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[導(dǎo)讀]隨著現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)展,移動(dòng)通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等通信系統(tǒng)對(duì)收發(fā)切換開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度、功率容量、集成性等方面有了更高的要求, 因此研究VXI總線(xiàn)技術(shù),開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足軍方特殊要求的VXI總線(xiàn)模塊,具有十分重要的意義

隨著現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)展,移動(dòng)通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等通信系統(tǒng)對(duì)收發(fā)切換開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度、功率容量、集成性等方面有了更高的要求, 因此研究VXI總線(xiàn)技術(shù),開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足軍方特殊要求的VXI總線(xiàn)模塊,具有十分重要的意義,我們將利用虛擬儀器思想,將硬件電路以軟件的方式實(shí)現(xiàn),以下設(shè)計(jì)的射頻開(kāi)關(guān)可以由計(jì)算機(jī)直接控制,可以很方便地與VXI總線(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)集成,最大限度的發(fā)揮計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)在當(dāng)今測(cè)試領(lǐng)域中的應(yīng)用,具有廣闊的發(fā)展前景。

  1 VXI總線(xiàn)接口電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

  VXIbus是VMEbus在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展,是計(jì)算機(jī)操縱的模塊化自動(dòng)儀器系統(tǒng)。它依靠有效的標(biāo)準(zhǔn)化,采用模塊化的方式,實(shí)現(xiàn)了系列化、通用化以及VXIbus儀器的互換性和互操作性,其開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)和Plug&Play方式完全符合信息產(chǎn)品的要求。它具有高速數(shù)據(jù)傳輸、結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活、電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn),,因此系統(tǒng)組建和使用非常方便,應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,已逐漸成為高性能測(cè)試系統(tǒng)集成的首選總線(xiàn)。

  VXI總線(xiàn)是一種完全開(kāi)放的、適用于各儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家的模塊化儀器背板總線(xiàn)規(guī)范。VXI總線(xiàn)器件主要分為:寄存器基器件、消息基器件和存儲(chǔ)器基器件。目前寄存器基器件在應(yīng)用中所占比例最大(約70%)。VXIbus寄存器基接口電路主要包括:總線(xiàn)緩沖驅(qū)動(dòng)、尋址和譯碼電路、數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)答狀態(tài)機(jī)、配置及操作寄存器組四個(gè)部分。四個(gè)部分中除總線(xiàn)緩沖驅(qū)動(dòng)采用74ALS245芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)外,其余部分都用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用一片F(xiàn)LEX10K 芯片EPF10K10QC208-3和一片EPROM芯片EPC1441P8,利用相應(yīng)軟件MAX+PLUSⅡ來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

  1.1 總線(xiàn)緩沖驅(qū)動(dòng)

  該部分完成對(duì)VXI背板總線(xiàn)中的數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)和控制線(xiàn)的緩沖接收或驅(qū)動(dòng),以滿(mǎn)足VXI規(guī)范信號(hào)的要求。對(duì)于A16/D16器件,只要實(shí)現(xiàn)背板數(shù)據(jù)總線(xiàn)D00~D15的緩沖驅(qū)動(dòng)。根據(jù)VXI總線(xiàn)規(guī)范的要求,此部分采用兩片74LS245實(shí)現(xiàn),用DBEN*(由數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)答狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生)來(lái)選通。

  1.2 尋址和譯碼電路

  尋址線(xiàn)包括地址線(xiàn)A01~A31、數(shù)據(jù)選通線(xiàn)DS0*和DS1*、長(zhǎng)字線(xiàn)LWORD*??刂凭€(xiàn)包括地址選通線(xiàn)AS*和讀/寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)WRITE*。

  本電路的設(shè)計(jì)采用MAX+PLUSⅡ的原理圖設(shè)計(jì)方式。利用元件庫(kù)里的現(xiàn)有元件進(jìn)行設(shè)計(jì),采用了兩片74688和一片74138。

  該功能模塊對(duì)地址線(xiàn)A15~A01及地址修改線(xiàn)AM5~AM0進(jìn)行譯碼。當(dāng)器件被尋址時(shí),接收地址線(xiàn)及地址修改線(xiàn)上的地址信息,并將其與本模塊上硬件地址開(kāi)關(guān)設(shè)置的邏輯地址LA7~LA0相比較,如果AM5~AM0上邏輯值為29H或2DH(由于是A16/D16器件),地址線(xiàn)A15、A14均為1,并且A13~A06上的邏輯值與模塊的邏輯地址相等時(shí),該器件被尋址選通(CADDR*為真)。接著其結(jié)果被送往下一級(jí)譯碼控制,通過(guò)對(duì)地址A01~A05進(jìn)行譯碼選中模塊在16位地址空間的寄存器。

  1.3 數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)答狀態(tài)機(jī)

  數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)是一組高速異步并行數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn),是VMEbus系統(tǒng)信息交換的主要組成部分。數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)可分為尋址線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)、控制線(xiàn)三組。

  該部分的設(shè)計(jì)采用MAX+PLUSⅡ的文本輸入設(shè)計(jì)方式。由于DTACK*的時(shí)序比較復(fù)雜,所以采用AHDL語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),通過(guò)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

  該功能模塊對(duì)VXI背板總線(xiàn)中的控制信號(hào)進(jìn)行組態(tài),為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸周期提供時(shí)序及控制信號(hào)(產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸使能信號(hào)DBEN*,總線(xiàn)完成數(shù)據(jù)傳輸所需的應(yīng)答信號(hào)DTACK*等)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),系統(tǒng)控制者首先對(duì)模塊進(jìn)行尋址,并將相應(yīng)的地址選通線(xiàn)AS*,數(shù)據(jù)選通線(xiàn)DS0*、DS1*以及控制數(shù)據(jù)傳輸方向的WRITE*信號(hào)線(xiàn)等設(shè)置為有效電平。當(dāng)模塊檢測(cè)到地址匹配及各控制線(xiàn)有效后,驅(qū)動(dòng)DTACK*為低電平,以此向總線(xiàn)控制者確認(rèn)已經(jīng)將數(shù)據(jù)放置在數(shù)據(jù)總線(xiàn)上(讀周期) 或已經(jīng)成功地接收到數(shù)據(jù)(寫(xiě)周期)。

  1.4 配置寄存器

  每個(gè)VXI總線(xiàn)器件都有一組“配置寄存器”,系統(tǒng)主控制器通過(guò)讀取這些寄存器的內(nèi)容來(lái)獲取VXI總線(xiàn)器件的一些基本配置信息,如器件類(lèi)型、型號(hào)、生產(chǎn)廠(chǎng)家、地址空間(A16、A24、A32)以及所要求的存儲(chǔ)空間等。

  VXI總線(xiàn)器件的基本配置寄存器有:識(shí)別寄存器、器件類(lèi)型寄存器、狀態(tài)寄存器、控制寄存器。

  該部分電路的設(shè)計(jì)采用MAX+PLUSⅡ的原理圖設(shè)計(jì)方式,利用74541芯片,其創(chuàng)建的功能模塊。

  ID、DT、ST寄存器都是只讀寄存器,控制寄存器為只寫(xiě)寄存器。本設(shè)計(jì)中,VXI總線(xiàn)主要用于控制這批開(kāi)關(guān)的通斷,所以,只要向通道寄存器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)就可以控制繼電器開(kāi)關(guān)的吸和或斷開(kāi)狀態(tài),查詢(xún)繼電器狀態(tài)也是從通道寄存器中讀取數(shù)據(jù)即可。根據(jù)模塊設(shè)計(jì)需要,在其相應(yīng)各數(shù)據(jù)位寫(xiě)入適當(dāng)?shù)膬?nèi)容,從而能夠?qū)δ苣K的射頻開(kāi)關(guān)進(jìn)行有效控制。2 模塊功能電路PCB板的設(shè)計(jì)

  每個(gè)VXI總線(xiàn)器件都有一組“配置寄存器”,系統(tǒng)主控制器通過(guò)讀取這些寄存器的內(nèi)容來(lái)獲取VXI總線(xiàn)器件的一些基本配置信息,如器件類(lèi)型、型號(hào)、生產(chǎn)廠(chǎng)家、地址空間(A16、A24、A32)以及所要求的存儲(chǔ)空間等。

  射頻電路的頻率范圍約為10kHz到300GHz。隨著頻率的增加,射頻電路表現(xiàn)出不同于低頻電路和直流電路的一些特性。因此,在設(shè)計(jì)射頻電路的PCB板時(shí)就需要特別注意射頻信號(hào)給PCB板所帶來(lái)的影響。本射頻開(kāi)關(guān)電路是由VXI總線(xiàn)控制的,在設(shè)計(jì)中為減少干擾,在總線(xiàn)接口電路部分與射頻開(kāi)關(guān)功能電路間采用排線(xiàn)連接,以下主要介紹射頻開(kāi)關(guān)功能電路部分PCB板的設(shè)計(jì)。

  2.1 元器件的布局

  電磁兼容性(EMC)是指電子系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境中按照設(shè)計(jì)要求能正常工作的能力。對(duì)于射頻電路PCB設(shè)計(jì)而言,電磁兼容性要求每個(gè)電路模塊盡量不產(chǎn)生電磁輻射,并且具有一定的抗電磁干擾能力。而元器件的布局直接影響到電路本身的干擾及抗干擾能力。也直接影響到所設(shè)計(jì)電路的性能。

  布局總的原則:元器件應(yīng)盡可能同一方向排列,通過(guò)選擇PCB進(jìn)入熔錫系統(tǒng)的方向來(lái)減少甚至避免焊接不良的現(xiàn)象;元器件間最少要有0.5mm的間距才能滿(mǎn)足元器件的熔錫要求,若PCB板的空間允許,元器件的間距應(yīng)盡可能寬。

  元器件的合理布局也是合理布線(xiàn)的一個(gè)前提,因此應(yīng)該綜合考慮。在本設(shè)計(jì)中,繼電器是用于轉(zhuǎn)換射頻信號(hào)的通道,故應(yīng)將繼電器盡量貼近信號(hào)輸入端與輸出端,以此來(lái)盡量減短射頻信號(hào)線(xiàn)的走線(xiàn)長(zhǎng)度,為下一步的合理布線(xiàn)做出考慮。

  此外,本射頻開(kāi)關(guān)電路是由VXI總線(xiàn)控制,射頻信號(hào)對(duì)VXI總線(xiàn)控制信號(hào)的影響也是布局時(shí)必須考慮的問(wèn)題。

  2.2 布線(xiàn)

  在基本完成元器件的布局后,就要開(kāi)始布線(xiàn),布線(xiàn)的基本原則為:在組裝密度許可情況下,盡量選用低密度布線(xiàn)設(shè)計(jì),并且信號(hào)走線(xiàn)盡量粗細(xì)一致,有利于阻抗匹配。

  對(duì)于射頻電路,信號(hào)線(xiàn)的走向、寬度、線(xiàn)間距的不合理設(shè)計(jì),可能造成信號(hào)傳輸線(xiàn)之間的交叉干擾;另外,系統(tǒng)電源自身還存在噪聲干擾,所以在設(shè)計(jì)射頻電路PCB時(shí)一定要綜合考慮,合理布線(xiàn)。

  布線(xiàn)時(shí),所有走線(xiàn)應(yīng)遠(yuǎn)離PCB板的邊框(2mm左右),以免PCB板制作時(shí)造成斷線(xiàn)或有斷線(xiàn)的隱患。電源線(xiàn)要盡可能寬,以減少環(huán)路電阻,同時(shí),使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,以提高抗干擾能力。所布信號(hào)線(xiàn)應(yīng)盡可能短,并盡量減少過(guò)孔數(shù)目;各元器件間的連線(xiàn)越短越好,以減少分布參數(shù)和相互間的電磁干擾;對(duì)于不相容的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)盡量相互遠(yuǎn)離,而且盡量避免平行走線(xiàn),而在正反兩面的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)相互垂直:布線(xiàn)時(shí)在需要拐角的地方應(yīng)以135度角為宜,避免拐直角。

  以上設(shè)計(jì)中,PCB板采用四層板,為減小射頻信號(hào)對(duì)VXI總線(xiàn)控制信號(hào)的影響,故將兩種信號(hào)走線(xiàn)分別放在中間兩層,且射頻信號(hào)線(xiàn)用接地過(guò)孔帶屏蔽。

  2.3 電源線(xiàn)和地線(xiàn)

  在射頻電路PCB設(shè)計(jì)中的布線(xiàn)需要特別強(qiáng)調(diào)的是電源線(xiàn)與地線(xiàn)的正確布線(xiàn)。電源和地線(xiàn)方式的合理選擇是儀器可靠工作的重要保證。射頻電路的PCB板上相當(dāng)多的干擾源是通過(guò)電源和地線(xiàn)產(chǎn)生的,其中地線(xiàn)引起的噪聲干擾最大。根據(jù)PCB板電流的大小,電源線(xiàn)、地線(xiàn)線(xiàn)條設(shè)計(jì)的要盡量粗而短,減少環(huán)路電阻。同時(shí)使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。在條件允許的情況下盡量采用多層板,四層板比雙面板噪聲低20dB,六層板又比四層板噪聲低10dB。

  在本文設(shè)計(jì)的四層PCB板中,頂層和底層兩層均設(shè)計(jì)為地線(xiàn)層。這樣無(wú)論中間層哪一層為電源層,電源層和地線(xiàn)層這兩個(gè)層彼此靠近的物理關(guān)系,形成了一個(gè)很大的去耦電容,減少了地線(xiàn)所帶來(lái)的干擾。

  地線(xiàn)層采用大面積鋪銅。大面積鋪銅主要有以下幾個(gè)作用:

 ?。?)EMC.對(duì)于大面積的地或電源鋪銅,會(huì)起到屏蔽作用。

  (2)PCB工藝要求。一般為了保證電鍍效果,或者層壓不變形,對(duì)于布線(xiàn)較少的PCB板層鋪銅。

 ?。?)信號(hào)完整性要求,給高頻數(shù)字信號(hào)一個(gè)完整的回流路徑,并減少直流網(wǎng)絡(luò)的布線(xiàn)。

 ?。?)散熱,特殊器件安裝要求鋪銅等等。

  3 結(jié)論

  VXI總線(xiàn)系統(tǒng)是一種在世界范圍內(nèi)完全開(kāi)放的、適用于多廠(chǎng)商的模塊化儀器總線(xiàn)系統(tǒng),是目前世界上最新的儀器總線(xiàn)系統(tǒng)。以上主要介紹了基于VXI總線(xiàn)的射頻開(kāi)關(guān)模塊的研制。介紹了總線(xiàn)接口的設(shè)計(jì)以及射頻開(kāi)關(guān)模塊功能電路部分PCB板的設(shè)計(jì)。射頻開(kāi)關(guān)VXI總線(xiàn)控制,增加了開(kāi)關(guān)操作的靈活性,使用方便。

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