復(fù)雜可編程邏輯器件在通信數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

1 概述

隨著大規(guī)模集成電路和單片機(jī)的迅速發(fā)展，復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)具有使用靈活、可靠性高、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。CPLD 可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程，重復(fù)多次，而且還兼容IEEE1149.1(JTAG)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試激勵(lì)端和邊界掃描能力，使用CPLD 器件進(jìn)行開發(fā)，不僅可以提高系統(tǒng)的集成化程度、可靠性和可擴(kuò)充性，而且大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。由于CPLD 采用連續(xù)連接結(jié)構(gòu)，易于預(yù)測(cè)延時(shí)，從而使電路仿真更加準(zhǔn)確。CPLD 是標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模集成電路產(chǎn)品，可用于各種數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。近年來，隨著采用先進(jìn)的集成工藝和大批量生產(chǎn)，CPLD 器件成本不斷下降，集成密度、速度和性能都大幅度提高，這樣一個(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng);再加上使用方便的開發(fā)工具，給設(shè)計(jì)修改帶來很大方便。

實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)開發(fā)了一款無線數(shù)據(jù)接收平臺(tái)，上下行速率可以達(dá)到1Mbps。射頻部分采用了Maxim 的射頻套片，基帶部分采用了OMAP 平臺(tái)，基帶射頻接口采用了ADI 公司的混合信號(hào)前端(MxFE™)基帶傳輸芯片AD9861，系統(tǒng)的邏輯控制和數(shù)據(jù)的緩沖采用了ALTERA 的CPLD EPM240GT100C3。

2 EPM240GT100C3 實(shí)現(xiàn)的功能與總體要求

EPM240GT100C3 要完成AD9861的時(shí)序控制、AD9861和OMAP之間的數(shù)據(jù)緩存以及提供網(wǎng)口芯片LAN91C93所需的控制信號(hào)。在這幾項(xiàng)功能中，最主要的是數(shù)據(jù)緩存功能。要想正確地實(shí)現(xiàn)緩存功能，就必須要求緩存的收發(fā)I、Q數(shù)據(jù)不丟失，不顛倒，不錯(cuò)相，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的先寫后讀。按照這樣的思想，再結(jié)合兩邊的接口時(shí)序正確地配置讀寫地址、讀寫時(shí)鐘，就可以完成所需功能。

3 CPLD 程序的詳細(xì)設(shè)計(jì)

CPLD的主要功能是完成數(shù)據(jù)緩存和一些時(shí)鐘控制信號(hào)的產(chǎn)生。其功能框圖如圖1所示，主要包括雙口RAM存儲(chǔ)體單元，時(shí)鐘和控制信號(hào)產(chǎn)生單元，OMAP側(cè)地址發(fā)生單元，AD9861側(cè)地址發(fā)生單元。

圖1 CPLD 功能框圖

3.1 雙口RAM 的設(shè)計(jì)方法

因?yàn)镺MAP和AD9861兩邊都有讀寫操作，于是選擇了雙口RAM(DPRAM)作為數(shù)據(jù)的緩存。由于CPLD內(nèi)部的邏輯資源和布線資源有限，并且沒有獨(dú)立的DPRAM區(qū)，只能用DFF來完成緩存功能，這就限制了DPRAM的大小。因?yàn)橄到y(tǒng)要求每個(gè)DMA中斷讀寫8個(gè)數(shù)據(jù)，為了減小讀寫沖突的可能性，同時(shí)盡量地降低FF資源的利用，最終采用了相當(dāng)于兩個(gè)8×8大小乒乓緩沖的16×8雙口RAM緩沖區(qū)。DPRAM的外部接口如圖2所示：

圖2 DPRAM 的外部接口

其中dina和douta接OMAP的數(shù)據(jù)線，dinb和doutb接AD9861的數(shù)據(jù)線，addra和addrb為內(nèi)部產(chǎn)生的讀寫地址。 Wr_rd_en控制讀寫的方向，和TX_RX相連，即當(dāng)Wr_rd_en=’1’時(shí)，為發(fā)射，數(shù)據(jù)由OMAP寫入，AD讀出，數(shù)據(jù)流向從 dina->doub; 當(dāng)Wr_rd_en=’0’時(shí)，為接收，數(shù)據(jù)由AD端寫入，AD讀出，數(shù)據(jù)流向從dinb->doua;wrclk在四種時(shí)鐘之間切換，分別為 3.2768M，6.4M，75M，84M，由TX_RX和V_D_SEL信號(hào)的高低來控制。為了降低布線資源的使用，讀數(shù)時(shí)沒有用讀時(shí)鐘，而是直接把 addra和addrb地址上的數(shù)據(jù)輸出，因?yàn)閍ddra和addrb本來就是與讀寫時(shí)鐘同步的。 function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

3.2 時(shí)鐘產(chǎn)生

CPLD 輸入時(shí)鐘有來自射頻的16M時(shí)鐘，來自外部晶振的32.768M時(shí)鐘和來自O(shè)MAP接口的75M時(shí)鐘CLK。其中16M時(shí)鐘用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí) AD9861所需要的3.2M、6.4M轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，32.768M時(shí)鐘用于產(chǎn)生語音應(yīng)用時(shí)AD9861所需要的1.6384M、3.2768M時(shí)鐘以及 CODEC AIC1110所需要的8K和2.048M時(shí)鐘。SDCLK本可以作為OMAP讀寫的主時(shí)鐘，但必須要使用CAS信號(hào)作為讀寫允許配合使用才行，為了節(jié)省布線資源，不用讀寫允許，就直接用CAS作為寫時(shí)鐘及OMAP側(cè)的地址產(chǎn)生使用，而SDCLK則用于產(chǎn)生一些同步脈沖。這些產(chǎn)生的時(shí)鐘除了輸出給外部芯片外，還在CPLD內(nèi)部作為地址產(chǎn)生的時(shí)鐘使用。3.2M和6.4M的時(shí)鐘產(chǎn)生是把16M的時(shí)鐘從0到4計(jì)數(shù)，由reset和ad_da_enable給計(jì)數(shù)器清零，這樣的模5計(jì)數(shù)器的最低位即為6.4M，次低位為3.2M時(shí)鐘。這種時(shí)鐘產(chǎn)生的方式只需要三個(gè)DFF，節(jié)省邏輯資源，而且不會(huì)產(chǎn)生毛刺，但產(chǎn)生的時(shí)鐘占空比不是50%，實(shí)踐證明在低速應(yīng)用時(shí)，AD9861是可以正常工作的。系統(tǒng)的時(shí)鐘時(shí)序如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘時(shí)序

1.6384M 和3.2768M時(shí)鐘的方法同理，只是需要把32.768M的時(shí)鐘20分頻而已，同樣計(jì)數(shù)器的清零由reset和ad_da_enable控制，這樣得到的模20計(jì)數(shù)器的第2位即為3.2768M，第三位為1.6384時(shí)鐘，時(shí)序跟上圖相似，這里就不再給出。

這四個(gè)時(shí)鐘被分時(shí)賦給 AD9861的主時(shí)鐘ADA_CLK，具體是哪個(gè)時(shí)鐘被賦ADA_CLK，由收發(fā)切換信號(hào)TX_RX，語音和數(shù)據(jù)選擇信號(hào)V_D_SEL控制。當(dāng) TX_RX=’0’ 且V_D_SEL=’0’時(shí)，輸出給ADA_CLK的時(shí)鐘為1.6384M;當(dāng)TX_RX=’1’且V_D_SEL=’0’時(shí)，輸出給ADA_CLK的時(shí)鐘為3.2768M;當(dāng)TX_RX=’0’ 且D_SEL=’1’時(shí)，輸出給ADA_CLK的時(shí)鐘為3.2M;當(dāng)TX_RX=’1’ 且V_D_SEL=’1’時(shí)，輸出給ADA_CLK的時(shí)鐘為6.4M。

為了進(jìn)一步節(jié)省資源，可以考慮把模5和模20的計(jì)數(shù)器共用，方案如圖4所示，BIT1和BIT2即為所需的時(shí)鐘，這時(shí)前端時(shí)鐘源由V_D_SEL選擇，BIT1和BIT2的選擇輸出由TX_RX控制。

圖4 模5 模20 計(jì)數(shù)器共用的時(shí)鐘產(chǎn)生方案

2.048M的時(shí)鐘產(chǎn)生由32.768M時(shí)鐘16分頻得到，計(jì)數(shù)器的復(fù)位由reset和語音允許audcken控制，這樣得到的模16的計(jì)數(shù)器的高位即為2.048M時(shí)鐘。8K時(shí)鐘是對(duì)產(chǎn)生的2.048M時(shí)鐘256分頻得到。

3.3 地址產(chǎn)生

在使用雙口RAM作為數(shù)據(jù)緩存時(shí)，有兩部分地址產(chǎn)生電路：OMAP側(cè)地址產(chǎn)生電路和AD9861側(cè)地址產(chǎn)生電路。AD9861側(cè)地址產(chǎn)生電路和OMAP側(cè)地址產(chǎn)生電路大致相同，但由于這2個(gè)地址發(fā)生器同時(shí)使用，所以不能復(fù)用。OMAP的地址發(fā)生器框圖如下：

圖5 OMAP 的地址發(fā)生器

CAS 時(shí)鐘只負(fù)責(zé)對(duì)低3 位地址進(jìn)行計(jì)數(shù)，而最高位由于選擇2 個(gè)8×8RAM 中的一個(gè)，為防止adda 和OMAP 同時(shí)讀寫同一個(gè)RAM，將OMAP 側(cè)的高位地址線取值為AD9861 側(cè)的地址最高位的反相。DMA 請(qǐng)求清零信號(hào)作用：在AD9861 側(cè)每觸發(fā)一次DMA 請(qǐng)求，就生成一個(gè)DMA 請(qǐng)求清零信號(hào)，用于復(fù)位OMAP 側(cè)地址發(fā)生器，避免由于某此誤觸發(fā)引起OMAP 讀寫地址混亂。AD9861 側(cè)地址發(fā)生器如下：

圖6 AD9861 側(cè)地址發(fā)生器

4 位地址總線的低3位用于選擇同一片RAM中的8個(gè)地址，最高位用于選擇2個(gè)8×8RAM中的一個(gè)，收發(fā)切換信號(hào)用于在收發(fā)切換時(shí)給地址發(fā)生器清零，復(fù)位由于邏輯誤觸發(fā)導(dǎo)致的地址總線錯(cuò)誤。 function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

3.4 LAN 控制信號(hào)產(chǎn)生

lan91c93是一款嵌入式以太網(wǎng)控制器，和OMAP一起構(gòu)成了嵌入式的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口卡。OMAP用異步的FLASH接口時(shí)序來訪問lan91c93，由于lan91c93 沒有片選輸入端，所以把flash的片選和讀寫信號(hào)通過作一定處理后輸出給lan91c93。OMAP把CS1空間分配給了lan91c93，當(dāng) nFLASH_CS1為低時(shí)，把nFLASH_WE，nFLASH_OE輸出給nLAN_WE,nLAN_OE，否則nLAN_WE，nLAN_OE為高電平。同時(shí)把LAN_RDY信號(hào)通過CPLD透?jìng)鹘oOMAP，通知OMAP lan91c93準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)的交換。

4 仿真和實(shí)測(cè)

4.1 數(shù)據(jù)接收狀態(tài)仿真

置V_D_SEL 為高，TX_RX 也為低，表示現(xiàn)在處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。依據(jù)時(shí)序關(guān)系產(chǎn)生所需的時(shí)鐘，復(fù)位信號(hào);產(chǎn)生AD9861 數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)，模擬AD 的輸出; 產(chǎn)生ADA 使能輸入控制信號(hào)AD_DA_ENABLE;SDRAM CAS 信號(hào)等等。如下圖所示，DINB為AD9861數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)，WRCLK為內(nèi)部產(chǎn)生的6.4M鎖存時(shí)鐘，用來把DA數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)寫入雙口RAM 中，AD9861側(cè)的地址ADDRB是對(duì)寫時(shí)鐘WRCLK的下降沿計(jì)數(shù)得到的。當(dāng)ADDRB為8或0時(shí)，產(chǎn)生一DMA中斷，觸發(fā)OMAP通過EMIFF接口把數(shù)據(jù)讀到DSP的MEMORY進(jìn)行處理，每個(gè)DMA請(qǐng)求讀8個(gè)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生8個(gè)低脈沖的CAS信號(hào)，對(duì)CAS的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到OMAP側(cè)地址的低3位，最高位由ADDRB的MSB取反得到，這樣能避免讀寫沖突?？梢钥闯鯝D的輸出數(shù)據(jù)能夠被正確地復(fù)現(xiàn)在OMAP的EMIFF接口數(shù)據(jù)線上，并被 OMAP正確地讀進(jìn)去。

圖7 數(shù)據(jù)接收狀態(tài)信號(hào)時(shí)序

4.2 數(shù)據(jù)發(fā)射狀態(tài)仿真

置V_D_SEL 為高，TX_RX 為高，表示現(xiàn)在處于數(shù)據(jù)發(fā)射狀態(tài)。依據(jù)時(shí)序關(guān)系產(chǎn)生所需的時(shí)鐘，復(fù)位信號(hào);產(chǎn)生EMIFF 接口數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)，模擬OMAP 輸出的發(fā)射數(shù)據(jù); 模擬產(chǎn)生ADA 使能輸入控制信號(hào)AD_DA_ENABLE;SDRAM CAS 信號(hào)等等。如下圖所示，ADA_CLK為內(nèi)部產(chǎn)生的6.4M時(shí)鐘，輸出作為ad9861的DA轉(zhuǎn)換的主時(shí)鐘。對(duì)ADA_CLK的上升沿計(jì)數(shù)得到 AD9861側(cè)的地址ADDRB，當(dāng)ADDRB為8或0時(shí)，產(chǎn)生一DMA中斷，觸發(fā)OMAP通過EMIFF接口把發(fā)射數(shù)據(jù)輸出到EMIFF接口數(shù)據(jù)總線上，每個(gè)DMA請(qǐng)求寫8個(gè)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生8個(gè)低脈沖的CAS信號(hào)，對(duì)CAS的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到OMAP側(cè)地址的低3位，最高位由ADDRB的MSB取反得到，這樣能避免讀寫沖突。DINA為EMIFF接口數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)，用CAS延遲信號(hào)的下降沿來鎖存DINA，滿足EMIFF的SDRAM寫時(shí)序，可以正確地把數(shù)據(jù)寫入到雙口RAM中。DOUTB為輸出給DA的數(shù)據(jù)，同時(shí)按照時(shí)序要求產(chǎn)生一發(fā)射同步信號(hào)TX_SYNC,用來指示發(fā)射的I和Q，用 ADA_CLK的上升沿采樣，正好能采樣到DOUTB和TX_SYNC的中間，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

圖8 數(shù)據(jù)發(fā)射狀態(tài)信號(hào)時(shí)序

4.3 數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果

記錄的頻譜圖，時(shí)域波形圖和星座圖如下，頻譜為250K，跟信號(hào)源設(shè)置的頻偏一致。時(shí)域波形I 落后Q 90 度，且I 的最大值對(duì)應(yīng)于Q 的零點(diǎn)，兩者的正交性得到了保證，星座圖是一個(gè)圓同樣證明了這一點(diǎn)。

圖9 接收信號(hào)頻譜圖

圖10 接收信號(hào)時(shí)域波形圖

圖11 接收信號(hào)星座圖