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武汉理上人学硕士学位论文 摘要 误码仪是在通信系统的性能测试以及故障诊断中必不可少的设备 传统的 误码仪基于c p l d 和c p u 协同工作 结构复杂 价格昂贵 而且不方便携带 随着现代e d a 设计技术的进步 越来越多的功能将由硬件设计师集中在单芯片 上实现 文章分析了误码仪系统需求 制定出以f p g a 为核心的星型结构的误 码仪设计方案 提出采用f p g a 来完成误码仪的控制和测试模块一体化设计 提高了系统功能扩展性和系统的集成度 使得各个功能模块均可得到详细至逻 辑门级的设计和改动 研究了传统误码仪的工作原理与结构 并利用v h d l 语言在f p g a 芯片上 模拟实现了绝大部分的传统误码仪的功能 如l c d 显示驱动 串口通信驱动 误码测试 数据存储芯片驱动等功能 设计主要分为误码仪硬件电路的设计和f p g a 内部功能的v h d l 软件设计 两个部分 硬件设计主要是f p g a 的外围电路设计 r s 2 3 2 电路设计 e 2 p r o m 电路设计 以及按键和指示灯等 软件设计主要是使用硬件编程语言v h d l 编 程实现了传输速率在1 2 4 m h z 内8 种速率可调 2 9 1 位 2 1 5 1 位 2 2 3 1 位3 种序列长度的伪随机码码型可选 可手动发送误码 误码检测以及f p g a 片外 资源总体控制等误码仪主要功能 在误码仪的设计中采用以f p g a 芯片为主的硬件设计 该单片f p g a 芯片 集误码发送 接收 统计 计算 存储 l c d 显示 r s 2 3 2 串行通信等功能于 一体 加以外部少量辅助电路即可完成整个误码仪的设计 因此误码仪的体积 重量 成本得到了很大的精简 本设计采用直观的l c d 菜单显示格式进行操作 简单易懂 由4 按键即可 完成所有功能的操作 本设计和传统的误码仪相比 具有操作面板简洁 操作 简便 显示直观 易升级扩展的优点 文章最终完成了误码仪的准系统的开发制作 包括误码仪开发板1 0 版本的 制作以及基于f p g a 的误码仪内核1 o 版本的开发 可以完成基本的误码仪功能 整个硬件开发成本低廉 证明了基于f p g a 的误码仪系统设计是可行且有效的 关键字 误码仪 f p g a v h d l 伪随机序列码 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e r t b i te r r o rr a t et e s t e r i sa l le s s e n t i a lt e s t i n gd e v i c ei nc o m m u n i c a t i o n s y s t e md u r i n gp e r f o r m a n c et e s t i n ga n dm a l f u n d i o nd i a g n o s i st h en e t w o r kc o n d i t i o n s t h et r a d i t i o n a ld e s i g na b o u tb e r ta r eb a s e do nc p l da n dc p uw o r k st o g e t h e r t h e d i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a ld e s i g na r ec o m p l i c a t es t r u c t u r e c o s tm u c ha n dh a r dt o t a k e n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe d at e c h n o l o g yn o w a d a y s m o r ea n dm o r ef u n c t i o n s w i l lb ei n t e g r a t e do no n ec h i pb yh a r d w a r ee n g i n e e r t h ep a p e ra n a l y z e dt h ed e s i g n r e q u i r e m e n to fb e r t b a s e do nf p g a a n dm a d eas c h e m et h a tu s ef p g aa st h em a i n c h i pi nt h es y s t e m t h es t r u c t u r eo ft h eb o a r di ss t a r t y p e p a p e rb r i n gf o r w a r d i n t e g r a t e db o t hc o n t r o la n dd i a g n o s i sf u n c t i o nm o d u l eo nf p g a i m p r o v e dt h e s y s t e m si n t e g r a t i o na n de x t e n da b i l i t y a n da l lt h ef u n c t i o nm o d u l e sc a l lb ed e s i g n e d a n dm o d i f i e di nr t ll e v e l p a p e rr e s e a r c h e dt h ew o r kt h e o r ya n ds t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a lb e r t a n du s e v h d l p r o g r a ml a n g u a g et or e a l i z eam a j o r i t yo fb e r t f u n c t i o n so nf p g a s u c ha s l c dd r i v e r r s 2 3 2d r i v e r e r r o rb i tt e s t k e ya n dl e dc o n t r o l e t c t h e r ea r em a i n l y2p a r td e s i g n si n t h i sp a p e r h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g nw h i c hb a s e do nf p g a t h eh a r d w a r ed e s i g ni sm a i n l ya b o u tt h ec i r c u i t s a r o u n df p g a r s 2 3 2c i r c u i t s p r o mc i r c u i t s k e ya n dl e dl a y o u td e s i g n s s o f t w a r ed e s i g na r em a i n l ya b o u tu s ev h d lp r o g r a m m i n gl a n g u a g et or e a l i z e ds o m e f u n c t i o n sl i k e8l e v e ls p e e dc o n t r o ld u r i n g1t o2 4 m h z 3c o d et y p et oc h o o s e 一 一l 2 一1 2 一1 s e n te r r o rc o d em a n u a l l y b i te r r o rr a t et e s ta n ds o m eo t h e rr e s o u r c e s c o n t r o la r o u n df p g a e t c n ed e s i g nm a i n l yf o c u so nas i r l g l ef p g ac h i p i tc o n t a i n sm a n yf u n c t i o n s i n t e g r a t e dg e n e r a t e r e c e i v e s t a t i s t i ca n dc a l c u l a t e st h et e s tc o d e s a v et h er e s u l t l c md r i v e ra n dr s 2 3 2c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n sa saw h o l e w i t hal i t t l ee x t e r i o r a s s i s t a n tc i r e u i tc a l lm a d et h ew h o l eb e r ts y s t e m s ot h es i z e w e i 曲ta n dc o s to f b e r t c a nc u ta l o t t 五ed e s i g nu s em e n um o d ea si n t u i t i o n i s tl c dd i s p l a yf o r m a t i t se a s yt ob e u n d e r s t o o db yu s e r a n da l lc o n t r o l sa r eb a s e do n4k e y s c o m p a r ew i t i lt h et r a d i t i o n a l b e r t h a st h ea d v a n t a g e sl i k es i m p l ep a n e l e a s yt oo p e r a t e f r a n k l yd i s p l a ya n de a s y t ou p d a t et h ew h o l es y s t e m p a p e rf i n i s h e dt h eb e r td e m os y s t e r na tl a s t i n c l u d i n gt h eb e r td e m ob o a r d v e r1 0a n dt h eb e r tc o r eb a s e do nf p g av e r1 0 c o u l dd os o m eb e r tb a s i c f u n c t i o n s t h ew h o l eh a r d w a r ec o s tw a sc h e a p i tp r o v e dt h a tt h eb e r ts v s t e m d e s i g nb a s e do nf p g ai se f f e c t i v ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s b e r t f p g a v h d l mc o d e 此页若属实 请申请人及导师签名 独创性声明 本人声明 所星交的论文是我个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 除了文中特另 i 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 也不包含为获得武汉理工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了谢意 研究生签名 盔盛日期兰 丝 墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部内容 可以采用影印 缩印或其他复制 手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 研究生签名 盎选导师签 注 请将此声明装订在论文的 日期2 1 1 箜缉 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在科技日新月异发展的今天 数字通信网络已经渗透并影响到了我们日常 生活中的方方面面 人们已经感受到通信网络带来的种种便利 除了我们所熟 悉的互联网 电话网络这样的主干通信网之外 1 越来越多的专用网络也应用到 了各行各业 例如 气象检测站的数据传输网 水文监测点的数据传输网等 这些专用网络都具有低速 长距离 通信数据结构较为简单等特点 从而大大 提高了工作效率并节省了工作成本 2 3 1 由于信道中噪声的加入 使得在数字通信中在接收端不可避免的会出现误 码 误码率是检验通信设备传输质量的重要指标 误码的检测在通信中必不可 少 因此 产生了各种各样的误码检测器 4 1 5 1 按照国际电信联盟电信标准化部门i t u t g 7 0 2 建议 误码率是在测量时间 内数字流码元 码 误差的数目 量 与数字流码元总数之比 由于比特 b i t 是码元的最小单位 故当码流的每个码元是l b i t 时 误码率就是误比特率 简 称b e r 当传输码字 码符 时 称为误字 符 率 当传输码组时 称为误 码组率 b e r 则是其基本测量参考单位 所以 误码和误码率的研究与测量一 直深受各国的普遍重视与关注1 6 j 如何快速准确的检测到通信系统的误码率成为数据通信系统中不可缺少的 重要工作 网络维护人员经常会遇到通信线路连接不通 通信数据接收不到 通信线路误码率高 通信网络规程不匹配 通信网络设备连接不上等问题 这 时一台手持式通信线路质量分析仪器 误码仪成了网络维护人员不可缺少的 设备 误码分析仪给工程实际应用带来了极大的便利 它具有丰富的测试接口 和测试内容 并能将结果直观 准确的显示出来 现场可编程门阵列 f p g a 是当今应用最广泛的可编程专用集成电路之一 特别适合于产品的样品开发与 小批量生产 从而大大的缩短了产品上市时闯 降低了开发成本川 此外 f p g a 还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性 使得硬件的功能可以像软件 一样通过编程来修改 这样就极大的提高了电子系统设计的灵活性和通用性 武汉理上人学硕士学位论文 1 8 9 l 1 0 1 1 l 而硬件描述语言 h d l 是一种快速的电路设计工具 其功能涵盖了 电路描述 电路合成 电路仿真等的三大电路设计工作 v h d l 是h d l 的一种 因其简单易懂而被广泛使用 1 2 1 现今的数字通信系统大量采用f p g a 作为系统 的核心控制器件 将物理层上的各协议层的功能集中到f p g a 内部实现 提高 了系统的集成度 同时也减少了硬件和软件设计的复杂度 因此利用f p g a 作 为设计误码仪的主要芯片成为最适合的设计方案i l 在数字网中 数字端到端连接的每一个环节都可能给被传输的数字信号带 来传输损伤 数字传输损伤是一个相当复杂的物理现象 究竟如何表达这种物 理现象 至今仍是研究课题 目前 i t u t 推荐用误码 抖动 漂移 滑动 延 时和帧失步等来表示数字传输损伤 随着数字通信和视频技术的发展 人们越 来越重视传输信道的误码性能 并寻求各种信道抗干扰 降低误码的能力 本 文所介绍的误码仪 就是为了研究数字通信系统的抗误码能力 测试各种纠错 码的纠错能力等设计的 1 4 1 5 影响误码的因素有 随机噪声 同波道干扰 临 近波道干扰 衰落和多径干扰 收端载波相位抖动和定时相位抖动 发送功率 放大器的非线性等等 1 6 j 目前常用的误码产生方法有三种 第一 采用模拟电路产生随机噪声 这 种方法无法了解其统计特性 不易控制 第二 采用数字电路 此法因算法被 固化在模块中 无法根据信道要求随时改变误码特性 第三 采用计算机模拟 的软件实现 需要时间较长 当所模拟的信道速率较高时无法满足要求1 1 8 根 据以上情况 文章采用软件 硬件结合的方法 实现了易于控制的误码发送和 接收1 1 9 1 1 2 误码仪介绍 文章设计的误码仪由主机 人机交互界面 接口电路组成 在文章设计中 以单片f p g a 芯片为主完成以上三部分的设计 这样使得设计的误码分析仪具 有体积轻巧 接口丰富 人机交互界面简洁 成本低廉 可升级内核的特点 这样设计出的误码仪成本大大低于传统误码仪 并且简单易用 是专用通信网 络最合适的误码分析仪器 2 0 1 e 2 1 1 目前传统的误码仪主要为国外产品 以安捷伦a g i l e n t e 7 5 8 0 a 2 m 误码仪来 说 目前市场价格在2 0 0 0 0 元 台左右 操作复杂 价格昂贵 维修困难 这也 2 武汉理工大学硕士学位论文 代表了相当一部分传统误码仪的特性 要很复杂的误码分析功能 针对于此 误码分析仪是十分有意义的 对于一些简单的专用网络来说 并不需 开发研制针对专用网络的低成本手持式 在端到端传输过程中 数字传输 数字复接 数字交换及其它任何数字处 理环节都可能使得被传输的数字序列产生误码 在系统及设备正常情况下 数 字传输系统是主要产生误码的地方 误码产生的物理过程与信道性质及约束 条件关系密切 本误码仪是针对串行通信网络的误码检测设计的 并未设计专用的通信接 口 传输信号为t r l 电平信号方式 因此针对不同网络还需要再设计不同的外 部通信接口心 综上所述 研究基于f p g a 的误码仪具有较好应用前景和意义 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统设计原理与结构分析 本章从研究对象误码仪系统的工作原理丌始 针对实际应用要求以及目前 技术背景 对误码仪系统总体结构进行分析 提出研究的目标 重点以及方法 并制定了具体的设计方案 建立了相应的开发环境 2 1 系统原理 2 1 1 误码检测原理 按r r u t 国际电信联盟 即原c c i t tc t 7 0 2 建议i 矧 误码率这一术语的定 义是 误码率 e r r o rr a t i o 是指在测量时间内数字码元 码 误差的数量 目 与数字码元总数之比 p r o p o r t i o n 表达式为 误码率t 瓣 2 1 误码率的数值用1 1 1 0v 的形式表示 通常所说的误码率实际多是b i te r r o r r a t i o 缩写为b e r 它是当每个码为l b i t 时的误码率 可直译为比特误码率 最好译为误比特率 这样 误比特率写成式子为 误比特率蚴卜裁鬻 2 2 自然 b e r 的数值仍用1 1 l o p 的形式表示 在电缆数字网中 除去由于热噪声引起的随机误码外 所产生的大多数误 码可归因于像雷电 交换局脉冲干扰 电源干扰 串话 以及和电力牵引线 电力线平行产生的感应 人为干扰等外界环境因素 误码测试仪由发送和接收两部分组成 发送部分要求能发出标准的数据信 4 武汉理工大学硕士学位论文 号作为测试信号 代替实际线路中的传输信号送到被测系统中 接收部分要求 能产生与发送部分完全相同的数据信号 用以和接收到的信号逐位比较 比对 过程如图2 i 所示 图2 1 数据对比原理图 从图中可以看到 从信道传递到接收机的序列通过异或门与接收机产生的 序列进行对比 若相同 则输出为 0 若不同 则输出为 1 并计为1 个误码 从而得到准确的误码数或误码率 总体来说 误码仪检测的工作过程可概括为 以下几个过程和步骤 以某种方式产生和发送码组相同的码型 以相同相位的本地码组作 为比较标准 将本地码组与接收码组逐个进行比较 并输出误码脉冲信号 对误码脉冲信号进行统计 并给出相应的误码率 在对通信系统的性能进行误码检测的设备中 发送部分的码组发生器作为 代替数字信息输入的信号源是一种不可缺少的装置 常用的码组发生器有两类 一类是伪随机码发生器 它产生的序列具有接近纯随机数字序列的特性 另一 类是规则码发生器 它可通过选择开关或按键来确定规则码的构成 规则码发 生器的序列周期 般较短 主要用作单元部件和整机性能的测试序列 而在测 量通信系统的误码率时 测量结果与误码测试仅送出信号的统计特性有关 通 常认为二进制信号0 和1 是以等概率出现的 所以从理论上讲 误码仪发码发 生器产生的信号以随机序列为最佳 然而随机序列难以重复产生 所以在实际 测量时不能用随机序列 考虑到伪随机序列具有类似于随机序列的一些统计特 性 同时又便于重复产生和处理 所以一般用伪随机序列来代替随机序列 作 为被钡4 系统的钡 试信号瞰i 5 武汉理上人学硕十学位论文 2 1 2 伪随机序列及其产生原理 伪随机序列或称为伪随孝几码 是模仿随机序列的随机特性而产生的一种码 字 也称为伪随机序列或伪噪声码 在通信工程应用中 常采用二迸制伪随机 序列 因此在序列中只有 0 和 1 两种状态 二进制伪随机序列一般是通过反馈 移位寄存器来产生的 这种反馈移位寄存器可分为线性反馈和非线性反馈移位 寄存器两种 其中由线性反馈移位寄存器产生的周期最长的二进制数字序列叫 做最大长度线性反馈移位寄存器序列 也称m 序列 m 序列的产生一般结构模型如图2 2 所示 其中a k i i l 2 1 是各移位寄 存器的状态 c i i l 2 n 对应各寄存器的反馈系数 c i l 表示该移位寄存器参 与反馈 c i o 表示该移位寄存器不参与反馈 c o 和c n 不能等于0 这是因为c 0 o 意味着移位寄存器无反馈 而c o 则意味着反馈移位寄存器蜕化为n 1 级 或更少级的反馈移位寄存器 图2 2r l l 序列发生器原理图 a k 反馈函数为 a i q a i 1 c 2 a i 一2 c 口 一 模2 力 2 3 上述的反馈函数是一个线性递归函数 当级数 n 和反馈系数一旦确定 则反馈移位寄存器的输出序列就确定了 由于带有反馈 因此在移位脉冲作用 下 移位寄存器各级的状态将不断变化 通常移位寄存器的最后 级做输出 输出序列为 口t m a o a l 口 4 输出序列是一个周期序列 其特性由移位寄存器的级数 初始状态 反馈 6 武汉理工大学硕士学位论文 逻辑以及时钟速率 决定着输出码元的宽度 所决定 当移位寄存器的级数及时钟 一定时 输出序列就由移位寄存器的初始状态及反馈逻辑完全确定 2 5 2 6 j 拥 2 2 总体方案设计 2 2 1 系统需求分析 文章的目的为设计出一台可实际操作运行的误码仪设备 由于是基于f p g a 的设计 系统具有很高的集成度和可扩展性 并可以随时升级 在设计的功能 上可以随时删减和调整 经过分析 整个设计的基本功能需求如下 1 八种测试速率可调 1 m h z 2 m h z 3 m h z 4 m h z 6 m h z 8 m h z 1 2 m h z 2 4 m h z 速率 三种测试码型可选 2 9 1 位 2 1 5 1 位 2 2 3 1 位 伪随机序列码 四按键控制 3 串行通信控制 4 1 基于液晶屏的菜单操作设计 s e 2 p r o m 控制器 6 1 误码率计算 以上的各个功能经过软件编程仿真及综合后 所消耗u 洛 逻辑单元 大概在 2 0 0 0 个左右 因此需选用具备足够l e s 逻辑单元 的f p g a 芯片进行设计 2 羽 2 2 3 系统设计方案 根据系统需求制定了系统总构架框图 把误码仪系统分为硬件设计和软件 设计两块 选用大规模可编程门阵列芯片f p g a 作为主控芯片 利用e d a 软件 设计f p g a 的外围电路和必要的功能电路 例如电源电路 串口通信芯片电路 存储器电路等等 设计的同时在e d a 实验箱上设计各个功能模块的软件 由于 v h d l 是基于硬件的编程语言 所以需要软件和硬件设计同时进行 相辅相成 根据e d a 实验模拟仿真后 总结出需要设计的硬件功能以及管脚的分配 最后 确定硬件的电路设计并锗4 版 完成后基于模块单元逐步调试 在硬件电路确定 正常工作后 开始进行基于该硬件系统的误码仪内核的编写 并上板调试 直 至最终设计完成 7 武汉理工人学硕士学位论文 2 3 小结 以上根据系统需求制定了系统总构架框图 方便系统开发和系统扩展 菜 单结构的人际交互界面简化了操作 使得所有的操作仅用4 个按键即可完成 系统功能完善 系统原理明确无误并且可以切实实现 与传统误码仪相比 本误码仪误码测试系统设计主要是基于f p g a 芯片 在其中实现逻辑门级的设计 保证了系统较好的稳定性和较高的工作效率 堂堡型三奎兰堡主堂壁堡兰 3 1 系统结构框图 第3 章硬件电路设计 根据系统需求 误码仪系统结构框图如图3 1 所示 图3 1 系统结构图 该硬件系统设计是以f p g a 为核心的星型结构分布 f p g a 芯片选用的是 a l t c r a 公司的c y c l o n e 飓风 系列芯片e p i c 3 t 1 4 4 c 8 该芯片有1 个管脚 最多有效i o 口可有1 0 4 个 有些功能i 0 口可复用 支持最高端口速率为 6 4 0 m b i t s 内部l e s 逻辑单元 有2 9 1 0 个 内部有可例化 调用 的大小为 5 9 9 0 4 b i t 的r a m 和 个p u 锁相环 p j 该芯片连同其配置芯片e p c s l 一起 市场价格在1 0 0 元 套左右 从性价比和易用性方面考虑是比较合适的一款芯片 所有的部件都连接于核心模块f p g a 上 由f p g a 统一控制和处理 下面 是各个模块的简要介绍 按键输入 由4 个按键组成 分别是重置 向下 返回和确定 用于作 为用户的控制按键 l e d 指示灯 用于指示目前系统工作状态和辅助调试系统程序使用 通 l e d 指示灯 用于指示目前系统工作状态和辅助调试系统程序使用 通 9 武汉理t 大学硕士学位论文 过不同的显示组合传达信息 外部接口 预留的i 0 口 用于将来的硬件功能扩展 电源模块 负责对系统中所有模块的供电 具有5 v 电源输入 5 v 3 3 v 和1 5 v 三种供电输出 e z p r o m 将测试结果存入e 2 p r o m 掉电不遗失数据 并可随时读取 r s 2 3 2 接口 用于和p c 机通信 上传并显示检测结果 2 4 m 晶振 提供给f p g a 全局时钟网络 确定系统工作频率 j t a g 下载口 将设计好的程序从计算机并口传递到f p g a 内的接口 a s a c t i v es e r i a l t 载口 由于f p g a 芯片是基于s r a m 工艺的 所以 每次烧录到f p g a 内的程序数据掉电后会遗失 所以每次上电以后需要 重新配置 因此 一般为f p g a 配备一款串行配置芯片用来存储程序 该下载口用于将程序先行配置进串行配置芯片以使得程序调电不遗失 l c d 显示 液晶显示人机交互界面r 显示采用菜单结构 3 2 硬件开发环境的建立 硬件设计采用以f p g a 为主控芯片 型号选用a l t e r a 公司c y c l o n e e p l c 3 t 1 4 4 c 8 f p g a 采用两层板单板结构设计 设计内容集中在芯片选型 功能布局 原理图设计 p c b 制板 硬件调试 硬件设计为误码仪的实现提供硬件环境 所使用的设计软件为p r o t e ld x p 2 0 0 4 p r o t e l 是目前国内最流行的通用e d a 软件 它将电路原理图设计 p c b 板图设 计 电路仿真和p l d 设计等多个实用工具组合起来构成e d a 工作平台 是第一 个将e d a 软件设计成基于w i n d o w s 的普及型产品 硬件制版软件选用的是 a l t i u m 公司的p r o t e ld x p 2 0 0 4 是p r o t e l 9 9 s e 的后继版本 具有较全的芯 片库和方便的操作界面 完成整个系统设计的电路图和p c b 制版p 0 最后将完 成的p c b 文件送到专门的加工地点进行制造 图3 2 为d x p 2 0 0 4 的软件界面 1 0 武汉理t 大学硕十学位论文 3 3 电源电路设计 图3 2d x p 2 0 0 4 软件界面图 随着微电子技术的飞速发展 体积更小 功耗更低 性能更佳的低压芯片 不断涌现 i o 电平逻辑向3 3 v 2 5 v 1 8 v 甚至更低的方向发展 但数十 年来 由于5 v 电源的器件一直占据比较重要的市场 在系统设计中它们经常共 存在一块电路板中 因此在设计它们的过程中 就不可避免地要碰到不同电压 电平的接口问题 这也是本设计中的一个难点所在 要保证对各个器件的正常 供电 由于本系统是多电压系统 外部存储电路需要5 v 电压供电 液晶屏的背光 需要4 2 v 的电压供电 可阻由5 v 电压通过一个降压二极管达到目的 f p g a 的核心需要1 5 v 的电压供电 其他的电路如时钟电路和串行接口电路等都是 3 3 v 电压供电 因此 需要设计一个电压转换电路 将输入的5 v 电压转化为 3 3 v 和1 5 v 电压给器件供电 电源芯片选用两款常用的芯片 a s i l l 7 3 3 和l m 3 1 7 市场售价均在1 0 元 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 以内 a s l l l 7 3 3 用于将5 v 电压降压为3 3 v 输出 因为该芯片是调节电压已 设定为3 3 v 的器件 因此外部电路十分简单 在很多场合下得到应用 3 1 由于 市场上难以寻求已确定调节电压为1 5 v 的电源芯片 因此选用了很常用的可调 节三端正电压稳压器l m 3 1 7 该芯片在输出电压范围为1 2 v 到3 7 v 时能够提供 超过1 5 a 的电流 此稳压器非常易于使用 只需要两个外部电阻来设置输出电 压 此外还使用内部限流 热关断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险 丝 l m 3 1 7 服务于多种应用场合 包括局部稳压 卡上稳压 该器件还可以用 来制做一种可编程的输出稳压器 或者 通过在调整点和输出之间接一个固定 电阻 l m 3 1 7 可用作一种精密稳流器 3 2 1 在本文应用中 使用一个固定电阻和 一个可调电阻来调节l m 3 1 7 输出1 5 v 的为f p g a 芯片核心供电 由于f p g a 内的p l l 是嵌入在数字器件中的模拟部件 为了避免数字器件 产生的噪声信号对它的影响 所以该部件具有和数字器件隔离的电源和地 这 些独立的电源和地的管脚通常用于隔离电路来改善噪声阻抗 因此在外部电源 供给的时候通常对p l l 的电源采取和数字电路隔离的方法 由于制板的限制 不可能为p l l 的电源划分出专门的区域 所以需用宽约2 0 m i l s 1 0 0 m i l s 2 5 4 m m 的电源布线经过所有的p l l 电源正极并形成一个封闭的环形来完成 所有的p l l 电源需要经过一个退耦电路的过滤 可以使用一个磁珠和钽电容并 联的方式来实现 3 3 1 基于成本和易用性考虑 选用电源电路设计如图3 3 而在制p c b 印刷电 路板 的同时需要注意要求的电源线布线的宽度 g n d 图3 3 电源电路原理图 图中v c c 为 5 v 电源 d v d d 为3 3 v 电源输出 d v d d i n t 为1 5 v 输出 给f p g a 核心供电 d v d p l l 为1 5 v 输出给f p g a 的内部锁相环供电 武汉理上人学硕士学位论文 3 4 下载电路设计 3 4 1j 1 a g 口下载电路设计 j t a g j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 联合测试行动小组1 是一种国际标准测试协 议 主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真 调试 j t a g 技术是一种嵌入式 调试技术 它在芯片内部封装了专门的测试电路1 f 奸 t e s t a c c e s sp o r t 测试访 问口 通过专用的j t a g 测试工具对内部节点进行测试 目前大多数比较复杂 的器件都支持j t a g 协议 如a r m d s p f p g a 器件等 标准的j t a g 接口 是4 线 t m s t c k t d i t d o 分别为测试模式选择 测试时钟 测试数 据输入和测试数据输出 如图所示 a l t e r a 公司的b y t e b l a s t e r l i 并行口下载线可以接入到电脑的并口 也称打印机口l p t 将电脑中设置好的配置文件通过板上的j t a g 口传递到 目标器件当中 包括该公司的f p g a c p l d 和配置芯片e p c e p c s 等 相对于 a s 口下载模式来说 该接口下载速度更快 但程序掉电后会遗失 所以更加适 合实时调试1 i 图3 4j t a g 下载示意图 武汉理工人学硕士学位论文 参照a l t e r a 提供的c y c l o n e 用户手册 设计f p g a 的j t a g 下载口电路 见图3 5 g n d 图3 5j t a g 下载口电路图 3 4 2 带小r o mc o n f i g u r a t i o n 模式a s 模式的下载口 由于f p g a 芯片是基于s r a m 工艺的 所以每次烧录到f p g a 内的程序数 据掉电后会遗失 所以每次上电以后需要重新配置 因此 一般为f p g a 配备 一款串行配置芯片用来存储程序 上电之后自动将程序从串行配置芯片中调入 到f p g a 内 从而实现了程序掉电不遗失 本文选用的这款f p g a 配备的串行 配置芯片是e p c s l 该芯片为s o p 8 封装 具有1 m 的存储容量 基于f l a s h 存储器接口使得数据掉电不遗失 完全可以胜任设计程序的存储 因此设计了相应的下载接口来配置芯片 这就是带小r o mc o n f i g u r a t i o n 模 式的a s 模式 a c t i v es e f i a lc o n f i g u r a t i o n 的下载口 设计电路原理图如图3 6 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 g n d 图3 6a s 模式下载口电路图 串行配置芯片e p c s l 具有4 个数据接口 分别是串行时钟输入 d c l k 串行数据输出 d a r a a s 数据输入 a s d l 片选信号 n c s 当下载线缆 通过a s 下载口配置程序时 下载线缆将n c s 信号拉高以禁止f p g a 和a s 下载 口通信 同时f p g a 的n c o n f i g 口也是拉至低电平状态以保证f p g a 芯片处于 复位状态 当程序下载完毕后 下载线缆释放n c s 信号和n c o n f i g 信号 让其 上拉电阻将各自信号复位 此时f p g a 可从串行配置芯片中读取程序数据并开 始工作 该下载接口同样也是可以通过b y t e b l a s t e r i i 下载电缆进行下载 3 5 时钟电路设计 所选f p g a e p i c 3 内含一个p i 锁相环 可以用来提供系统所需要的全局 时钟 通过外部的2 4 m 晶振提供时钟 电路图设计如图3 7 武汉理工大学硕士学位论文 k 5 0 一3 c 图3 7 时钟电路图 图中k 5 0 3 c 是频率为2 4 m h z 的有源晶振 采用高可靠陶瓷s m d 封装 工 作电压范围在3 v 一5 5 v 广泛用于p d a 路由器 交换机等设备m j f p g a 端 口电压为3 3 v 所以适合为本系统提供外部时钟信号 该f p g a 芯片有4 个专用时钟输入端1 3 可以作为2 对l v d s 3 6 j 低电压差 分信号 时钟信号输入或者4 个i 册 时钟信号输入 由于本设计不需要用到 l v d s 信号 所以只采用c l k 0 端口输入时钟 其他时钟端口闲置 将它们都接 地 全局时钟网络的8 根全局时钟信号线贯穿整个f p g a 器件 全局时钟网络 可以提供f p g a 内部所有资源所需要的时钟信号 全局时钟线也可以用来作为 控制信号 例如时钟使能和同步或者异步清除外部管脚的反馈信号 内部逻辑 也可以通过大的扇出设计驱动全局时钟网络用来产生内部全局时钟信号和异步 清零 时钟使能或者其他控制信号 经过测试得知该电路产生的时钟波形符合f p g a 的电平标准 3 6 串行接口电路设计 在系统设计当中自然要考虑和外部的通信接1 2 1 由于所有的模块基于f p g a 实现 因此选用简单方便的串行通信成为了首选 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 如图构成最简洁r s 2 3 2 串行通信电路 根据选择不同的m a x 2 3 2 芯片类型 各个电容的参数也不同 在本设计中采用兼容3 3 v 电压的m a x 3 2 3 2 芯片 该 芯片具有两对收发端口 在本设计中只需用到一对 与p c 连接采用d b 9 接口 3 只要发送端r s d 接收端r s r x d 和地线三根信号线即能实现 由于设想将 来可以将该手持式误码仪直接与微型打印机通过串口对接 直接打印 因此还 需设定一根信号线r s c t s 作为备用信号线用作控制打印机的使能 f p g a 芯片 e p l c 3 t 1 4 4 c 8 提供三个i o 口用于控制该通信接口 电路设计图如图3 8 所示 f p g a 卷片 h p 3 2 3 2 c s e g n d 图3 8 串口通信电路图 3 7 液晶屏接口电路设计 d 在误码仪进行参数设置 测试结果实时显示 测试状态显示等操作中 测 试人员都要通过显示模块来获取特定的系统信息 显示模块是误码仪向测试人 员提供信息的 个必不可少的窗口 根据用户的要求 l c m 字符型液晶显示模块 显示模块选用精电蓬远公 司字符型液晶显示模块l m 系列m d l s 该系列是目前世界上品种最全的字符 型l c m 系列 具有8 x l 4 0 x 4 字符 行 各种规格 广泛应用与智能仪表 通 讯 办公自动化及军工等领域 字符型液晶显示模块由字符型液晶显示屏i j 2 d 1 7 武汉理工人学硕士学位论文 控制驱动主电路h d 4 4 7 8 0 及其扩展驱动电路h d 4 4 1 0 0 或与其兼容的i c 少量 阻 容元件 结构件等装配在p c b 板上而成 3 8 l 在本系统中使用的l c m 规格 为2 0 x 4 其具有如下基本特点 液晶显示屏是以若干个5 x 8 或5 x l l 点阵块组成的显示字符群 每个点 阵块为一个字符位 字符间距和行距都为一个点的宽度 具有字符发生器r o m 可显示1 9 2 种字符 具有6 4 个字节的自定义字符r a m 具有8 0 个字节的r a m 单 5 v 电源供电 低功耗 长寿命 高可靠性 该模块引脚功能如表3 1 表3 1i a 2 m 模块引脚功能表 引脚号符号 i 漆 功能 1v s s电源地 2 v d d 5 v 逻辑电源 3v 0 液晶驱动电源 4r s输入 寄存器选择 1 数据0 指令 5r w 输入 读写操作选择 1 读0 写 6 e 输入 液晶使能信号 高电平读 下降沿写 7d b 0 三态 数据总线l s b 8 d b l 三态 数据总线 9d b 2 三态 数据总线 1 0 d b 3 念 数据总线 1 1d b 4 念 数据总线 1 2d b 5 二念 数据总线 1 3 d b 6 二念 数据总线 1 4d b 7 二 念 数据总线m s b 1 5e 1 输入 背景光正极 4 2 v 1 6e 2 输入 背景灯地 该模块除外部电路以外 f p g a 共有1 2 个y o 口用于控制该模块的显示 其 武汉理t 大学硕士学位论文 中有8 个是数据信号线d b 0 7 f p g a 对l c m 的操作是通过特定的指令和时 序来完成的 e 为使能信号脚 当e 为低时将禁止f p g a 对l c m 的任何操作 r s 和r w 信号脚电平决定了f p g a 是对l c m 进行何种操作 其真值表如表3 2 表3 2l c m 功能信号真值表 r sr n ve 功能 0o 下降沿写指令代码 0l 高电平读忙标志和a c 值 10 下降沿 写数据 1 1 高电平读数据 此外 该l c m 定义了指令集 使得f p g a 对l c m 的操作极为方便 通过该 公司网址可以得到该模块的详细资料 第三脚v o 接了一个i o k 的电阻到v c c 接了一个1 k 的电阻到g n d 可将显示对比度调整好 由于l c m 的背光电源采用4 2 v 供电 因此利用一个二极管接在5 v 电源上 降压到4 2 v 左右后接到第1 5 脚作为背光电源的正极 第1 6 脚由f p g a 控制 拉高的话背景灯灭 拉低的话背景灯亮 从而实现了液晶屏的背景灯光控制 电路原理图设计如图3 9 图3 9 液晶屏接口电路图 1 9 武汉理t 大学硕士学位论文 3 8 外部存储器电路设计 记录误码仪的测试结果需要用到掉电非遗失的存储器 在这里选用最常见 的e 2 p r o m 一a 弛8 c 6 4 b 芯片 该芯片是6 4 k 的并行e 2 p r o m 数据总线宽 度为8 位 因此可以存储8 k 字节的数据1 3 由于该芯片是5 v 器件 因此还需 要在该芯片和3 3 v 的f p g a 中设计一块电平转换芯片 使得f p g a 可以和 e z p r o m 协同工作 芯片选用的是s n 7 4 h c 2 4 5 该芯片是8 进制的总线收发器 用于两个数据总线的异步通信 可以由控制t r 端口来决定总线数据的传输方 向 柏 该端口由f p g a 芯片控制 对于a t 2 8 c 6 4 b 来说 3 3 v 即可被识别为高 电平 因此 通过s n 7 4 h c 2 4 5 将电平电压控制在3 3 v 左右 这样就可以实现 电平的转换 由f p g a 的l o 口i o d 瓜控制电平的传递方向 当i o d i r 为低的 时候电平从a 边传递到b 边 反之为高电平时 信号从b 边传递到a 边 电路图设计如图3 1 0 3 9 小结 图3 1 0 外部存储电路原理图 本章描述了整个系统的硬件电路设计 完成了误码仪所需要的硬件环境 文 章主要描述了电路图的设计 而在p c b 印制电路板 制版设计中则要注意供 电线路的选择 包括走线宽度 布线范围 抗干扰设计等 在电路板制作完成 后分块逐级调试 确保系统能够正常工作 为下一步模块设计实现奠定基础 误码仪开发板如图3 1 1 所示 茎堡堡三奎堂堡主堂垡鲨壅 图3 1 l 误码仪开发板图 武汉理1 二大学硕士学位论文 第4 章f p g a 软件的设计实现 4 1f p g a 软件的总体结构 本章将描述误码仪f p g a 软件设计的软件实现 将误码仪的功能分为各个 功能模块 由v h d l 语言编程实现所需要的f p g a 芯片内部的硬件逻辑 最后 整合完成整

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