（电路与系统专业论文）高精度数据采集系统设计与实现.pdf

i 、o 、 凸l ：i ：? x 、lj ， j j ， k 。 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的醑究工 作及取得的研究成果。据我所知，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或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技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。 签名：玺垂驾 蹶丽晦s 月；l 旨 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：毁导师签名：z 垡薹 日期： 纠口年歹月7 日 摘要 摘要 随着航空工业的发展，需要对航天的各种参数进行采集和监控，采集和监控 又离不开信息的获取，数据采集技术成为其不可或缺的一部分。随着可靠性要求 的提高，传感器技术的长足发展，信号处理和信息分析技术的提高，对于被采集 后的数据的精确性要求也随之提高。又由于目前国内的航天数据采集设备基本被 欧洲的a c r ac o n t r o l 公司的k a m 5 0 0 所垄断，价格比较昂贵，因此，需要研 制自己的高精度模拟量数据采集设备成为一种必然的趋势。 本文是在上面形势的情况下，设计了一种基于f p g a 和u s b 2 0 技术的高精度 数据采集系统。 首先，对数据采集的基本理论和f p g a 技术及遥测p c m 组帧标准进行了简要 的介绍，提出了高精度数据采集系统的总体设计方案。 然后，对高精度数据采集系统的采集卡和主控卡硬件进行了详细的设计与实 现，完成的主要硬件模块有模拟信号调理电路模块、高精度恒流源模块、模数转 换电路模块、串行f l a s h 和温度传感器电路模块、二次电源变换模块、f p g a 及其 外围电路模块、m c u 及其外围电路模块、u s b 及其外围电路模块、i r i g b 时间 码接收前端信号处理电路模块，欧式插座电路模块。每个电路模块的设计给出了 电路的设计原理图，给出了采集卡和主控卡硬件的p c b 图。 其次，对高精度数据采集系统的采集卡和主控卡的逻辑进行了详细的设计与 实现。完成的主要逻辑模块有模数转换控制模块、采集数据校正电路模块、板卡 间采集数据的接收和发送电路模块、通道配置数据的接收和发送电路模块、速率 抽取和滤波电路模块、串行f l a s h 和温度传感器控制电路模块、m c u 接口控制电 路模块、u s b 接口控制电路模块、i r i g b 时间码采集和接收模块、p c m 组帧电路 模块。每个模块的设计在m o d e l s i m6 i f 中进行了功能仿真，在q u a r t u s1 1 9 0 中进行 了综合与实现，给出了采集卡和主控卡逻辑消耗的逻辑资源情况。 再次，对高精度数据采集系统进行了调试与测试。对调试过程中遇到的问题， 给出了具体的解决办法；对系统的各项技术指标进行了详细的测试与验证，给出 了各项技术指标的测试结果。测试结果表明，高精度数据采集系统满足系统设计 的要求。 最后，对系统进行了总结，提出了高精度数据采集系统需要进一步改善的地 摘要 ：现场可编程逻辑门阵列，靶场时间码，遥测脉冲编码调制标准，数据采 集，通用串行总线 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa v i a t i o ni n d u s t r y , t h ea c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gi s m 廷x l e d f o rv a r i o u sp a r a m e t e r s c o l l e c t i o na n dm o n i t o r i n gc a nn o tw o r kw i t h o u t a c c e s s i n gi n f o m a a t i o n , t h e nd a t ac o l l e c t i o nt e c h n i q u e sb e c o m ea ni n t e g r a lp a r t w i t ht h e r e q u i r e m e n t so fi n c r e a s e dr e l i a b i l i t y , t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e i l s o rt e c h n o l o g y , a n d t h ei m p r o v e m e n to fs i g n a lp r o c e s s i n ga n da n a l y s i so fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a c o r r e s p o n d i n gi n c r e a s ei nt h ea c c u r a c yo ft h ed a t ac o l l e c t e dh a sb e e nn e e d e d a l s o ， b e c a u s et h ec u r r e n td o m e s t i ca e r o s p a c ed a t a a c q u i s i t i o nd e v i c e s a r eb a s i c a l l y m o n o p o l i z e db ye u r o p e s k a m 5 0 0o fa c r ac o n t r o l , t h e p r i c e i s e x p e n s i v e t h e r e f o r e , d e v e l o p i n go u ro w l lh i 曲一p r e c i s i o na n a l o g u e d a t aa c q u i s i t i o n d e v i c eh a sb e c o m ea ni n e v i t a b l et r e n d b a s e do nt h ea b o v e ，ah i g h - p r e c i s i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nf p g aa n d u s b 2 0t e c h n o l o g yi sd e s i g n e d f i r s t ，t h eb a s i ct h e o r yo ft h ed a t aa c q u i s i t i o n ，f p g at e c h n o l o g ya n dt e l e m e t r y p c mf r a m i n gs t a n d a r da l ei n t r o d u c e d t h ed e s i g n i n gp r o g r a mo fh i g h - p r e c i s i o nd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d s e c o n d l y , t h eh a r d w a r eo fc o l l e c t i o nc a r da n dm a s t e rc a r do nt h eh i 曲- p r e c i s i o n d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nd e t a i l c o m p l e t i o no ft h em a i n h a r d w a r em o d u l e sh a v ea n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tm o d u l e s ，h i 出p r e c i s i o n c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c em o d u l e ，a n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i tm o d u l e ，s e r i a lf l a s h a n dt e m p e r a t u r es e n s o rc i r c u i tm o d u l e ，t h es e c o n dp o w e rc o n v e r s i o nm o d u l e ，f p g aa n d i t sp e r i p h 。e r a lc i r c u i tm o d u l e ，m c ua n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i tm o d u l e ，u s bm o d u l ea n d i t sp e r i p h e r a lc i r c u i t s ，i r i g - bt i m ec o d er e c e i v e rf r o n t e n ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t m o d u l e ，e u r o p e a ns o c k e tc i r c u i tm o d u l e t h ed e s i g no fe a c hc i r c u i tm o d u l ei sg i v e n c i r c u i ts c h e m a t i c ，a n dt h ep c bm a po fa c q u i s i t i o nc a r da n dm a s t e rc a r dh a r d w a r e t h i r d l y , t h el o g i co fc o l l e c t i o nc a r da n dm a s t e rc a r do nt h eh i g h - p r e c i s i o nd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e ma r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nd e t a i l c o m p l e t i o no ft h em a i n l o g i cm o d u l eh a v ed i g i t a lc o n v e r s i o nc o n t r o lm o d u l e ，c o l l e c t i n gd a t ac o r r e c t i o nc i r c u i t m o d u l e s ，b o a r db e t w e e nt h er e c e i v ea n dt r a n s m i td a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i tm o d u l e ，t h e i i l a b s t r a c t c h a n n dc o n f i g u r a t i o nd a t ai nt h er e c e i v ea n dt r a n s m i tc i r c u i tm o d u l e , r a t eo fe x t r a c t i o n a n df i l t e rc i r c u i tm o d u l e s ，s e r i a lh a s ha n dt e m p e r a t u r es e n s o rc o n t r o lc i r c u i tm o d u l e , m c ui n t e r f a c ec o n t r o lc i r c u i tm o d u l e ，u s bi n t e r f a c ec o n t r o lc i r c u i tm o d u l e ，i r i g - b t i m ec o d ea c q u i s i t i o na n dr e c e i v e rm o d u l e ，p c m f r a m i n gc i r c u i tm o d u l e t h ed e s i g no f e a c hm o d u l ec a r r i e do u ti nm o d e l s i m6 i ff u n c t i o n a ls i m u l a t i o n , i m p l e m e n ti nq u a r t u s 1 1 9 0s y n t h e s i s a n dt h el o g i cr e s o u r c e sc o n s u m e di nt h ea c q u i s i t i o nc a r da n dm a s t e r c a r di sw o r k e do u t f o u r t h l y , t h eh i g h - p r e c i s i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e b u g g e da n dt e s t e d s p e c i f i cs o l u t i o n so fd e b u g g i n gp r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ep r o c e s sa r eg i v e d t h et e s t r e s u l t so ft h et e c h n i c a li n d a c a t o r sa f t e rt e s t i n ga n dv e r i f i c a t i o nt h es y s t e mo ft h e t e c h n i c a l i n d i c a t o r si nd e t a i la r eg i v e d t h er e s u l t ss h o wt h a th i g h - p r e c i s i o nd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e r nm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , t h es y s t e l i ls u m m a r yh a sp r o p o s e dt h a th i g h - p r e c i s i o nd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mn e e d sf u r t h e ri m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：f p g a , i _ r i g bt i m ec o d e ，i r i g - 1 0 6p c m ，d a t aa c q u i s i t i o n ，u s b i v 第一章绪论。1 1 1 课题背景l 1 2 本文所作的主要工作和本文结构2 1 3 本文的创新点和样机指标3 第二章系统相关技术介绍及总体设计 2 1 数据采集基本理论 4 1 4 2 1 1 采样定理4 2 1 2 采样保持4 2 1 3 量化。4 2 1 4 编码。4 2 2f p g a 技术。5 2 2 1f p g a 简介5 2 2 2f p g a 的体系结构5 2 2 3f p g a 设计方法学及流程6 2 3i r i g 10 6p c m 组帧标准简介8 2 4 系统总体设计9 第三章采集卡硬件设计1 l 3 1 采集卡硬件总体设计1 1 3 2d 型插头连接器电路设计与实现1 2 3 3 高精度恒流源电路设计与实现。1 2 3 4 信号调理电路设计与实现1 3 3 5a d 转换电路设计与实现1 4 3 6 串行f l a s h 电路设计与实现l5 3 7 温度传感器电路设计与实现。15 3 8 锁相环电路设计与实现1 6 3 9f p g a 及其外围电路设计与实现1 6 3 1 0 采集卡电源设计与实现1 7 3 1 1 采集卡p c b 设计与实现一l8 v 目录 3 1 2 本章小结1 9 第四章主控卡硬件设计 4 1 主控卡硬件总体方案设计2 0 4 2d 型插头连接器电路设计与实现2 0 4 3 电源模块电路设计与实现2 l 4 4i r i g b 接收前端处理电路设计与实现2 2 4 5 串口电路设计与实现2 3 4 6 串行f l a s h 电路设计与实现2 4 4 7u s b 及其外围接口电路设计与实现。2 5 4 8m c u 及其外围接口电路设计与实现2 6 4 9f p g a 及其外围接口电路设计与实现2 8 4 1 0 欧式插座电路设计与实现2 8 4 1 l 主控卡p c b 设计与实现2 9 4 1 2 本章小结2 9 第五章采集卡逻辑设计 5 1 采集卡逻辑总体设计3 0 5 2a d s l 2 7 8 c r l 模块详细设计3 0 5 2 1a d s l 2 7 8 c r l 模块功能描述3 1 5 2 2a d s l 2 7 8 c r l 模块设计实现3l 5 3 采集数据校正模块详细设计3 2 5 3 1 采集数据误差来源及分析3 2 5 3 2 数据校正算法3 3 5 3 3 采集数据校正模块功能描述3 4 5 3 4 采集数据校正模块设计实现3 4 5 4t r a n s m i t t e r 模块详细设计3 7 5 4 1t r a n s m i t t e r 模块功能描述3 7 5 4 2t r a n s m i t t e r 模块设计实现3 8 5 5r c c c i v c c o n f i g d a t a 模块详细设计3 8 5 5 1r e c e i v e c o n f i g d a t a 模块功能描述3 8 5 5 2r e c 西v e c o n f i g d a t a 模块功能实现3 9 5 6p h a s e 模块详细设计40check 5 6 1p h a s ec h e c k 模块功能描述。4 0 目录 5 6 2p h a s e _ c h e c k 模块功能实现4 1 5 7 采集卡占用的逻辑资源4 1 5 8 本章小结4 2 第六章主控卡逻辑设计。 6 1 主控卡逻辑总体设计4 3 6 2i r i g b 时间码接收模块详细设计4 3 6 2 1m i g b 时间码简介4 3 6 2 2i r i g b 时间码接收模块功能描述4 5 6 2 3i r i g b 时间码接收模块功能实现4 5 6 3 采集数据接收模块详细设计4 7 6 3 1 采集数据接收模块功能描述4 7 6 3 2 采集数据接收模块功能实现4 8 6 4 通道配置数据下发模块详细设计5 0 6 4 1 通道配置数据下发模块功能描述5 0 6 4 2 通道配置数据下发模块功能实现5 0 6 5 速率抽取滤波模块详细设计5 1 6 5 1 速率抽取滤波模块功能描述5 2 6 5 2a v a l o n - s t 接口描述5 2 6 5 3 速率抽取滤波模块功能实现5 3 6 6p c m 组帧模块详细设计5 6 6 6 1p c m 组帧模块功能描述5 6 6 6 2p c m 组帧模块功能实现5 8 6 7 系统控制模块详细设计6 l 6 7 1 系统控制模块功能描述6 l 6 7 2 系统控制模块功能实现6 2 6 8 主控卡逻辑占用资源6 5 6 9 本章小结6 6 第七章系统调试与测试结果6 7 7 1 调试与测试所需要的设备6 7 7 2 系统调试中遇到的问题及解决方法6 7 7 2 1 硬件调试问题及解决办法6 7 7 2 2 逻辑调试问题及解决办法6 7 v i i 目录 7 3 系统测试结果及分析6 8 7 3 1i c p 恒流源精度测试6 8 7 3 2 系统采集噪声测试6 9 7 3 3 系统采集误差测试6 9 7 3 4 低通滤波性能测试7 0 7 3 5 采集通道隔离度测试7 l 7 3 6 通道间相位误差测试7 1 7 3 7 小信号测试7 2 7 3 8i c p 传感器信号测试7 2 7 4 本章小结7 2 第八章总结与展望 7 3 8 1 论文总结：7 3 8 2 展望7 3 致谢 参考文献 英文缩略语。 7 8 攻读硕士期间取得的成果7 9 附勇乏a 8 0 附勇之b 附录c 。8 8 v i i i 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 模拟信号采集是对各种传感器或者被监控对象的电信号状态进行量化，按照 方便记录和分析的数据格式组织起来的过程。模拟信号采集是航空、航天、航海、 工业自动化、环境工程、交通、能源等各行各业中自动作业、安全保障、设备可 靠性监控等领域不可缺少的重要设备【l 】。 随着这些重要行业对自动化，可靠性要求的提高，传感器技术的长足发展， 信号处理和信息分析技术的提高，对于被采集后的数据的精确性要求也随之提高。 传感器系统将振动、噪声、应力、压力、加速度、声音、光的强弱变化转换为电 信号的变化，通过模拟信号采集功能将这些电信号进行量化，然后才能进一步进 行处理和分析【2 】【3 1 。传统的具有模拟信号采集功能的设备品种繁多，但是均为针对 采集精度要求不高，变化速度较低的应用，如开关量，大信号或者低速信号的采 集。在航空行业，对可靠性和精密度的要求远远高于其他行业，对模拟信号采集 设备的性能要求一直走在其他行业前面，传统的模拟信号采集器已经无法满足这 部分需求。相信随着技术发展和制作成本的降低，航海，工业自动化，交通，环 境，能源等领域也会加入到对高精度模拟信号采集系统的目标市场中来。 高精度模拟采集系统，要求：采样速率足够高( 不低于4 8 k s p s ) ，采样精度 足够高( 不低于0 3 ) ，高集成度( 不低于8 端口模块) ，多信号适应性0 c p ，偶 合形式灵活，频域范围宽，幅值范围跨度大) 。并且模块化可扩展。 高精度模拟采集系统，可采集并记录，各类传感器信号。主要应用于飞机设 计制造中的静力测试，测试飞行状态中关键机械部位的振动，应力以及噪声测试， 正常飞行状态中关键部位的振动，噪声应力测试和监控。也可替代传统的模拟量 开关量采集。适用于飞机从设计制造，试飞，测试，以及正常飞行过程中所有的 模拟量相关的测试记录和分析任务。 高精度数据采集系统在技术基础上，已经完全成熟。国内没有类似产品出现， 一是国内相关行业这一块细分市场上投入不够；二是国内相关研究机构没有开发 高精度高速模拟采集器的相关技术积累和技术整合能力。在技术基础上，高精度 数据采集系统必须具备三项条件：1 、高速高精度信号链；2 、高速高精度高密度 电子科技大学硕士学位论文 a d c ；3 、高速高精度数字补偿算法。任一单项都是非常成熟的技术，但是难点 在于将此三项技术应用整合到高精度数据采集系统上，国内外均缺乏类似经验和 实践。国内航空工业的模拟采集器市场，主要被欧洲a c r ac o n t r o l 公司的 k a m 5 0 0 所垄断。即便是这样，k a m 5 0 0 采集器中的模拟采集模块不能同时满足 1 高速2 高精度3 高集成度4 多信号类型模拟信号采集要求。而且还随时有可能 面临西方的封锁。 航空工业是一个大国和军事强国的战略基础之一，随着中国军用航空工业的 国产化和现代化，随着中国商用飞机公司的成立，中国拥有自主大飞机的梦想再 度滑入起飞跑道。从国家战略和社会效益上来讲，没有自主知识产权乃至领先国 际的高精度模拟采集设备，势必会成为国家航空战略的隐患和制约。从经济效益 上来讲，单是国内军民航空领域也有上亿的目标市场。而且高精度数据采集系统 经过适当优化可以很方便的衍生出适合工业自动化，汽车等领域的测试产品。并 且高精度数据采集系统采用可扩展的模块化设计，拥有良好的向后向前兼容性， 可扩展为视频、p c m 、1 5 5 3 b 等各类采集功能。 1 2 本文所作的主要工作和本文结构 本文主要是将当前高精度数据采集系统的三项必须具备的条件合并在一起实 现。实现设备的高精度化，高密度化。研制出满足航天数据采集和记录要求的样 机。本文结构安排如下： 第一章：本章首先介绍了课题研究的背景，然后介绍了本文所作的主要工作 和本文结构安排，最后给出了本设计的创新点和完成样机的指标。 第二章：系统相关技术介绍及总体设计，首先讲述数据采集的基本理论和 f p g a 设计技术，然后介绍了i r i g 1 0 6 标准的p c m 组帧标准，最后介绍本文所设 计的数据采集系统的总体设计。 第三章：本章主要论述采集卡的硬件设计。首先讲述采集卡硬件总体设计， 然后根据总体设计划分的模块，对各个模块进行了详细的设计和实现，最后给出 了采集卡的p c b 设计图。 第四章：本章主要论述主控卡的硬件设计。首先讲述主控卡硬件总体设计， 然后根据总体设计划分的模块，对各个模块进行了详细的设计和实现，最后给出 了主控卡的p c b 设计图。 第五章：本章主要论述采集卡的逻辑设计。首先讲述采集卡逻辑的总体设计， 2 第一章绪论 然后根据总体设计划分的模块，对各个模块进行了详细的设计和实现，最后给出 了采集卡逻辑在q u a r t u s l i 中综合布线后所占用资源的情况。 第六章：本章主要论述主控卡的逻辑设计。首先讲述主控卡逻辑的总体设计， 然后根据总体设计划分的模块，对各个模块进行了详细的设计和实现，最后给出 了主控卡逻辑在q u a r t u s l i 中综合布线后所占用资源的情况。 第七章：本章主要是对系统的各个指标进行了测试，最后给出了每个指标的 测试结果。 第八章：本章主要是对本论文进行总结，然后指出了本设计中有待改进的地 方。 1 3 本文的创新点和样机指标 与当前的数据采集系统相比，该论文主要有2 个方面的创新点： ( 1 ) 为了适应航空数据采集的恶劣环境，实现4 5 度到8 3 度的温度范围的数字 补偿，实现全温度范围内的高精度采集要求。温度补偿间隔为1 度。 ( 2 ) 采集后的数据插入时间码信息，实现采集时间的同步。能够自动识别输入 的时间码是a c 码还是d c 码。 样机需要满足的指标要求如下： ( 1 ) 输入阻抗：不小于1 m 欧姆； ( 2 ) 输入模拟信号范围为+ - 5 v ，单端双极性； ( 3 ) i c p 型传感器端口，电流4 m a ，交流输入范围+ - 5 v ，信号截止频率2 5 h z ； ( 4 ) 系统采集误差：小于0 3 ； ( 5 ) 通道噪声：小于- - 8 0 d b ( 采集器输入接地) ； ( 6 ) 通道隔离度：大于7 0 d b ； ( 7 ) 通道间相位误差：o 1 8 0 * f i n ( k h z ) + 0 0 6 2o ( 相同采样频率下) 。 ( 8 ) 采样率可配置范围：岱、例2 、f s 4 、f s 8 、f s 1 6 ( f s = 2 5 m 5 1 2 = 4 8 8 2 8 1 2 5 k ) ； ( 9 ) 低通滤波：截止频率为0 2 5 采样率，阻带大于8 0 d b ； ( 1 0 ) 时间码分辨精度为l m s 。 电子科技大学硕士学位论文 第二章系统相关技术介绍及总体设计 2 1 数据采集基本理论h 3 2 1 1 采样定理 采样定理就是奈奎斯特定理，只有在采样频率f s 大于或者等于输入信号最高 频率的2 倍的时候，才能保证从采样后的数字信号中恢复出的原始信号不失真。 2 1 2 采样保持 采样是对连续变化的模拟信号定时测量，抽取样值。通过采样，一个在时间上 连续变化的模拟信号就转换为随时间变化的脉冲信号。为了便于量化和编码，需要 将每次采样取得的样值暂存，保持不变，直到下一个采样脉冲的到来。如果模数转 换器内部不含采样保持电路，则要在前加入采样保持电路，否则不需要加入。 2 1 3 量化 采样是把模拟信号变成时间上离散的脉冲信号，但脉冲的幅度仍然是模拟的， 因此还必须对幅度进行离散化处理，才能最终用数字码来表示。所谓量化，就是 把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样 值用最接近的电平值来表示。因此，量化过程中必然存在误差，这种误差称为量 化误差，误差的大小与码位有关，如果需要降低误差，则需要增加码位的长度。 按照量化级的方式划分，可以划分2 大类，分别是均匀量化和非均匀量化。所谓 的均匀量化就是将a d c 的输入动态范围均匀的划分成2 n 份。非均匀量化就是 a d c 的输入动态范围划分的不均匀。常见的非均匀量化有a 率和u 率等，它们的 区别在于量化曲线不同。 2 1 4 编码 所谓的编码就是将采样、量化后的数字信号，转换成需要的数字编码。具体 来说，就是已经量化了的样值用比特二进制码来表示，每个二进制数对应一个量 化值，然后把它们排列，得到由二值脉冲组成的数字信息流。编码方式有自然二 4 第二章系统相关技术介绍及总体设计 进制编码，格雷码和折叠二进制码等。 2 2f p g a 技术 2 2 1f p g a 简介 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门陈列， 他是在p a l 、g a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专 用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不 足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点【5 】【6 】。 f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需 要对片内的r a m 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程模式。 f p g a 的使用非常灵活。目前，大部分的f p g a 在使用时都需要外接一个 e p r o m 保存其程序，加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中的数据读入片内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 进入工作状态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关 系消失，因此，f p g a 能够反复使用。f p g a 的编程无需专用的f p g a 编程器，只 需要通用的e p r o m 、p r o m 编程器即可。当需要修改f p g a 功能时，只需要一片 e p r o m 即可。这样，对同一片f p g a ，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。 f p g a 市场占有率最高的两大公司x i l i n x 和a l t e r a 生产的f p g a 就都是此类型的， 另外还有一种基于f l a s h 的f p g a ，由a c t e l 公司提供。此种f p g a 其芯片内部自 带了f l a s hr o m ，可以存储程序而不需要外接r o m ，可以节省成本和制板面积。 f p g a 的模式有如下几种配置模式【7 】【8 】【9 】【1 0 1 。 并行主模式为一片f p g a 加一片e p r o m 的方式； 主从模式可以支持一片p r o m 编程多片f p g a ； 串行模式可以采用串行p r o m 编程f p g a ： 外设模式可以将f p g a 作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。 2 2 2f p g a 的体系结构 如图2 - 1 所示，简化的f p g a 基本由6 部分组成，分别为可编程输入输出单元、 基本可编程逻辑单元、嵌入式r a m 块、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内 嵌专用硬核等。可编程输入输出单元简称i o 单元，它们是芯片与外界电路的接口 部分，完成不同电器下对输入输出信号的驱动与匹配要求。基本可编程逻辑单元 电子科技大学硕士学位论文 是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活的改变其内部连接与配置，完成不同的 逻辑功能，基本都是由查找表( l u t ，l o o ku pt a b l e ) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组成 的。嵌入式r a m 块大大的扩展了f p g a 的应用范围和使用灵活性。布线资源连通 f p g a 内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速 度。底层嵌入功能单元指的是那些通用程度较高的嵌入式功能模块，比如p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 、d s p 、c p u 等。内嵌专用硬核只要是指那些通用性相对较 弱，不是所有f p g a 都包含的硬核( h a r d c o r e ) 1 1 】【1 2 】。 嗍蓁帮嘲 x o * t 元, 邂辍单元 图2 1f p g a 基本结构 2 2 3f p g a 设计方法学及流程 f p g a 有两种典型的设计方法：自顶向下( t o p d o w n ) 设计和自底向上 ( b o t t o m u p ) 设计。自顶向下设计，是从系统到细节，将系统按层次逐渐按下划 分层一个个小模块。直到不能再划为为止。而自底向上设计与自顶向下设计相反。 两种设计方法学分别于图2 2 和图2 3 所示。在设计中通常将两种设计方法组合起 来使用，在系统构架和定义顶层模块时，采用自顶向下设计。在具体的设计实现 时，采用自底向上设计【1 3 】【1 4 】。 6 第二章系统相关技术介绍及总体设计 图2 - 2 自项向下设计方法的示意图 图2 - 3 自底向上设计方法的示意图 f p g a 的设计流程如图2 _ 4 所示。一个完整的f p g a 设计流程包括系统划分 与设计、电路设计与输入、功能仿真、综合、布局布线、时序仿真、f p g a 实现和 上板调试。系统划分就是把一个复杂设计逐渐划分成较小而且较为简单的功能单 元。电路设计与输入是指通过某些规范的描述方式，将电路构思输入给e d a 工具。 常用的设计输入方法有硬件描述语言和原理图设计输入方法等。功能仿真是验证 电路功能是否符合设计要求。综合是指将硬件描述语言、原理图等设计输入翻译 成由与、或、非f - j ，r a m ，触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接。布局布线是 利用f p g a 内部的各种连线资源，合理连接各个元件的过程。时序仿真是加入了 时序约束条件的验证。f p g a 实现是指将编程文件烧入f p g a 的过程。 7 电子科技大学硕士学位论文 图2 _ 4 f p g a 设计流程图 2 3i r i g - 1 0 6p c m 组帧标准简介 i r i g 10 6 标准由美国靶场司令官联席会议( r a n g ec o m m a n d e r sc o u n c i l ) 遥测组 制定，旨在促进r c c 管辖下的所有试验靶场的遥测收发及信号处理设备彼此兼 容。在这里，我们只应用了其中的脉冲编码调n ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 标准。脉 冲编码调制是一种以二进制代码来表示信息的调制方式，需要经过采样、量化和编 码三个过程，然后形成以时分割二进制编码字的串行比特流来传送数据。i r i g - 1 0 6 的脉冲编码调制标准对脉冲串的构成以及p c m 遥测格式的系统设计特点给出了 明确的规定。帧格式就是指多路已调脉冲序列在一个采样周期内的安排方式。 i r i g 1 0 6 的p c m 组帧格式主要有两种格式，分别是第一类帧格式和第二类帧格式。 不管哪种格式都是以主帧为周期，循环操作的。p c m 帧结构如图2 5 所示【l 5 】【l6 1 。 第二章系统相关技术介绍及总体设计 子帧同步字 l23 ( ( ( w ，o ) ( ( n ： ： ： ， ： ( w ，s ) ： ：、 ： 卜 子帧同步字 l23 ( ( ( w ，z ) ( ( n 图2 - 5 p c m 帧格式 p c m 第一类帧格式的最大子帧长度为8 1 9 2 码位，第二类帧格式的最大子帧长