基于CPLD的并口数据的采集和存储

摘 要：提出了一种利用CPLD实现雷达并口数据的采集和存储的方案。采用单片CPLD完成了以往需要大量外围器件来完成的雷达并口数据收发及存储功能，有效地减少了印制板上功能模块的面积，减少了系统体积，提高了设计效率；同时还利用CPLD中的锁相环倍频系统时钟大大提高系统采集速度。实践证明，基于CPLD的系统设计是灵活、现实且高效的。
关键词：CPLD；双口RAM；数据采集；存储

O 引 言
    在雷达的控制和数据采集系统中通常采用并行数据总线方式进行控制信号传输和数据交换。在以往的设计中，大量使用中小规模集成电路及分立元件搭建总线数据采集和控制功能模块，不仅占用较大的印制板面积，而且设计工作量大，时序控制复杂，采集速度不理想。
    将CPLD应用到该系统的设计中可以有效地解决上述问题。CPLD可以实现许多中小规模集成电路的功能，因此可以有效地减少印制板上功能模块的面积，同时减少系统体积。利用CPLD的在线编程和仿真功能可以模拟系统各类信号的时序，大大提高设计效率。

l 系统硬件结构
    为了实现高速数据处理与数据传送，系统采用CP—CI总线接口形式。该设计方案为雷达系统提供了两路并行数据总线接口。其中一路并口由CPLD控制，将存储空间中系统已经准备好的数据发送给雷达；另一路用于接收雷达传回的回波信号，并由CPLD控制放到存储空间中去。系统设计框图如图1所示。

1．1 CPCI总线接口
    CPCI总线接口兼顾了PCI总线的高速度，同时丢弃了金手指式互连方式，而改用2 mm密度的针孔连接器，提高了系统的可靠性，增强了负载能力。在工业领域已经得到广泛应用。
    总线接口电路采用PLX公司的高性能接口芯片PCI9054。它采用了先进的PLX数据管道结构技术，是32 b，33 MHz的PCI总线控制器。其主要特性如下：
    支持主／从两种访问方式，其峰值传输速率可达133 MB／s；提供了2个独立的可编程DMA控制器，每个通道均支持块和分散／集中的DMA方式；局部总线速率高达50 MHz，局部总线的时钟可以由外部提供，且该时钟可以与：PCI的时钟同步；内部有6种可编程的FIFO，以实现零等待突发传输及局部总线和PCI：总线之间的异步操作。
    系统启动的时候，在系统配置的周期内，PCI9054从配置E2PROM中读人配置信息完成初始化。这里采用NS93CS56完成对PCI9054的初始化配置。
1．2 可编程逻辑器件
    可编程逻辑器件选用ALTERA公司的EPlC3，其型号为Cyclone系列的产品，具有内部逻辑分析功能。在JTAG方式下，通过下载电缆即可观察到各个IO引脚及内部各个寄存器中的数据，调试十分方便。
1．3 存储器
    本系统中采用双口RAM作为PCI总线和并口数据存储和交换的媒介。考虑到用于并口交换的数据量较大，因此选用IDT公司的64K×16 b双口芯片IDT70V28。做成乒乓方式的存储结构，以实现并行操作，节约处理时间，保证实时处理。

2 系统设计及原理
2．1 锁相环
    在印制板上采用的晶体或晶振的输出频率较低，并不能满足系统需求，为了能够得到较高的采样速度，必须有一个高频率时钟作为系统时钟。EPlC3内部的锁相环功能可以对输入时钟进行倍频和降频的处理，还可以根据需要产生不同的时钟相位。倍频后的时钟可以作为CPLD内部的系统时钟使用，也可以输出至CPLD外部，作为其他器件的时钟输入。
    在本系统中采用一个20 MHz的晶振作为CPLD的输入时钟，通过倍频产生一个100 MHz的时钟作为内部的系统时钟，同时产生一个33 HMz的时钟输出作为PCI9054的局部总线异步时钟。
2．2 并口数据收发
    雷达回波包括16位宽度的数据和握手信号，首先需要用CPLD对握手信号进行接收和处理。接收到的、握手信号都为下降沿触发脉冲。需要注意的是，接收到的握手信号必须去除毛刺和噪声产生的干扰，避免系统接收到错误的数据。为了去除毛刺干扰产生的影响，应使低电平保持一段时间，以减少误触发。根据系统中毛刺和噪声的周期设定检测门限，例如，当握手信号经电缆传输至接口板时，有时会在前沿产生一个15～20 ns的毛刺，因此可以在检测到握手信号的下降沿后接着连续记录四个以上时钟周期的低电平信号，只有当这四个周期的信号电平全为“0”时，才确定本次握手有效。并口接收数据示意图如图2所示。

    需要输出的并口数据从存储器读出后应先于握手信号放置在输出口上并进行保持，待并口数据稳定后才能输出握手信号。握手信号的延迟时间及握手信号的宽度可以进行设定以增强系统的适应性。并口发送数据示意图如图3所示。
2．3数据存储及与交换
    本系统中由双口RAM作为系统输入和输出数据的缓冲区，由CPLD和总线接口PCI9054共同使用。由于系统输入输出数据量较大，输入输出操作频繁，因此可将双口RAM的存储空间平均分割成长度相同的两半，输入输出数据占用一半存储空间。这样当CPLD向第一块存储空间写入数据时，PCI9054既可以从这块存储空间读出数据，同时还可以向另外一块存储空间写入数据，这样可以几乎节约一半的操作时间。但是当双口RAM的两端同时对同一个地址单元分别进行读数据和写数据的操作时，读出的数据会是错误的。为了防止发生这种错误，可以使用双口RAM内部的仲裁机制，利用BUSY信号进行判断。当读取一个地址单元中的数据时首先判断BUSY信号是否为低电平，如果BUSY信号为低电平时表示双口RAM的另外一边正在对该地址单元进行写操作。使用仲裁机制可以有效消除读写冲突，但是也需要系统不断的对双口RAM的BUSY信号进行判断。这会严重的占用系统资源，同时也影响了数据的传输速度。本系统中，再次利用乒乓结构将接收和发送数据的存储空间各分为长度相等的两部分。存储空间最终分配示意图如图4所示。

    接收数据时，当CPLD将一块出处空间写满数据以后向PCI9054产生中断信号并产生一个标志信息，PCI9054接收到中断信号以后首先查询标志信息判断是哪一块存储区域已经写满，然后将这一存储空间中的数据读出并发送给系统。此时CPLD可以继续向另一块存储空间写入数据。同样地，当PCI9054向其中一块发送区写入数据时，CPLD可以从另一块区域中读出数据。
    乒乓结构存储形式使得数据交换和数据处理可以并行进行，极大地节约了处理时间，对系统满足实时性要求具有及其重要的意义。
2．4 接口时序控制
    当雷达的回波数据与双口RAM中的数据同时淮备好时，由于PCI9054局部总线读写速度较快，如果先接收数据，则双口RAM中的数据有可能溢出，而如果先将双口RAM中准备好的数据发送出去则接收的数据需要等待一段时间，影响了系统的实时性。因此CPLD必须控制双口RAM的读写时序，既使发送区的数据不会溢出同时又不影响系统的实时性。由于双口数据速率相对于系统来说速度相对比较慢，因此本系统采用分时处理的办法解决。首先判断握手信号是否有效，如果握手信号有效则表明并口正在将接收数据写入双口RAM，否则并口正处于接收间隔时间，CPLD对双口RAM没有写操作。由于每组并口数据的传输速率比较固定，因此间隔时间可以预知。在此间隔时间将双口RAM中的数据读出并发送，通过这种方法可以进一步提高数据的收发速率，减少数据在双口中的滞留时间，更加提高了系统的实时性。

3 结 语
    本文采用单片CPLD完成了以往需要大量外围器件来完成的雷达并口数据收发及存储功能，所设计的CPLD已应用于雷达系统中，其应用结果表明：
    (1)采用CPLD极大的简化了系统结构，减少了板卡体积，降低了系统的发热量和干扰，提高了系统的可靠性，也给调试维修带来了极大的方便。
    (2)使用QuartusⅡ使得硬件“软件化”自动设计，更新了传统的电路设计和调试方式，大大缩短了开发周期，特别是其设计仿真和定时分析使得设计更可靠，确保了系统逻辑的正确性。