作者完成的工作 本文研究的内容是电子喷绘机图像处理部份的硬件系统设计，主 要涉及e d a 设计技术和差错控制编码技术。这方面的研究问题很多， 根据喷绘机系统的性能要求，本文重点研究的是基于f p g a 的r s ( 2 5 5 ，2 4 7 ) 编码技术及其硬件系统的实现，研究对象为上海泰威技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 发展有限公司新最新型电子喷绘机图像处理系统的硬件平台。 第二章主要介绍了整个电子喷绘机硬件系统的设计。系统采用 “t o p d o w n ”的设计方式，即先规划系统的功能模块，然后再一级一 级分解，直至最底层器件。在系统设计中广泛采用e d a 技术，大大提 高了系统的设计效率。在p c b 设计中采用v e r i b e s t 软件，实现电路的 自动布线。在数据接口部份采用可编程p c i 桥芯片，灵活定制p c i 接 口功能。在数据存储部份采用s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i c r a n d o m m e m o r y ，同步动态随机存取储器) 芯片存储数据，存储容量和速度都有 很高的性能。在核心的数据处理部份，采用f p g a 芯片实现系统级设 计。在这一章中介绍了f p g a 的模块功能分解，以及主要模块的功能 设计。 第三章研究了r s 码的编译码过程。首先介绍了r s 编码的基本概 念，以及r s 编码的性能优势，然后介绍了伽罗瓦域的基本知识，分 析如何实现伽罗瓦域的加法和乘法运算。然后给出了r s 码的编码方 法以及r s 码的译码算法。 第四章主要研究如何在f p g a 这个硬件平台中实现r s 码的编码和 译码在编码方面主要研究了基于伽罗瓦域的加法器和乘法器设计 以及基于线性反馈移位寄存器( l f s r ) 电路的编程过程实现。在译码方 面主要研究了b e r l e k a m p 译码算法的硬件实现过程，包括伴随式计算 电路、求解关键方程的b e r l e k a m p 算法电路，c h i e n 搜索电路，以及求 解错误值的f o r n e y 算法电路。 第五章主要研究r s 的编码和译码的硬件实现和性能分析，给出r s 编码和译码的功能仿真波形和验证数据。并给出采用r s 码进行差错控 制在电子喷绘机系统中对系统性能改进的比较。 论文的最后，对全文进行了总结，并给出下一步的研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第2 章硬件系统设计 根据系统性能的需要。硬件系统结构设计如下 接口 电路 及同步 控制 模块 目标系统 1 2 蹦差分 路 7 d ： 号 图象 数据 接口f p g a 鬻线uut a r g e t 总线妙妙 冈5 v 隔薪悭压 i2 1l ( p c i 接口) 降= _ d s p l1 8 v l模块ii 豳i 介主机接口 主系统 图2 1系统硬件结构原理图 整个硬件系统分为两大部份：即主系统( 图像处理卡) 和目标系统 ( 打印卡) 。图像处理卡通过p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 插 槽与主机连接，它主要完成图像数据的暂存和处理、差错控制的编码 和一些运动控制工作。目标系统放在移动的打印头上，它主要完成差 错控制编码的解码、打印数据的时序转换，以及打印控制等工作。两 者之间通过l v d s 接口连接。 其中在主系统中p c i 接口模块( 即主机接口模块) 主要完成图像处 理系统与主机之间的数据交换，f p g a 作为系统的主控模块，主要完 成数据接口转换，s d r a m 访问控制，数据的差错控制编码，控制信 号产生，以及系统主状态机。d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号 处理器) 主要完辅助数据处理，对于计算比较复杂的部份( 如电机加减 速控制) 交由d s p 来处理。s d r a m 模块主要是进行数据的存储，对运 甲学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 算前后的图像数据进行暂存。控制数据接口和图像数据接口模块用来 把数据传输到目标终端，这两个接口均采用l v d s 接口技术，在很大 程度上减小了外界干扰对数据传输的影响。 在目标系统中对传输过来的l v d s 信号进行处理，并提取同步时 钟，与数据一同送至f p g a 中进行解码运算。整个目标系统的功能主 要在f p g a 中实现。 2 1 p o i 接口模块 由于系统处理的图像数据量比较大，对信号的实时性要求很高，这 就要求信号传输的带宽要足够高，p c i 总线较其它只为加速图形或视 频操作的局部总线优越。p c i 局部总线采用3 2 位或6 4 位数据总线， 以3 3 m h z 或6 6 m h z 的时钟频率操作，可支持多组外围部件及附加卡。 在3 3 m h z 情况下，其数据传送率高达1 3 2 m b s ：在6 6 m h z 情况下， 其数据传送率翻倍。另外，它支持线性突发的数据传输模式，可确保 总线不断满载数据。外围设备一般会由内存某个地址顺序接收数据， 这意味着可以由一个地址起读写大量数据然后每次只需将地址自动 加1 ，便可接收数据流下一个字节的数据。线性突发传输能够更有效 地利用总线的带宽传送数据，以减少无谓的地址操作。p c i 接口非常 适合将高速信号处理模块和计算机桥接在一起。 目前p c i 接口的设计一般采用两种方法：其一是采用通用接口芯片 完成。常用的芯片有：a m c c 公司的$ 5 9 3 3 ，p l x 公司的p l x 9 0 5 4 等。 采用通用接口芯片完成的好处是设计时可以不用关心p c i 总线操作， 只要处理好本地总线接口即可。其二是采用c p l d 或f p g a 实现。这 种方法可以针对自身的需要定制一定的功能，因而设计灵活性大，但 必须严格遵循p c i 总线的规范，开发周期比较长，开发成本也比较大。 在本文的设计中综合以上两种方法的优点采用一个折衷方案，即选用 一个带p c i 内核的f p g a 芯片，这样既保持了p c i 操作的灵活性，又 避免了设计上的繁琐，并且具有很强的保密性。 p c i 接口芯片采用q u i c kl o g i c 公司的q l 5 0 3 2 芯片。q l 5 0 3 2 是 q u i c k l o g i c 公司推出的一款完全可由用户自己定制的高速p c i 芯片。 在芯片内部嵌入一个p c i 接口内核，完成高速p c i 接口操作，还具有 3 7 0 0 0 系统门的可编程逻辑单元，用户可以根据自己的需要，随意定 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 制自己需要的p c i 接口芯片。 主机h o s tp c i 总线 4 0 个i o 图2 - 2q l 5 0 3 2 硬件结构原理图 2 1 1 芯片的基本功能 h t p c i l 0 0 1 主要完成主机p c i 总线的高速接口，其功能框图 见图2 2 。其与主机部分接口通过3 2 位、3 3 m h z p c it a r g e t m a s t e r 总线。 该芯片在本地总线方面有两个接口 主接口为p c im a s t e r 接口，包含一个“上传d m a 控制器”、 一个“下传d m a 控制器”、一个“上传f i f o ”和一个“下传f i f o ”。 “上传f i f o ”和“下传f i f 0 ”的大小均为1 2 8 字深、3 2 位宽，对 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 本地总线而言，是m a s t e r ，发出读操作和写操作。 从接口为p c it a r g e t 接口，包含了4 0 位普通i o 和一个具有 8 位地址总线、1 6 位数据总线的同步读写接口。对本地总线而言， 也是m a s t e r ，发出读写操作。 以上所有功能的操作控制在1 k 的用户地址空间内统一编址。 编址地址在2 1 4 节详细说明。 2 1 2 芯片的基本操作 对于主通道，当进行p c id m a 写操作时，该操作通过“下传 f i f 0 ”和“下传d m a 控制器”进行。先由主机通过该芯片的主接 口对外部f p g a 发出写操作信号，设定本地目的地址。然后主机访 问该芯片内部的“下传d m a 控制器”，设定被传送的数据的源地址， 数据块长度，然后设定“下传d m a 启动位”以启动传输。p c i 传输 启动后，该芯片的“下传d m a 控制器”将从计算机内存( 源地址 处) 将目标数据读入该芯片内的“下传f i f o ”中。当“下传f i f o ” 内有数据时，芯片内部状态机将f i f o 内的数据送入外部f p g a 。当 所设定大小的数据传完后，该芯片将产生一个p c i 中断。主计算 机响应中断后，应负责及时清除中断源。 当进行p c id m a 读操作时，该操作通过“上传f i f o ”和“上 传d m a 控制器”进行。同样先由主机通过该芯片的从接口对外部 f p g a 发出读操作信号，设定本地源地址。然后主机访问该芯片内 部的“上传d m a 控制器”，设定要传送的数据的目的地址，数据块 长度，然后设定“上传d m a 启动位”以启动传输。p c i 传输启动后， 该芯片的“上传d m a 控制器”将从f p g a 内把数据读入该芯片内的 “上传f i f o ”中。当“上传f i f o ”中有数据时，芯片内部状态 机将f i f o 内的数据送入计算机内存( 数据的目的地址处) 。当所 设定大小的数据传完后，该芯片将产生p c i 中断。主计算机响 应中断后，应负责及时清除中断源。 对于从通道，p c i 操作直接由主机对相应的地址进行软件简单 的读写，故不作描述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 1 3 芯片的信号说明 a ) p c i 总线接口信号 该接口是一个符合p c i 2 1 规范的信号总线。信号包括3 2 位的、全 部的p c i 2 1 信号( 包括p c ir e q 和p c ig n t ) ，在此不再详述。 b ) 本地i 0 接口信号 该接口是一个包含4 0 个i o 信号的总线，该总线分为6 组，其中 p o r ta 、p o r tb 、p o r tc 、p o r td 每组为8 b i t 、p o r te 和p o r tf 每组 为4 b i t ，每组i o 有独立的方向选择位，即信号包括： 一p o r ta 7 ：0 1 ，输入输出。8 位p a 总线 p o r tb 7 ：0 1 ，输入输出。8 位p b 总线 一p o r tc 7 ：0 1 ，输入输出。8 位p c 总线 p o r td 7 ：0 1 。输入，输出。8 位p d 总线 一p o r te 3 ：0 1 ，输入，输出。4 位p e 总线 一p o r tf 3 ：0 1 ，输入输出。4 位p f 总线 一p o r t f d i r 、p o r t e d i r 、p o r t d d i r 、p o r t _ c d i r 、p o r t b d i r 、 p o r tad i r 输出。对应于寄存器“扩展1 02 ”的b i t 2 9 2 4 。即：当设定p o r t a 为输出时，应向寄存器“扩展i o2 ” 的b i t 2 4 写入1 ，同时p o r tad i r 将被驱动到1 ；当 设定p o r ta 为输入时，应向寄存器“扩展i o2 ”的b i t 2 4 写入0 ，同时p o r t a d i r 将被驱动到0 ：其它类似； c ) 本地t a r g e t 总线接口信号 该接口是一个具有8 位地址、1 6 位数据宽度的同步读写接口，信 号包括： i o a d d r 7 ：0 】，输出。8 位t a r g e t 本地地址总线( 按1 6 位对 齐) ，对应本地地址o 0 x l f f i o d a t a 1 5 ：0 】，输入输出。1 6 位t a r g e t 本地数据总线 一i ow rr d ，输出。读写控制：写操作时，为1 ：读操作 时，为0 i oe n ，输出。有效写操作控制；当执行有效的写操作时， 为l d 1 本地m a s t er 总线接口信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 该接口是一个具有3 2 位数据宽度的同步读写接口，信号包括： - f i f od 【3 1 ：o 】，输x 输出。3 2 位m a s t e r 本地数据总线 - f i f o o e n ，输出，“下传f i f o ”状态指示：为1 时，表 示内部“下传f i f o ”中存在有效数据；( 即f i f oe m t y ) _ f i f o o _ r d y ，输入。为l 时，指示外部f p g a 允许写入；只 有当同时w rf i f oe n = l 和f p g aw rr d y = 1 时， c l k 上升沿处才是一个有效的写操作，( 即f p g af i f o f u l l ) h i f i f o j e n ，输出。“上传f i f o ”状态指示；为1 时，表 示内部“上传f i f o ”中存在空位，允许输入有效数据；( 即 f i f o f u l l ) - f i f o j r d y ，输入。为1 时，指示外部f p g a 有有效数据： 只有当同时r df i f oe n = 1 和f p g ar dr d y = 1 时， 在c l k 上升沿处才是一个有效的写操作，( 即 f p g af i f o e m p t y n ) 一d a td i r ，输入。为1 时，3 2 位m a s t e r 本地数据总线 f i f o d 3 l ：0 】的方向为输出( 即下传) ：= 0 时，3 2 位m a s t e r 本地数据总线f i f o d 3 1 ：o 的方向为输入( 即上传) e ) 本地接口其它信号 一f i f o e l k ，输出，时钟信号，3 3 m h z ；上升沿有效( 读操作 时可以不用) 一xr s t ，输出，复位信号，复位时，xr s t = i ： 一i oi n t ，输入，本地中断输入，高电平有效： 一f p g a n c o n f ，输出，f p g a 配置信号，连接到f p g a 的 f p g a n c o n f - f p g a _ d c l k ，输出，f p g a 配置信号，连接到f p g a 的 f