基于FPGA與ARM的遙測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化采集[圖]

摘要：現(xiàn)有的遙測接收機(jī)為PCI接口，需安裝在工控機(jī)上使用，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化、便攜化，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小型網(wǎng)絡(luò)接口遙測解調(diào)模塊，可配合帶有網(wǎng)口的計(jì)算機(jī)使用。采用FPGA" title="FPGA">FPGA" title="FPGA">FPGA" title="FPGA">FPGA進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)的幀同步與IRIG—B時(shí)碼解調(diào)，將接收到的遙測數(shù)據(jù)添加時(shí)碼后發(fā)送給ARM處理器中的Linux系統(tǒng)，并編寫Linux 2.6下的FPGA驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)FPGA數(shù)據(jù)的讀取，然后通過網(wǎng)卡以TCP/IP格式發(fā)給主機(jī)，主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示。

以太網(wǎng)接口通信速度快，傳輸可靠，使用和配置方便，對于20 Mb/s以下的碼速率，100 Mb/s的網(wǎng)卡可以進(jìn)行不丟包轉(zhuǎn)發(fā)，采用TCP包格式還可使設(shè)備小型化，便于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，因此有必要擴(kuò)展設(shè)備的以太網(wǎng)功能。

1 整體模塊設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。其中，采編器或接收機(jī)解調(diào)輸出的PCM信號及時(shí)鐘輸入到FPGA中進(jìn)行幀同步，IRIG—B碼信息也送到FPGA中進(jìn)行解調(diào)，得到時(shí)間信息。數(shù)據(jù)與時(shí)間一起存入SRAM乒乓緩沖區(qū)中，達(dá)到一定大小后，F(xiàn)PGA向ARM處理器發(fā)器中斷，ARM中運(yùn)行的Linux系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)取走，進(jìn)行TCP/IP打包，發(fā)送給接收計(jì)算機(jī)。

在設(shè)備開始工作前，需要在計(jì)算機(jī)端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，計(jì)算機(jī)TCP/IP包將參數(shù)發(fā)送給ARM處理器，由ARM處理器轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA。幀同步器的設(shè)計(jì)中，碼速率為100b/s～10Mb/s，幀長為4～4096Word，幀同步碼組為4～32，ARM網(wǎng)卡為100Mb/s。

1.2 硬件實(shí)現(xiàn)

PCB采用6層結(jié)構(gòu)，相鄰布線層，水平垂直交叉，電路層與電源層單獨(dú)分開，提供良好的電磁兼容特性。

1.2.1 FPGA

FPGA選擇EP1C12，為實(shí)現(xiàn)乒乓緩沖結(jié)構(gòu)，采用SRAM為IS61LV25616。輸入信號使用SMA線纜連接，在傳輸過程中會(huì)引入衰減，信號輸入輸出易出現(xiàn)阻抗不匹配的情況，選用AD8556構(gòu)成射隨器，對輸入信號進(jìn)行匹配，同時(shí)也增大模擬源的輸出能力。

1.2.2 ARM

在此采用S3C2440，內(nèi)核為ARM920T，最高頻率為400MHz，帶MMU支持操作系統(tǒng)。內(nèi)存采用2×32MB的SDRAM，存儲(chǔ)采用128MB NAND FLASH，網(wǎng)卡采用DM9000A。

1.2.3 ARM與FPGA的接口連接

這里采用總線接口，將FPGA作為一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備掛在ARM的存儲(chǔ)器總線上，如圖2所示。

FPGA在ARM中起始地址為0x18000000，以4B對齊，占用0x80個(gè)地址，地址范圍為0x18000000～Ox1800007C，中斷為EINT0。

在FPGA內(nèi)部采用讀/寫指針來模擬FIFO，用一個(gè)地址來讀取FPGA數(shù)據(jù)，其余地址用于配置幀同步器與模擬源的參數(shù)。

2 幀同步與B碼解調(diào)

FPGA完成PCM數(shù)據(jù)的幀同步和解調(diào)B碼，寫入到乒乓SRAM緩沖區(qū)中，實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

2.1 幀同步模塊

幀同步器根據(jù)幀同步碼組的相關(guān)性和周期性，經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算將同步碼從PCM串行流中識別出來，原理框圖如圖4所示。

PCM數(shù)據(jù)按時(shí)鐘進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，與本地幀同步碼進(jìn)行同或運(yùn)算后再與上屏蔽位，由全加網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)運(yùn)算結(jié)果按位相加統(tǒng)計(jì)結(jié)果中1的個(gè)數(shù)，大于門限值則表示可能接收到了幀同步碼。

為避免虛警和漏檢，使幀同步器穩(wěn)定可靠工作，采用搜索、校核、鎖定三態(tài)邏輯。

系統(tǒng)開始時(shí)處于搜索態(tài)，符合相關(guān)器輸出，由搜索態(tài)轉(zhuǎn)入校核態(tài)。在預(yù)期檢測窗口內(nèi)沒有幀碼，從校核返回到搜索態(tài)。連續(xù)通過校核數(shù)α，進(jìn)入鎖定態(tài)。為避免幀同步碼的漏檢，連續(xù)漏檢超過保護(hù)幀數(shù)β，幀同步才返回搜索態(tài)，否則保持在鎖定態(tài)，幀脈沖由本地產(chǎn)生。

2.2 IRIG—B碼解調(diào)

IRIG時(shí)間序列碼是一種串行碼，共有3種碼元，如圖5所示。

P碼元是位置碼元，連續(xù)2個(gè)P碼為一幀的開始，第1個(gè)P碼元定義為P0，第2個(gè)P碼元為秒脈沖pps，上升沿為該秒的準(zhǔn)時(shí)刻，時(shí)間信息以BCD碼依次分布在其后的碼元中。解調(diào)時(shí)先進(jìn)行pps的提取，再進(jìn)行秒、分、時(shí)、天的信息提取，其流程如圖6所示。

時(shí)鐘頻率為1MHz，用計(jì)數(shù)器對輸入信號的脈寬進(jìn)行計(jì)數(shù)。8ms，5ms，2ms脈寬計(jì)數(shù)為8000，5000，2000。輸入B碼的脈寬會(huì)混有干擾，晶振時(shí)鐘也存在一定的誤差，計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)判別應(yīng)浮動(dòng)一個(gè)范圍，設(shè)置門限為脈寬的85%～115%，當(dāng)滿足一定范圍的數(shù)值時(shí)，分別輸出P碼，0碼，1碼信號。

FPGA中的時(shí)碼產(chǎn)生“天：時(shí)：分：秒：毫秒：微秒”信息。解調(diào)出B碼時(shí)，F(xiàn)PGA更新內(nèi)部時(shí)間，B碼中不含毫秒與微秒信息，由FPGA根據(jù)秒脈沖信息的準(zhǔn)時(shí)刻來生成。

3 FPGA驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

在Linux中，所有的硬件設(shè)備都像常規(guī)文件一樣進(jìn)行打開、關(guān)閉和讀/寫。把FPGA當(dāng)作字符設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)由設(shè)備加載與卸載，以及文件操作file_operation結(jié)構(gòu)體中成員函數(shù)組成。

3.1 加載與卸栽設(shè)備驅(qū)動(dòng)

FPGA設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化流程為動(dòng)態(tài)獲得主設(shè)備號、字符設(shè)備注冊和申請中斷；卸載流程為注銷設(shè)備，釋放設(shè)備編號。

定義一個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)體來表示FPGA，如下：

當(dāng)用戶程序讀FPGA設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)還未準(zhǔn)備好，此時(shí)驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該阻塞該進(jìn)程，將其置入睡眠狀態(tài)直到條件滿足。此時(shí)需要初始化一個(gè)等待隊(duì)列頭，對讀進(jìn)程的休眠和喚醒時(shí)使用：

在卸載函數(shù)中，刪除一個(gè)cdev，完成字符設(shè)備的注銷，然后釋放設(shè)備編號：

3.2 文件接口操作

Linux為所有的設(shè)備文件都提供了統(tǒng)一的操作函數(shù)，F(xiàn)PGA設(shè)備驅(qū)動(dòng)。file_operations包含打開函fpga_open、讀函數(shù)fpga_read、設(shè)置參數(shù)函數(shù)fpga_ioctl和關(guān)閉設(shè)備函數(shù)fpga_release。

3.2.1 打開與關(guān)閉FPGA設(shè)備

在打開設(shè)備與關(guān)閉設(shè)備時(shí)會(huì)調(diào)用open函數(shù)與release函數(shù)，在open函數(shù)中，要對設(shè)備進(jìn)行I/O內(nèi)存資源映射及中斷申請。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，需通過內(nèi)存管理單元MMU將設(shè)備的虛擬地址映射到物理地址。根據(jù)FPGA在S3C2440中的物理地址，定義如下宏：

使用ioremap()對FPGA的I/O內(nèi)存資源進(jìn)行映射，把物理內(nèi)存地址映射為一個(gè)內(nèi)核指針：

數(shù)據(jù)交換采用中斷，需先設(shè)置硬件中斷方式，然后向系統(tǒng)注冊中斷函數(shù)，實(shí)現(xiàn)如下：

FPGA連接在ARM的EINT0上，isr_fpga為中斷處理函數(shù)指針。當(dāng)關(guān)閉FPGA設(shè)備時(shí)，需釋放I/O內(nèi)存，釋放中斷：

3.2.2 驅(qū)動(dòng)程序控制接口Ioctl

Ioctl用來設(shè)置FPGA中幀同步器和模擬源的參數(shù)，部分設(shè)置命令如表1所示。

在此，采用統(tǒng)一的命令碼方式，包含幻數(shù)、序數(shù)、傳輸方向、數(shù)據(jù)長度，使用宏_IO()，_IOR()，_IOW()和IOWR()輔助生成，如命令0設(shè)置如下：

在Ioctl中，采用switeh(cmd)來實(shí)現(xiàn)對FPGA參數(shù)的設(shè)置及FPGA狀態(tài)的讀取。

3.2.3 中斷函數(shù)及讀函數(shù)

當(dāng)FPGA產(chǎn)生中斷時(shí)，根據(jù)緩沖區(qū)的大小，中斷函數(shù)循環(huán)對FPGA映射后的地址讀取數(shù)據(jù)。ARM與FPGA接口為16位，使用inw讀取，數(shù)據(jù)存放在驅(qū)動(dòng)程序的緩沖區(qū)中：

應(yīng)用程序讀取數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用read函數(shù)，參數(shù)buffer為用戶空間緩沖區(qū)的指針，利用copy_to_user函數(shù)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間，當(dāng)設(shè)備中暫時(shí)沒有數(shù)據(jù)時(shí)，讀進(jìn)程應(yīng)當(dāng)被休眠：

flag為一個(gè)標(biāo)志位，當(dāng)flag被中斷函數(shù)設(shè)置為1時(shí)表示設(shè)備中有數(shù)據(jù)，此時(shí)讀進(jìn)程可被換醒。

3.2.4 用戶程序及測試

設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)后，需編寫相應(yīng)的用戶程序來進(jìn)行測試驅(qū)動(dòng)程序和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)。在用戶程序中，讀/寫FPGA設(shè)備使用與普通文件一樣的操作函數(shù)。移植Linux時(shí)配置好網(wǎng)卡的地址，然后使用Socket編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的TCP/IP轉(zhuǎn)發(fā)，用遙測軟件接收到的數(shù)據(jù)測試如圖7所示。

通過測試可以看到，同步碼FDB18450被正確識別，IRIG-B解碼為當(dāng)前時(shí)間。

4 結(jié)語

在此，基于FPGA與ARM進(jìn)行遙測數(shù)據(jù)的幀同步遙測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，充分地利用了FPGA與ARM各自的特點(diǎn)，它可使FPGA+ARM在數(shù)據(jù)接收處理中得到廣泛應(yīng)用。