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可调设计(可调进风口设计)

张世龙2021年12月20日 23:25天道酬勤970

骏洋,nxddn

(中北大学电子测试技术重点实验室,山西太原030051 )。

摘要:针对遥测PCM模拟源输出信号单一、参数不可调的问题,提出了一种多通道波形输出可调的PCM信号源的设计。 设计中以FPGA作为逻辑控制芯片,充分利用其灵活性、内部资源和特征。 在简要叙述信号源的设计方案和硬件电路的基础上重点介绍了其通信协议和软件的实现方法最后对信号源进行了实验实验结果表明,该信号源实现了可调节1 024以内任意通道输出波形的功能,能够支持8位和16位字长的选择。

中图分类编号: TN919

文献识别码: a

doi:10.16157/j.ISSN.0258-7998.2016.04.019

中文引用格式:骆洋,nxddn .多通道输出可调的PCM信号源设计[J] .电子技术应用,2016,42 (4) 67-69,77。

英文引用格式: Pian xfdddd,su shujing.thedesignofpcmsignalsourceofmulti -通道连接实用工具表

0引言

遥测模拟装置,也就是PCM信号源可以完成遥测系统的基本测试,提供系统所需的外部检测信号。 从信号源输出的模拟信号主要由帧同步代码组和各通道的数据以一定的格式构成,通过并-串转换实现PCM码流的串行输出,作为检测遥测设备的模拟信号发生器。

遥测技术在航天、航空、气象和卫星等领域的应用越来越多,对遥测设备的测试要求也越来越严格,传统的单一、低频、定频和参数不可调和的遥测模拟设备越来越不能满足复杂的应用需求[1-4] 为了解决传统遥测信号源输出信号简单、通道不可调的问题,本文提出了一种基于FPGA的多通道输出可配置的通用PCM信号源。 利用FPGA内部丰富的RAM、ROM资源及其特点,解决了使用外部EPROM输出PCM信号格式的单、固定问题[5]。

在该设计中,可以进行包括正弦波、axdmla、三角波、锯齿波、随机数、固定值6种波形的1,024个信道内的任意信道数的参数配置,固定值对应用户的定制,每个信道8比特和16比特的字

1信号源设计

图1中示出了参数可调的PCM信号源的框图,主要包括底板总线接口、LVDS通信模块、FPGA控制模块、输出驱动模块和电源模块。 LVDS通信模块实现指令数据流的高速接收和解串功能,包括高速串行化器和高速解串器两部分。 FPGA完成通道参数的配置和数据存储等信号源基本功能实现的逻辑控制,电源模块提供信号源电路的基本电压信号,信号源的输出驱动电路实现PCM码流的单端输出和差动输出。

信号源的工作原理:通过计算机配置各通道的波形,将配置的参数封装,分发到PCM信号源卡; 主板上的指令数据流通过LVDS去静电传输到FPGA逻辑控制单元,从那里接收指令并进行处理,将数据流中的参数和用户定义的固定值写入内部RAM进行存储; 写入完成后,分别读取各信道的参数,基于参数值读取对应的波形数据; 最后,对并行的波形数据进行并串转换,输出PCM序列号流。

在本设计中,通道数为PCM码的子帧长,可定义的范围为1~1 024。 PCM信号源的波形参数支持正弦波、axdmla、三角波、锯齿波、随机数和固定值6种信号,其中固定值的内容可以通过计算机软件编辑。

1.1指令流接收电路

PCM信号源的指令数据流的接收电路中采用低压差动接口技术(LVDS )。 通过连接底板总线,实现信号源与底板之间的高速数据通信。 LVDS是一种非常高效的技术,具有输出电压低、传输速度高、功耗低的优点,因此经常被用于高速数据通信电路的设计[ 6,7 ]。 因此,能够满足设计中的数据和指令的高速接收要求。 本设计采用集成高速串行化器和解串行化器一体化的18位DS92LV18芯片,具有15~66 MHz时钟、独立的发射机和接收机操作、内部PLL、线性环路和本地环回模式等特点。

1.2输出驱动电路

为了提高PCM信号源的通用性,设计了单端或差分两种输出方式。 在单端输出之前,使用ADuM1200双通道数字隔离器将输出信号隔离。 其中,ADuM120x系列隔离器支持低电压工作,可以进行电平转换,具有低脉宽失真(3 ns )和直流校正功能,通过内置的刷新电路,即使没有输入跳跃,也可以使输出状态和输入状态一致的优点差动输出通过采用DS26C31M单端差动驱动芯片实现。 该芯片是4路CMOS3状态差分线路驱动器,满足RS-422的EIA标准要求,支持将输入的TTL或CMOS电平转换为RS-422电平进行输出。

2协议和软件的实现

为了实现可设定多通道输出波形的PCM信号源的设计,需要接收和存储由计算机发布的基本参数的设定信息和固定值,该过程主要由逻辑控制单元实现。 其中,图2表示FPGA内部程序框图,主要模块是指令接收处理模块、参数信息存储模块、波形数据存储模块、数据生成模块、PCM码并行转换输出

模块。当接收到指令数据流,信号源首先完成基本PCM输出参数(码率、字长、副帧帧数和同步字等)的配置。当各通道配置完成后,输出的并行数据经过FIFO缓冲,输入到PCM并串转换模块,将并行的8位数据信号转换为串行码流输出,此时转换时钟是FIFO读时钟的8倍。

2.1 参数包协议

参数可调信号源设计的关键之一,是设计一个信号源与计算机软件通信的协议。在本设计中,为了方便底层硬件的接收和存储,将配置的通道参数和固定值数据按照一定的格式进行打包下发。PCM信号源则根据接收到的参数包起始和结束标志信号完成各个通道参数的接收和存储过程,其主要下发的参数包格式如表1所示,其中数据类型data[9:8]用二进制表示,data[7:0]用十六进制表示。

其中将数据的高两位data[9:8]作为区分数据(“00”)、地址(“01”)、命令(“10”)和参数(“11”)的标志,data[7:0]则为具体的数值。8位波形参数范围为 “00~05”,分别对应正弦波、axdmla、三角波、锯齿波、随机数和固定值六种类型。信号源地址为“01”,起始命令为“20”,参数包结束命令为“21”,固定值默认16位。波形ROM中偶数地址存16位的高8位,奇数地址则为低8位,与固定值RAM相同。

2.2 数据包接收与存储

指令接收和处理模块首先记录下设置的副帧长度(即通道数p_max),作为判断参数存储完成的一个信号。在接收到通道配置数据包的起始命令(“20”)后,开始接收和存储通道参数进程。当通道参数_RAM写地址(addra)≤p_max以及包数据中高两位data[9:8]为“11”(参数标志)时,将此时data[7:0]写入参数存储模块。同时,判断参数类型,如果当前通道参数为固定值,则将参数后的两个低8位数据写入固定值RAM模块中进行存储,其他波形参数后的固定值数据忽略。这就保证了设置的通道固定值按顺序进行存储,便于数据产生单元读取。

如图3所示,数据包接收时保证固定值RAM和通道参数RAM读无效。当完成一次接收后,将写使能置零并保持写地址不变,同时反馈给通道配置与数据产生控制单元一个写完成标志flag。假设通道参数RAM中灰色部分为固定值参数,则固定值RAM中两个地址对应1个通道。为防止地址溢出,当写地址达到最大时,保持写地址最大,不执行加1操作。

2.3 多通道配置

各通道数据能够正确输出的前提是写完成标志flag=’1’,且读数据ROM或固定值RAM时通道参数已准备好。取数据之前,先按地址顺序访问参数RAM,判断出对应的波形。数据产生单元先输出帧头(EB 90或9A BC B5 2C),之后根据波形参数从对应的波形ROM中取出相应的数据。当输出完一个副帧长度数据后,开始下一副帧的输出。如果字长为16位,则每一帧需从每个波形ROM或固定值RAM中顺序读出2个数据,即每条通道由2个8位数据组成。字长为8位时,读取波形ROM高8位的数据或读取固定值RAM中的低8位固定数。图4是多通道配置的基本时序图。

多通道参数可配置主要是利用RAM可读写和ROM只读的特性来实现的,当参数或固定值写完之后,使写无效,之后读取参数和固定值时,将固定值RAM和通道参数RAM作为ROM进行循环读操作。此时,这两个RAM相当于ROM。

3 试验结果与性能验证

为了验证设计的PCM信号源的功能及其特性,将对应的PCM解码和传输卡插入背板,并将其数据输入与信号源的输出相连进行实验。PCM信号源产生的PCM串行码流解码后传送到计算机,通过计算机软件进行数据分析、波形显示和全帧显示,从而验证设计的准确性和可靠性。图5是测试多通道输出可调的PCM信号源时计算机记录和存储的一段数据,此时下发的配置参数为:副帧长度(通道数)为100,帧头为EB90,副帧帧数(行数)为10。图6为100通道16位字长时的一段数据,图7为1024通道8位字长、帧头为9A BC B5 2C的一段数据,图示中14 6F和65 43 4A D3为副帧帧结束的帧头。

可配置的通道数大小与FPGA内定义的p_max(副帧长度)信号有关,在本设计中p_max为10位,通道参数_RAM深度为1K,并且支持每个通道16位数据输出。通过多次进行不同设置的实验和计算机的分析,验证了所设计的多通道可调PCM信号源的正确性和可靠性。

4 结论

本文设计了一种多通道输出波形可调的PCM信号源,该信号源在设计中充分利用了FPGA内部的RAM和ROM逻辑资源及其特点。详细介绍了多通道可配置实现的协议及其软件设计方法,该设计已能够实现高达1 024个通道参数的配置,支持每条通道8位或16位的数据输出,码率范围为1 Mb/s~10 Mb/s。这种设计方法使得其在复杂多样化信号源、多通道可配置设计和PCM模拟应用中具有很高的应用价值和参考价值。

参考文献

[1] xydmj,rydsb,刘薇.基于FPGA的通用PCM测试仪的设计[J].火力与指挥控制,2013,38(1):145-148.

[2] crdmt,xlmdwt.脉冲编码调制模拟器设计[J].计算机测量与控制,2006,14(12):1700-1703.

[3] 爱笑的太阳.通用遥测信号源设计[J].航天器工程,2008,17(3):67-70.

[4] cjdbm,张晓林,现实的红酒.内嵌高斯白噪声模块的可编程卫星信号模拟源[J].航空学报,2006,27(6):1189-1193.

[5] ssdgs,冷傲的绿茶,yqdwx.高速PCM码信号源及其解码电路的设计[J].测试技术学报,2001,15(2):71-74.

[6] 风中的宝马,纯真的胡萝卜.LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用[J].电子技术应用,2003,29(3):55-57.

[7] 任性的白开水,彪壮的小鸭子,xsdds.基于LVDS技术的实时图像测试装置的设计[J].电子技术应用,2010(4):84-86.

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