基于FPGA的机载合成孔径雷达数字信号处理机接口板卡的设计与实现
由上拉电阻拉至高电平使能ＥＰＣ２。此后，ＥＰＣ２就用其内部振荡器的时钟将数据串行地从ＥＰＣ２?ＤＡＴＡ?输送到ＦＰＧＡ?ＤＡＴＡ０?。当配置完成后，ＦＰＧＡ释放ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ，将ＥＰＣ２与系统隔离。
被动串行配置由编程硬件通过ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ配置。ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ产生一个由低到高的跳变送到ｎＣＯＮＦＩＧ引脚，然后由编程硬件将配置数据送到ＤＡＴＡ０引脚，该数据锁存至ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ变为高电平为止。当ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ变成高电平时，用ＤＣＬＫ的１０个周期初始化ＦＰＧＡ，器件的初始化由下载电缆自动执行。
为了两种配置方式共存，设计中用拨码开关将ＥＰＣ２与ＦＰＧＡ和ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ的下载电缆插座隔离。当用被动串行方式配置时，拨码开关断开，由上位机通过ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ下载电缆加载ＦＰＧＡ。当用主动串行方式配置时，拨码开关接通，由ＥＰＣ２加载ＦＰＧＡ。电路图如图２所示。
２．４在线自检测功能
板卡设计时还应考虑便于日常调试维护及故障检测定位。板卡在硬件上针对各电源信号和关键的状态信号设计了信号灯，一旦发现有误，便可给出信号触发该电路板上的信号灯告警，定位系统故障。另外在电路设计时应留出测试孔，以增加电路的可测性。
３系统的软件设计
系统上电后，ＰＣＩ上电复位，ＦＩＦＯ清零。上位机向相应寄存器写入初始值，完成寄存器设置。当系统启动信号有效时，接口板开始接收数据，进行数据打包和分发，直到上位机向接口板卡写停止命令为止。图３给出了系统工作流程图。
３．１数据的打包和流向控制
雷达参数数据和原始回波数据的数据源是异步的，不能保证两者确切的对应关系，接口板卡利用对缓存原始回波数据ＦＩＦＯ和缓存雷达参数数据双口ＲＡＭ的读写控制，调整雷达参数数据和原始回波数据对应关系，将两种数据源按处理机要求的输入数据格式组成正确的数据帧。雷达参数数据和原始回波数据打包后的数据帧格式如下：
在程序中，设计了雷达参数发送控制计数器Ｐａｒａ＿ｃｏｕｎｔｅｒ和回波数据发送控制计数器Ｄａｔａ＿ｃｏｕｎｔｅｒ。系统工作后，每次检测到原始回波数据流的数据有效信号ｄａｔａ＿ｖａｌｉｄ的上升沿（标记收到完整的一帧回波数据）时，启动雷达参数发送控制计数器开始计数，当计数到设定的值（本设计中为２５）时停止计数并启动回波数据发送控制计数器开始计数，计数到设定的值（本设计中为５０００）时停止计数。当检测到原始回波数据流的数据有效信号ｄａｔａ＿ｖａｌｉｄ的下降沿（标记开始接收新的一帧回波数据）时，两个计数器都清零。根据计数器的计数值产生Ｌｉｎｋ口选择信号?确定数据的流向。图４给出了数据流向的示意图。图５给出了基于ＭＡＸＰＬＵＳⅡ１０．０的仿真结果，仿真显示正确地实现了数据打包和流向控制。
图3系统工作流程图
３．２Ｌｉｎｋ口传输协议的实现
Ｌｉｎｋ口的数据传输是在同步时钟线（ＬｘＣＬＫ）与应答线（ＬｘＡＣＫ）相互握手的情况下同步传输的。一个传输字为３２ｂｉｔ，Ｌｉｎｋ口以４ｂｉｔ为单位进行传输。在ＬｘＣＬＫ上升沿，发送端会发送一个新的４ｂｉｔ数据，在ＬｘＣＬＫ的下降沿，接收方锁存数据线上的数据。８个４ｂｉｔ数据发送完毕后，如果接收方准备好接收下一个字，则将ＬｘＡＣＫ置１。发送方在每次发送新字的第一个４ｂｉｔ时对ＬｘＡＣＫ采样，如果ＬｘＡＣＫ为０，表明接收方没有准备好，则发送方保持ＬｘＣＬＫ为高电平，且数据线上保持当前的４ｂｉｔ数据，直到接收方将ＬｘＡＣＫ置１，发送方才将ＬｘＣＬＫ下拉，并继续发送新的数据。当发送方缓存为空时，表明没有数据需要发送，则ＬｘＣＬＫ保持为低电平。接口板利用ＶＨＤＬ语言实现了Ｌｉｎｋ口传输协议。下面给出了关键的程序片断：
ＣｈａｎｇｅＳｔａｔｅＭｏｄｅ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ＮｉｂｌｅＣｏｕｎｔ?ｅｍｐｔｙ?ＬｘＡＣＫ?ＰｒｅｓｅｎｔＳｔａｔｅ?ｅｍｐｔｙ?
ｂｅｇｉｎ
ｃａｓｅＰｒｅｓｅｎｔＳｔａｔｅｉｓ
ｗｈｅｎＳｅｎｄＡＣＫ＝＞
ｉｆＬｘＡＣＫ＝＇１＇ａｎｄｅｍｐｔｙ＝＇０＇ｔｈｅｎ
ＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝Ｓｅｎｄ?
ｅｌｓｅＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝ＳｅｎｄＡＣＫ?
ｅｎｄｉｆ?
ｗｈｅｎＳｅｎｄ＝＞
ｉｆＮｉｂｌｅＣｏｕｎｔ／＝３ｏｒ?ＮｉｂｌｅＣｏｕｎｔ＝３ａｎｄｅｍｐｔｙ＝＇０＇ａｎｄＬｘＡｃｋ＝＇１＇?ｔｈｅｎ
ＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝Ｓｅｎｄ?
ｅｌｓｅＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝ＳｅｎｄＡＣＫ?
ｅｎｄｉｆ?
ｅｎｄｃａｓｅ?
ｅｎｄｐｒｏｃｅｓｓｃｈａｎｇｅｓｔａｔｅｍｏｄｅ?
图5数据转发仿真时序较
４应用和结论
目前该接口板已经完成了电路设计、软件仿真和制板，并应用到某机载合成孔径雷达数字信号处理机中。接口板卡位于信号处理机的前端，通过ＣＰＣＩ机箱的前面板接口，采用一块ＰＭＣ子板实现。系统采用了图１所示的体系结构，锁存器选用ＴＩ公司的ＳＮ７４ＬＶＴ１６３７４，时钟驱动芯片选用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ４９ＦＣＴ３８０５ＡＰＹ，ＦＩＦＯ选用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７２Ｖ３６１１０，ＰＣＩ接口芯片选用ＰＬＸ９０５２，ＦＰＧＡ选用Ａｌｔｅｒａ公司的ＥＰ１Ｋ１００ＦＣ２５６－１。经过实验室阶段和外厂试验，接口板都工作正常，达到了设计要求。
《基于FPGA的机载合成孔径雷达数字信号处理机接口板卡的设计与实现(第2页)》
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被动串行配置由编程硬件通过ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ配置。ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ产生一个由低到高的跳变送到ｎＣＯＮＦＩＧ引脚，然后由编程硬件将配置数据送到ＤＡＴＡ０引脚，该数据锁存至ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ变为高电平为止。当ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ变成高电平时，用ＤＣＬＫ的１０个周期初始化ＦＰＧＡ，器件的初始化由下载电缆自动执行。
为了两种配置方式共存，设计中用拨码开关将ＥＰＣ２与ＦＰＧＡ和ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ的下载电缆插座隔离。当用被动串行方式配置时，拨码开关断开，由上位机通过ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒ下载电缆加载ＦＰＧＡ。当用主动串行方式配置时，拨码开关接通，由ＥＰＣ２加载ＦＰＧＡ。电路图如图２所示。
２．４在线自检测功能
板卡设计时还应考虑便于日常调试维护及故障检测定位。板卡在硬件上针对各电源信号和关键的状态信号设计了信号灯，一旦发现有误，便可给出信号触发该电路板上的信号灯告警，定位系统故障。另外在电路设计时应留出测试孔，以增加电路的可测性。
３系统的软件设计
系统上电后，ＰＣＩ上电复位，ＦＩＦＯ清零。上位机向相应寄存器写入初始值，完成寄存器设置。当系统启动信号有效时，接口板开始接收数据，进行数据打包和分发，直到上位机向接口板卡写停止命令为止。图３给出了系统工作流程图。
３．１数据的打包和流向控制
雷达参数数据和原始回波数据的数据源是异步的，不能保证两者确切的对应关系，接口板卡利用对缓存原始回波数据ＦＩＦＯ和缓存雷达参数数据双口ＲＡＭ的读写控制，调整雷达参数数据和原始回波数据对应关系，将两种数据源按处理机要求的输入数据格式组成正确的数据帧。雷达参数数据和原始回波数据打包后的数据帧格式如下：
在程序中，设计了雷达参数发送控制计数器Ｐａｒａ＿ｃｏｕｎｔｅｒ和回波数据发送控制计数器Ｄａｔａ＿ｃｏｕｎｔｅｒ。系统工作后，每次检测到原始回波数据流的数据有效信号ｄａｔａ＿ｖａｌｉｄ的上升沿（标记收到完整的一帧回波数据）时，启动雷达参数发送控制计数器开始计数，当计数到设定的值（本设计中为２５）时停止计数并启动回波数据发送控制计数器开始计数，计数到设定的值（本设计中为５０００）时停止计数。当检测到原始回波数据流的数据有效信号ｄａｔａ＿ｖａｌｉｄ的下降沿（标记开始接收新的一帧回波数据）时，两个计数器都清零。根据计数器的计数值产生Ｌｉｎｋ口选择信号?确定数据的流向。图４给出了数据流向的示意图。图５给出了基于ＭＡＸＰＬＵＳⅡ１０．０的仿真结果，仿真显示正确地实现了数据打包和流向控制。
图3系统工作流程图
３．２Ｌｉｎｋ口传输协议的实现
Ｌｉｎｋ口的数据传输是在同步时钟线（ＬｘＣＬＫ）与应答线（ＬｘＡＣＫ）相互握手的情况下同步传输的。一个传输字为３２ｂｉｔ，Ｌｉｎｋ口以４ｂｉｔ为单位进行传输。在ＬｘＣＬＫ上升沿，发送端会发送一个新的４ｂｉｔ数据，在ＬｘＣＬＫ的下降沿，接收方锁存数据线上的数据。８个４ｂｉｔ数据发送完毕后，如果接收方准备好接收下一个字，则将ＬｘＡＣＫ置１。发送方在每次发送新字的第一个４ｂｉｔ时对ＬｘＡＣＫ采样，如果ＬｘＡＣＫ为０，表明接收方没有准备好，则发送方保持ＬｘＣＬＫ为高电平，且数据线上保持当前的４ｂｉｔ数据，直到接收方将ＬｘＡＣＫ置１，发送方才将ＬｘＣＬＫ下拉，并继续发送新的数据。当发送方缓存为空时，表明没有数据需要发送，则ＬｘＣＬＫ保持为低电平。接口板利用ＶＨＤＬ语言实现了Ｌｉｎｋ口传输协议。下面给出了关键的程序片断：
ＣｈａｎｇｅＳｔａｔｅＭｏｄｅ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ＮｉｂｌｅＣｏｕｎｔ?ｅｍｐｔｙ?ＬｘＡＣＫ?ＰｒｅｓｅｎｔＳｔａｔｅ?ｅｍｐｔｙ?
ｂｅｇｉｎ
ｃａｓｅＰｒｅｓｅｎｔＳｔａｔｅｉｓ
ｗｈｅｎＳｅｎｄＡＣＫ＝＞
ｉｆＬｘＡＣＫ＝＇１＇ａｎｄｅｍｐｔｙ＝＇０＇ｔｈｅｎ
ＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝Ｓｅｎｄ?
ｅｌｓｅＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝ＳｅｎｄＡＣＫ?
ｅｎｄｉｆ?
ｗｈｅｎＳｅｎｄ＝＞
ｉｆＮｉｂｌｅＣｏｕｎｔ／＝３ｏｒ?ＮｉｂｌｅＣｏｕｎｔ＝３ａｎｄｅｍｐｔｙ＝＇０＇ａｎｄＬｘＡｃｋ＝＇１＇?ｔｈｅｎ
ＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝Ｓｅｎｄ?
ｅｌｓｅＮｅｘｔＳｔａｔｅ＜＝ＳｅｎｄＡＣＫ?
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图5数据转发仿真时序较
４应用和结论
目前该接口板已经完成了电路设计、软件仿真和制板，并应用到某机载合成孔径雷达数字信号处理机中。接口板卡位于信号处理机的前端，通过ＣＰＣＩ机箱的前面板接口，采用一块ＰＭＣ子板实现。系统采用了图１所示的体系结构，锁存器选用ＴＩ公司的ＳＮ７４ＬＶＴ１６３７４，时钟驱动芯片选用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ４９ＦＣＴ３８０５ＡＰＹ，ＦＩＦＯ选用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７２Ｖ３６１１０，ＰＣＩ接口芯片选用ＰＬＸ９０５２，ＦＰＧＡ选用Ａｌｔｅｒａ公司的ＥＰ１Ｋ１００ＦＣ２５６－１。经过实验室阶段和外厂试验，接口板都工作正常，达到了设计要求。
《基于FPGA的机载合成孔径雷达数字信号处理机接口板卡的设计与实现(第2页)》
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