一種基于FPGA的PCM檢查器的實現(xiàn)

單文軍，羅霄，李文華

（西安遠方航空發(fā)展技術(shù)總公司陜西西安710089）

航空遙測技術(shù)是融合了傳感、采集、通信和數(shù)據(jù)處理為一體的綜合技術(shù)，覆蓋了飛行試測試中的機載測試、遙測傳輸、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)，在飛行測試領(lǐng)域具有重要的作用和地位，數(shù)據(jù)檢測的準(zhǔn)確性，直接決定了遙測信息的質(zhì)量[1-3]。當(dāng)前，我國航空事業(yè)的高速發(fā)展，視頻圖像測量在飛機試飛中的得到了廣泛應(yīng)用，航空遙測數(shù)據(jù)的傳輸速率已接近10 Mb/s，甚至更高，這些急劇增加的數(shù)據(jù)量對檢測設(shè)備提出了更高的要求[4-5]。PCM（脈沖編碼調(diào)制）檢測就是為了確保數(shù)據(jù)檢測的準(zhǔn)確性，其將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化為可處理的數(shù)字化信號，便于計算機進行處理。然而，飛機上傳統(tǒng)的機載PCM數(shù)據(jù)流檢查均需通過PCMCIA轉(zhuǎn)接卡與筆記本電腦連接才能完成檢測，造成使用不方便，成本高[6-8]；為提高科研試飛效率，迫切需要能夠?qū)崟r檢查前級設(shè)備輸出的高速PCM數(shù)據(jù)且方便與PC機通訊的新型PCM數(shù)據(jù)流便攜式檢查設(shè)備。

針對上述問題，文中研制了一款新型PCM數(shù)據(jù)流檢查設(shè)備，支持可編程選擇的PCM幀格式與輸入碼型（NRZ-L、NRZ-M、BΦ-L、BΦ-M），其采用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）來完成高速PCM數(shù)據(jù)的接收和同步。同時，采用USB通信接口，將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機上，即插即拔，方便大量存儲，并且支持實時回看。并通過上位機軟件便攜支持實時回看，完成了位速率最高可達10 Mb/s的小型化、高可靠、便攜式PCM數(shù)據(jù)流檢查器。

1 PCM數(shù)據(jù)流檢查器系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

PCM能夠?qū)⑦B續(xù)模擬的信號通過抽樣、量化、誤差化和編碼等環(huán)節(jié)變換成離散的數(shù)字信息[9]，是這款檢查器的研制的理論依據(jù)。在本設(shè)計中，系統(tǒng)的設(shè)計思路如下：PCM數(shù)據(jù)流檢查器將采集來自前端的PCM數(shù)據(jù)流發(fā)送設(shè)備，在FPGA內(nèi)部進行PCM數(shù)據(jù)流的同步與緩存后，數(shù)據(jù)通過USB2.0傳輸?shù)缴衔粰C進行檢測。PCM數(shù)據(jù)流檢查器由硬件設(shè)計與上位機軟件設(shè)計兩部分組成，硬件部分依據(jù)事先編程好的幀格式及同步信息，完成了串行PCM數(shù)據(jù)的接收、同步和緩存，并通過USB2.0發(fā)送至PC機。用戶則可以直接通過上位機軟件觀察數(shù)據(jù)信息。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)以上設(shè)計思路，結(jié)合設(shè)計和實踐經(jīng)驗，設(shè)計了PCM數(shù)據(jù)流檢查器的總體設(shè)計框圖，如圖1所示。

圖1 PCM數(shù)據(jù)流檢查器總體設(shè)計框圖

PCM數(shù)據(jù)流檢查器主要由7部分構(gòu)成：差分轉(zhuǎn)單端模塊、串并轉(zhuǎn)換模塊、同步字檢測模塊、時鐘生成模塊、主控模塊、USB2.0控制器模塊以及上位機模塊。檢查器接收具有一路PCM數(shù)據(jù)和一路位時鐘的差分信號，通過差分轉(zhuǎn)單端芯片轉(zhuǎn)換為一路數(shù)據(jù)信號和一路時鐘信號；外部SRAM從FLASH中讀取用戶所配置的同步檢測模塊信息，通過串并轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)在檢測成功后發(fā)往FIFO進行數(shù)據(jù)緩存；同時，把緩存到的并行數(shù)據(jù)通過USB2.0控制器發(fā)往上位機中，方便用戶檢查數(shù)據(jù)。

2 PCM數(shù)據(jù)流檢查器硬件設(shè)計

2.1 基于FPGA系統(tǒng)硬件設(shè)計實現(xiàn)

由系統(tǒng)整體設(shè)計可以看出，同步字檢測[11-12]是PCM數(shù)據(jù)檢查器的核心，根據(jù)同步字、子幀計數(shù)和全幀計數(shù)，將輸入的并行數(shù)據(jù)和FLASH中寄存定義的預(yù)置同步信息進行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)中有同步字且與預(yù)設(shè)值相同時將設(shè)置其狀態(tài)位，并且同時發(fā)送狀態(tài)標(biāo)志位給主控模塊。通過以上同步字檢測和子幀長度檢測，則認(rèn)為該數(shù)據(jù)流同步，然后將同步標(biāo)志位發(fā)送至FIFO緩存，使其做好發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，同時向上位機發(fā)出做好發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的指令，最后將數(shù)據(jù)通過USB2.0控制器送往上位機進行顯示。

在充分考慮成本和滿足設(shè)備工作的前提下，本次設(shè)計的FPGA芯片選取的是Altera公司的EP3C40F324C8芯片，其具有豐富的硬件資源，外圍硬件電路包括SRAM、USB2.0控制器、電平轉(zhuǎn)換芯片等[13]，芯片工作電壓為3.3 V，在待機的情況下，功耗非常低。FPGA邏輯電路設(shè)計包含有串并轉(zhuǎn)換模塊、同步信息檢測模塊、時鐘產(chǎn)生邏輯模塊、FIFO數(shù)據(jù)緩存模塊和主控模塊。串并轉(zhuǎn)換模塊主要用于接收外部PCM數(shù)據(jù)流進行串行數(shù)據(jù)到十六位并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，為之后的數(shù)據(jù)解調(diào)、識別和判斷做準(zhǔn)備；同步信息檢測模塊用于將解調(diào)后的數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)置的同步字、子幀長度以及全幀長度與本次檢測數(shù)據(jù)的結(jié)果進行同步信息比對，若信息比對一致則向FIFO緩存發(fā)出同步標(biāo)志信號；FIFO數(shù)據(jù)緩存是在數(shù)據(jù)流進行同步信息檢測的同時對緩存數(shù)據(jù)，等待同步信號，準(zhǔn)備將緩存數(shù)據(jù)發(fā)送至USB2.0控制器；主控模塊則主要用于控制該檢查器的工作。

2.2 USB2.0控制器設(shè)計

本文采用CYPRESS公司的CY7C68013作為USB接口芯片，設(shè)計實現(xiàn)處理器和上位機的直接通過編寫它的固件程序，設(shè)置它的工作模式、端口狀態(tài)等[14]。CY7C68013為USB接口芯片，系統(tǒng)+5 V電源由主機的USB接口提供，CY7C68013所需的電源為+3.3 V。

USB2.0接口設(shè)計包括接口的硬件設(shè)計、控制器芯片CY7C68013的固件開發(fā)、上位機驅(qū)動編程加載軟件開發(fā)3大部分內(nèi)容[15-16]，在這部分的設(shè)計中，主要參考了芯片CY7C68013的EZ-USB開發(fā)套件，其中CY7C68013的固件程序通過KEILC軟件編寫、編譯形成用于加載的*.IIC文件，通過開發(fā)套件里的EZ-USB interface軟件下載進與芯片CY7C68013配套使用的EEPROM芯片，通過CY7C68013的固件程序設(shè)置了用于USB通訊的四個端口（EP2、EP4、EP6、EP8），其中 EP2、EP6為輸入端口，EP4、EP8為輸出端口，EP2、EP4用于上位機和采集器之間傳遞命令和應(yīng)答信息，EP6、EP8用于上位機和主控模塊之間傳遞數(shù)據(jù)。

2.3 電平轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

因為FPGA的I/O口電平標(biāo)準(zhǔn)是3.3 V而USB采用的是5 V直流供電，針對不同的電平標(biāo)準(zhǔn)需要進行5 V到3.3 V的電平轉(zhuǎn)換。本文選擇了線性穩(wěn)壓器AS1117作為電平轉(zhuǎn)換芯片，AS1117提供了完善的過壓保護和過流保護功能，并且工作環(huán)境溫度范圍極寬（-50～150℃），同時，產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)用了先進的修正技術(shù)，確保輸出電壓和參考源精度在±1%范圍內(nèi)。

AS1117是低壓差的三端線性穩(wěn)壓器，外圍應(yīng)用電路只需要兩個電容和負(fù)載即可正常工作（固定電壓輸出版本）。芯片內(nèi)部包括了啟動電路，偏置電路，電壓基準(zhǔn)電路等模塊組成。此外當(dāng)芯片內(nèi)部結(jié)溫過高（高于140℃）或負(fù)載電流過大時（大于1.4 A）會進入過流和過熱保護模式，大大提升了整個系統(tǒng)的安全。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計分為PCM檢查器SOPC系統(tǒng)軟件設(shè)計和PCM檢查器上位機軟件設(shè)計。

3.1 SOPC系統(tǒng)軟件設(shè)計

SOPC即片上可編程系統(tǒng)，SOPC系統(tǒng)的軟件設(shè)計屬于采集器的底層軟件，它必須和SOPC的硬件結(jié)合才能構(gòu)成完整的SOPC系統(tǒng)，所以它的設(shè)計與硬件設(shè)計密不可分。為了完成硬件系統(tǒng)的控制調(diào)度，在FPGA內(nèi)生成了NiosⅡ嵌入式處理器，這是一種Altera公司推出的采用哈佛結(jié)構(gòu)的具有32位指令集的第二代片上可編程軟核處理器，其最大的優(yōu)勢是靈活性和可裁剪性。Nois中軟件設(shè)計包括了關(guān)于系統(tǒng)初始化設(shè)計，PCM時鐘采樣設(shè)計和USB控制器的軟件部分設(shè)計，通過結(jié)合外部硬件來實現(xiàn)PCM數(shù)據(jù)流的檢查。

3.2 上位機軟件設(shè)計

PCM檢查器的上位機主要是用來與設(shè)備通過USB進行通訊、接收并存儲PCM數(shù)據(jù)的。經(jīng)過不斷的設(shè)計優(yōu)化，上位機軟件流程如圖2所示。

由圖2可知，上位機軟件通過連接、配置、同步、采集、存儲來完成對PCM數(shù)據(jù)進行的檢查。上位機軟件每次運行時，都會判斷是否需要重新配置所檢查的幀格式，配置完成后則循環(huán)讀取硬件FIFO的滿標(biāo)志位，當(dāng)此位置位后上位機讀出當(dāng)前FIFO中存儲的數(shù)據(jù)并做存儲或?qū)崟r顯示。軟件使用時，當(dāng)PCM檢查器通過USB電纜連接上PC機后，紅色電源燈變亮，表明設(shè)備供電正常。上位機軟件界面上有連接、配置、同步、記錄、暫停等按鈕。當(dāng)檢查器紅燈亮起后，上電PCM輸出設(shè)備使其開始工作，單擊軟件界面上連接按鈕則軟件初始化完成，設(shè)備與PC機連接正常。根據(jù)PCM數(shù)據(jù)流輸出設(shè)備的PCM幀格式配置PCM檢查器格式，當(dāng)需要改變PCM幀格式或同步信息時，修改后單擊配置按鈕，否則配置為默認(rèn)格式（同步頭：FE6B AB40，幀格式：16×512，ID字256），配置成功后單擊同步按鈕，若同步成功，PCM檢查器綠色的同步燈變亮，同時上位機軟件中灰色的同步燈也會變成綠色，如果PCM檢查器上位機軟件界面中綠色的同步燈沒有點亮，并且軟件會提醒同步超時，表明所配置幀格式與實際PCM數(shù)據(jù)流不相符，需要確定前端PCM數(shù)據(jù)輸出設(shè)備的幀格式后重新配置。同步完成后，單擊記錄就可以記錄并回看所檢查的PCM數(shù)據(jù)，軟件界面同時顯示了記錄時間與存儲文件的大小。PCM數(shù)據(jù)流檢查器會監(jiān)測PCM數(shù)據(jù)的同步字、命令字、數(shù)據(jù)塊長度等信息。若一致則會輸出錯誤信息。若數(shù)據(jù)不符合PCM幀結(jié)構(gòu)，PCM檢查器不會工作。

圖2 PCM檢查器軟件流程圖

4 結(jié)果與驗證

根據(jù)上兩節(jié)介紹的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，我們基于FPGA研制出這款PCM[17-19]數(shù)據(jù)流檢查器。由于核心電路均采用工業(yè)級表貼器件，所以具有非常小的體積，長寬高依次為20 cm、8 cm和5 cm，并且適合在相對嚴(yán)苛和狹小的環(huán)境下工作。圖3為便攜式PCM數(shù)據(jù)流檢查器的外形圖?？梢钥闯觯琔SB2.0接口即作為與上位機軟件的通信接口又是整個系統(tǒng)的供電電源，使用時差分的PCM數(shù)據(jù)和PCM位時鐘在經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后首先進入FPGA芯片，通過時鐘同步及數(shù)據(jù)流解碼后PCM數(shù)據(jù)被存入FIFO緩存，當(dāng)FIFO滿標(biāo)志置位后，PCM數(shù)據(jù)通過USB2.0控制接口發(fā)往PC機，進而實現(xiàn)與上位機的通訊與數(shù)據(jù)的實時檢查與回看。

圖3 PCM檢查器外形結(jié)構(gòu)圖

通過檢查PCM數(shù)據(jù)流發(fā)生器所產(chǎn)生的幀結(jié)構(gòu)可變的PCM碼流以及長達12小時的拷機工作后，證明本次設(shè)計的產(chǎn)品完全滿足設(shè)計要求。同時，為了保證高可靠性，依次進行了相應(yīng)的常溫試驗、高低溫試驗、功能振動及沖擊試驗。產(chǎn)品均工作正常。更重要的是，為了驗證PCM數(shù)據(jù)流檢查器能否切實的在機載測試中使用，我們通過飛行試驗檢查了國產(chǎn)大型運輸機飛控采集器輸出的PCM碼流。通過數(shù)十架次飛行前的地面檢查，在對數(shù)據(jù)的解算處理后，并未發(fā)現(xiàn)錯誤與異常。圖4為子幀識別號的連續(xù)性檢查。圖5為通過回看功能實現(xiàn)的PCM數(shù)據(jù)回看。數(shù)十次高可靠的數(shù)據(jù)流檢測，證明我們設(shè)計的產(chǎn)品符合要求。

圖4 子幀識別號連續(xù)性檢查

圖5 上位機PCM數(shù)據(jù)回看

5 結(jié)束語

本文完成一種具有高可靠、高速率、便攜式的PCM數(shù)據(jù)流檢查器的設(shè)計與實現(xiàn)。該設(shè)計針對傳統(tǒng)PCM數(shù)據(jù)流檢查器的不方便連接，體積過大等劣勢進行了改進設(shè)計，同時，提供了方便與PC機連接的USB2.0接口，并采用USB直接供電。進行了大量的外場試飛試驗，對飛控采集器前端的PCM輸出數(shù)據(jù)的檢查，并未發(fā)現(xiàn)錯誤與異常，充分證明了此種PCM數(shù)據(jù)流檢查器的優(yōu)越性和可靠性。

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