基于PowerPC的機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王樹爭　陳強(qiáng)　袁磊

摘 要：機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)日益復(fù)雜，需要對設(shè)備的多種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和控制，機(jī)載設(shè)備的功率越來越大，功耗設(shè)計(jì)也成為重要的考慮因素，論述了一種基于PowerPC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過介紹其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理和系統(tǒng)驗(yàn)證等，證明具備上述特點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，并具有通用性和可擴(kuò)擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：PowerPC；數(shù)據(jù)采集；FPGA

中圖分類號：TP311.52

1 方案設(shè)計(jì)

隨著機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)的日益復(fù)雜，需要對設(shè)備的多種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和控制，并且機(jī)載設(shè)備的功率越來越大，因此機(jī)載設(shè)備的功耗也成為機(jī)載設(shè)備設(shè)計(jì)中的重要的考慮因素。本系統(tǒng)中需要對16種狀態(tài)信號進(jìn)行采集、監(jiān)測，信號頻率小于30KHz，要求CPU的工作頻率不小于600MHz，系統(tǒng)包含兩路以太網(wǎng)通訊接口，供調(diào)試使用；此外，系統(tǒng)包含9路DA輸出信號控制其他設(shè)備。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在整個(gè)工作系統(tǒng)中起重要的作用，主要用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的處理與系統(tǒng)任務(wù)的管理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了模塊化和通用性，系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，由處理器模塊，1片F(xiàn)PGA，A/D、D/A模塊，串口通訊模塊，以太網(wǎng)模塊組成。A/D、D/A模塊主要功能為對16路的模擬信號進(jìn)行采集，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且輸出9路的模擬信號控制系統(tǒng)的其他模塊。FPGA主要實(shí)現(xiàn)A/D、D/A模塊的接口控制邏輯和HLP接口的譯碼邏輯，F(xiàn)lash、NVSRAM和RS422通信模塊掛接在FPGA上，CPU通過FPGA進(jìn)行訪問。以太網(wǎng)模塊用于系統(tǒng)的調(diào)試。

為了讓系統(tǒng)平臺具有很強(qiáng)的通用性，對于FPGA器件，選用了Xilinx公司的Spartan-3AN系列的XC3S400AN，其具有低功耗、高性能的特點(diǎn)，該芯片包含400K門，提供8064的等價(jià)邏輯單元（LE），400Kbit的RAM，并且內(nèi)部集成4Mbit的Flash可以存儲配置文件，對FPGA進(jìn)行上電配置，從而簡化FPGA的電路設(shè)計(jì)，增強(qiáng)可靠性。

系統(tǒng)的CPU選用PC7447A，PC7447A是Motorola公司PowerPC系列處理器中的第四代高性能、超標(biāo)量處理器，主頻為1GHz，具有處理能力強(qiáng)，功耗低的特點(diǎn)。PC7447A包含11個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行單元和3組寄存器類，32KBytes指令Cache和32KBytes數(shù)據(jù)Cache，512Kbytes的L2Cache，32位或36位地址線，64位數(shù)據(jù)線，并集成功耗和熱管理單元，支持JTAG接口的在線調(diào)試功能。

處理器的橋接器選用Tsi109，Tsi109的處理器總線時(shí)鐘可達(dá)200MHz，支持60X總線和MPX總線，并且支持雙處理器，存儲器接口為64位數(shù)據(jù)寬度，頻率最高200MHz，支持DDR2-400 SDRAM；支持32/64位、3.3V PCI接口，操作頻率可達(dá)66MHz或配置為32/64位PCI-X接口，操作頻率可達(dá)133MHz，提供多達(dá)7個(gè)PCI設(shè)備的仲裁電路；提供HLP（Host Local Port）接口，HLP接口支持4個(gè)片選，每個(gè)片選最大256MB；接口數(shù)據(jù)寬度8，16，32位可選。此外，Tsi109還提供2通道DMA控制器，消息管理單元，I?C控制器，可編程中斷控制器，DDR2 SDRAM時(shí)鐘產(chǎn)生電路；內(nèi)部集成以太網(wǎng)接口，UART接口等。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器電路設(shè)計(jì)

PC7447A內(nèi)核電壓為1.1V，IO電壓由上電復(fù)位時(shí)采樣BVSEL的狀態(tài)來決定。當(dāng)BVSEL=0時(shí)，IO電壓為1.8×（1±5%）V；當(dāng)BVSEL=HRESET或OVDD時(shí)，IO電壓為2.5×（1±5%）V。因?yàn)闃蚪悠鱐si109的處理器接口電壓為1.8V，所以設(shè)計(jì)中將BVSEL管腳下拉，CPU的IO電壓配置為1.8×（1±5%）V。PC7447A的內(nèi)核電源由LTM4600提供，PC7447A的AVDD電源為時(shí)鐘鎖相環(huán)的電源，為了確保內(nèi)部時(shí)鐘的穩(wěn)定，AVDD電源必須經(jīng)過濾波，并且采用表面貼裝器件靠近AVDD最近放置。Tsi109提供給PC7447A的時(shí)鐘為100MHz，通過PC7447A內(nèi)核的PLL配置管腳，配置PC7447A內(nèi)核頻率為750MHz。

Tsi109橋接器核心電壓為1.2V，處理器接口電壓為1.8V，DDR2-400 SDRAM的接口電壓為1.8V，其他接口電壓為3.3V。Tsi109的內(nèi)核電壓由LTM4600提供，DDR2的1.8V接口電壓由TI公司的DDR2專用電源芯片TPS51116提供。Tsi109橋接器的HLP接口掛接Flash存儲器作為系統(tǒng)的程序存儲設(shè)備，F(xiàn)lash選用Spansion公司的S29GL256N11TFI010，其存儲空間為256Mbit。

系統(tǒng)的復(fù)位電路由Maxim公司的MAX706提供。系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖2所示。上電后，F(xiàn)PGA加載邏輯，DONE信號為低電平，MAX706復(fù)位輸出管腳為低電平，整個(gè)模塊處于復(fù)位狀態(tài)；邏輯加載結(jié)束，DONE信號變?yōu)楦唠娖胶?，MAX706的復(fù)位輸出管腳在延遲200ms后變?yōu)楦唠娖?，整個(gè)模塊處于正常工作狀態(tài)。另外，系統(tǒng)提供軟復(fù)位功能，通過軟件寫寄存器方式復(fù)位PC7447A。

2.2 時(shí)鐘設(shè)計(jì)

TSI109內(nèi)部集成時(shí)鐘發(fā)生電路，利用單個(gè)的輸入時(shí)鐘，可以分別產(chǎn)生處理器接口、存儲器接口、PCI接口和內(nèi)部邏輯單元所使用的時(shí)鐘。

系統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。利用33MHz的晶振提供Tsi109所需的輸入時(shí)鐘，通過Tsi109的PLL的配置管腳，配置Tsi109的處理器時(shí)鐘頻率為輸入時(shí)鐘的3倍，由Tsi109內(nèi)部的時(shí)鐘發(fā)生電路產(chǎn)生1路同步時(shí)鐘，即100MHz供PC7447A使用，產(chǎn)生8路同步時(shí)鐘（典型為200MHz）供DDR2 SDRAM使用，產(chǎn)生1路66MHz時(shí)鐘供PCI設(shè)備（PCI9056）使用。

2.3 模擬電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包含16路A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換芯片選用ADI公司的AD976A，輸入電壓范圍為±10V，轉(zhuǎn)換精度為16位，方便與處理器的。AD976A采樣速率可達(dá)200KSPS，采用單5V 電源供電，最大功耗100mW，可選內(nèi)部或外部的2.5V參考電源，本系統(tǒng)為了提高轉(zhuǎn)換精度，采用AD780為AD976A提供+2.5V參考電壓。系統(tǒng)采集的模擬信號的頻率不大于30KHz，為了得到更準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)，需對對模擬信號進(jìn)行采樣預(yù)處理，系統(tǒng)采用由運(yùn)算放大器組成低通濾波電路對模擬信號進(jìn)行整形、濾波，為了減少信號的傳輸?shù)膿p失，經(jīng)過電壓跟隨器進(jìn)入AD976A進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD976A提供16位數(shù)據(jù)總線接口，可直接與處理器接口相接，AD976A通過FPGA掛接在Tsi109的HLP接口上，由于AD976A的接口電平為5V，F(xiàn)PGA的IO電平為3.3V，故用驅(qū)動器IDT74LVCH16245A進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)包含9路模擬量的輸出接口，輸出電壓范圍為±10V，由9片16位D/A轉(zhuǎn)換器AD7846構(gòu)成。AD7846可以提供16位的采樣精度，1路模擬量的輸出，AD7846通過FPGA掛接在Tsi109的HLP接口上，CPU通過HLP接口將數(shù)據(jù)送入各自的DAC，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)過由運(yùn)放OP200組成的低通濾波器，輸出±10V的模擬量。AD7846的R/W管腳上拉，CLR_L管腳下拉，保證在上電過程中AD7846輸出電壓為0V。AD7846的差分參考電壓為±5V，由高精度電壓參考芯片AD588提供， AD7846的接口電平為5V，F(xiàn)PGA的IO電平為3.3V，故用驅(qū)動器IDT74LVCH16245A進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

為了保證A/D，D/A模擬電路的正常工作，避免數(shù)字電路的噪聲干擾，EDA設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則。

（1）布局布線原則。元器件布局將模擬電路部分與數(shù)字電路部分器件分開放置，模擬信號在電路板所有層的模擬區(qū)內(nèi)布線，而數(shù)字信號在數(shù)字電路區(qū)內(nèi)布線。

（2）電源和地的處理。將混合信號電路板上的數(shù)字地和模擬地分割開，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字地和模擬地之間的隔離。

3 邏輯設(shè)計(jì)

3.1 Flash接口邏輯設(shè)計(jì)

Flash通過FPGA掛接在Tsi109的HLP接口上，由于HLP接口的地址與數(shù)據(jù)為復(fù)用的，并且Tsi109是采用大端模式，而Flash采用小端模式。所以，在FPGA中實(shí)現(xiàn)HLP接口的地址周期與數(shù)據(jù)周期的分離，并且將地址信號、數(shù)據(jù)信號反接到Flash上，從硬件上實(shí)現(xiàn)端模式的轉(zhuǎn)換，從而減少軟件的復(fù)雜度。HLP接口的讀、寫時(shí)序分別如圖4、圖5所示。通過時(shí)序圖可以看出在HLP_LE信號的下降沿，HLP_AD信號線上為地址周期，所以FPGA在HLP_LE信號的下降沿鎖存地址信號，作為Flash的地址信號，實(shí)現(xiàn)CPU對Flash的正確訪問。另外，存儲BOOT程序的Flash的片選地址，應(yīng)該覆蓋PowerPC的復(fù)位向量地址0xFFF00100，保證系統(tǒng)上電時(shí)，CPU能正確的運(yùn)行Falsh中從0xFFF00100地址開始的上電引導(dǎo)程序。

3.2 AD接口邏輯設(shè)計(jì)

AD976A有兩種控制模式，系統(tǒng)采用的轉(zhuǎn)換模式的時(shí)序如圖6所示。該模式通過R/C信號來控制轉(zhuǎn)換及輸出數(shù)據(jù)的讀取過程。在這一模式中，R/C信號的下降沿必須比CS脈沖（脈沖寬寬40ns）至少提前10ns送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入引腳，一旦這兩個(gè)負(fù)脈沖到來，BUSY信號將變?yōu)榈碗娖剑珺USY信號有效時(shí)間大約4μs，4μs后BUSY信號變?yōu)楦唠娖剑麄€(gè)轉(zhuǎn)換完成，這時(shí)數(shù)據(jù)線D0～D15上的數(shù)據(jù)即為有效轉(zhuǎn)換結(jié)果。對于30KHz的信號，每個(gè)信號周期最多采集200/30=6.67個(gè)點(diǎn)。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的采集通過上層軟件進(jìn)行控制，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示。上層軟件通過寫A/D通道選擇寄存器來選擇16路中要采集的模擬信號，然后再寫A/D轉(zhuǎn)換寄存器來啟動A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后再從A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存器中讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于A/D轉(zhuǎn)換器從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束需要5μs的時(shí)間，所以在啟動A/D轉(zhuǎn)換后需要等待5μs后才能讀取A/D轉(zhuǎn)換值。為方便A/D轉(zhuǎn)換值的讀取，在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，發(fā)出A/D中斷信號指示A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束，在設(shè)計(jì)中采用BUSY信號的上升沿觸發(fā)中斷，CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序來讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

本文介紹分析了一種基于PowerPC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)在某系統(tǒng)上獲得良好應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。由于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備高運(yùn)算量、高數(shù)據(jù)吞吐量的同時(shí)，也具有靈活性、通用性和可擴(kuò)展性等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，也可以滿足其他領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

作者簡介：王樹爭（1984.10-），男，河南省新鄉(xiāng)市人，碩士研究生，中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，助理工程師，研究方向：嵌入式處理系統(tǒng)；陳強(qiáng)（1984.10-），男，山西省忻州市人，本科，西安新宇航空維修工程有限公司，助理工程師；袁磊（1984.9-），男，遼寧省營口市人，中國人民解放軍66070部隊(duì)，碩士研究生。