??? 摘? 要: 闡述了基于VXI總線的任意數字信號發生器的特點及基本原理,用FPGA器件實現了VXI總線寄存器基接口電路,提出了用AHDL語言設計可編程分頻器的方法,并具體分析了信號輸出的電路原理和工作過程。實踐證明系統原理和硬件設計是成功的。?
??? 關鍵詞: VXI總線? FPGA器件? 接口電路? 數字信號發生器? AHDL
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??? VXI總線測試平臺是儀器測量領域的前沿技術,可以靈活地組建自動測試系統,其模塊化、靈活性強、即插即用、數據吞吐能力強的特點使VXI總線測試平臺的應用越來越廣泛。?
??? 在自動控制、智能檢測、數字系統故障診斷領域,經常需要非周期性地產生任意編碼的數字序列,作為激勵信號源。基于VXI總線的任意數字信號發生器,是一個B尺寸、單槽、A16/D16、寄存器基模塊,它能夠產生任意編碼的數字信號,8路數字信號均可獨立地任意編輯,輸出信號最小脈寬為25ns。采用Altera公司的FLEX系列的FPGA,可實現寄存器基接口電路和部分功能電路。用LabWindows/CVI軟件設計了虛擬儀器軟面板,界面友好,操作方便。?
1 系統組成及工作原理?
??? 數字信號發生器采用VXI總線測試平臺,有8路獨立的輸出信號,均可預先存儲在容量為64K的靜態存儲器中,可以獨立地編輯各路輸出信號;時鐘頻率最高可達40MHz;輸出信號支持高電平、低電平和高阻態三種狀態;輸出電平兼容COMS/TTL電平;輸出信號擺率不超過±5ns;采用可編程分頻器,實現對時鐘的任意分頻;輸出電平脈沖寬度可編程調節。系統的組成框圖如圖1所示。?
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??? 在PC機上將編輯好的8路波形數據文件和1路三態控制數據文件分別裝載到64K×8的靜態存儲器和64K×4的靜態存儲器中。波形文件的裝載是通過VXI總線的地址譯碼選擇A1～A5中某一配置寄存器的地址,再結合寫操作來完成的。由于VXI總線每進行一次寫操作,都會產生一個低電平有效的脈沖信號LATCH*,LATCH*信號將8路信號的8位編碼波形數據和1位三態控制數據存入寄存器,同時LATCH*信號將16位地址計數器的地址加1,當進行下一個寫操作時,完成下8位編碼波形數據和三態控制數據的裝載,如此反復,直至所有的波形數據裝載完畢。波形數據文件的裝載在LabWindows/CVI所開發的驅動程序作用下工作,當系統加電或軟件復位時,16位地址計數器的初始地址置為0000H,在16位地址計數器的作用下,能夠實現0000H～FFFFH或任一指定地址范圍的數據加載。?
??? 當驅動程序輸出波形文件時,指定某一起始地址作為16位的地址計數器的初始值。當發出允許輸出信號時,由可編程分頻器所分頻的時鐘信號同時加到16位地址計數器、輸出觸發器74ACT11825以及D觸發器SN74ACT74上,在時鐘信號的作用下,16位地址計數器開始計數,輸出的16位地址作用在靜態存儲器上。靜態存儲器采用的是CYPRESS公司的CY74194芯片,從地址有效到數據輸出的最小延遲時間為12ns,存儲器輸出的8路波形數據DAIN[7..0]和1路三態控制信號CIN作用在輸出芯片74ACT11825上,如圖2所示。當三態控制存儲器輸出的信號為低電平時,74ACT11825的時鐘允許信號線有效,輸出的波形數據為靜態存儲器中選通的波形數據;當三態控制存儲器輸出的信號為高電平時,則74ACT11825的時鐘允許信號線無效,此時的高電平信號經過SN74ACT74觸發器的輸出端,作用在74ACT11825的輸出使能端上,使輸出信號為高阻態。?
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2 任意可編程分頻器的實現?
??? 任意可編程分頻器是用來實現對40MHz時鐘信號的任意分頻,它實現的分頻值由輸入的初始值d[WIDTH-1..0]所決定。這里取WIDTH=10,則能實現2~1024的分頻。也可以根據電路的不同要求,選擇不同的WIDTH值,實現不同的分頻。由于采用ALTERA公司的可編程器件,用AHDL硬件語言描述的分頻器代碼如下:?
??? PARAMETERS?
??? (? WIDTH = 4?? ); --定義數據寬度,來確定分頻值?
??? INCLUDE ″lpm_counter″;?? --MAX PLUSⅡ自帶的函數?
??? INCLUDE ″lpm_compare″;? --MAX PLUSⅡ自帶的函數?
??? SUBDESIGN var_div1?
??? ( SysClk???? : INPUT; --被分頻的時鐘,這里為40MHz?
??? ? cnt_en???? : INPUT=VCC;? --分頻允許,這里用作波形輸出的使能信號?
??? ? sclr?????? : INPUT=GND;? --清零信號,使輸出時鐘清零,這里用作波形輸出結束信號?
??? d[WIDTH-1..0]? : INPUT;? ? --定義分頻值?
??? EVEN???????? ?? : OUTPUT;? --輸出已被分頻的時鐘信號?
??? q[WIDTH-1..0]??? : OUTPUT;? )?
??? VARIABLE?
??? ? counter??????? ?? :LPM_COUNTER WITH (LPM_WIDTH=WIDTH);?
??? ? max_cnt???????? : NODE;?
??? ? Dlitch???????? ?? : DFF;?
??? BEGIN?
????? max_cnt = LPM_COMPARE(d[]-1, counter.q[], , ,)--所計脈沖數與初始設定值相等時,產生的高電平信號?
??????????? WITH (LPM_WIDTH = WIDTH)?
?? ???????? RETURNS (.aeb);?
????? counter.clock? ?? = SysClk;?
??? ? counter.cnt_en ?? = cnt_en;?
??? ? counter.sclr?? ?? = (max_cnt AND cnt_en) OR sclr;?
??? ? Dlitch??? = max_cnt AND cnt_en;?
??? ? Dlitch.clk = SysClk;?
??? ? EVEN???? = Dlitch; ?????? --輸出產生的高電平信號?
??? ? q[] = counter.q[];?
??? END;?
??? 在MAX PLUSⅡ軟件中進行仿真,設定DATA[7..0]的值為5,即為5分頻,輸出波形EVEN如圖3所示。?
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3 VXI總線接口設計?
??? 采用Altera公司的FLEX系列的EPF10K20RC208-3的FPGA實現寄存器基接口芯片。由于該器件集成度高,可方便地改變邏輯,而且對邏輯設計可事先進行功能模擬和定時模擬,因而使得接口設計更輕松,調試更方便。接口電路實現了如下功能:①內部集成了VXI總線所需的寄存器,由地址信號A1~A5為各個寄存器譯碼分配地址,寄存器類型分別為ID寄存器、儀器類型寄存器、狀態/控制寄存器、控制寄存器。②數據總線驅動器,其功能為將P1連接器上的16位數據線D0~D15送至模塊內部數據總線DB0~DB15或反之。可用兩個8位三態雙向緩沖器組成。用READ控制數據傳遞方向,用 DBEN*選通。③總線握手控制,其功能為利用P1連接器上的信號控制 DS1*、DS0*、WRITE*和地址線譯碼輸出地址選通信號共同產生DBEN*、LATCH*和 DTACK*信號,LATCH*可用來參與選通模塊內需要寫數據的寄存器。DTACK*信號輸出到P1連接器上,使 VXI總線系統能正常工作并按規定時序讀/寫數據。DBEN*用來控制模塊內地址及數據的有效周期。這部分電路在MAX PLUSⅡ中,分別用AHDL硬件描述語言和原理圖方式進行描述。用AHDL硬件描述語言實現讀狀態機、寫狀態機和中斷狀態機,產生的DBEN*、 LATCH*、DTACAK*信號應符合VXI總線系統中數據讀/寫的時序規范。④譯碼16位VXI總線地址,具有16位數據線的傳送能力,采用LabWindows/CVI軟件,實現對某一地址的讀寫操作,完成波形數據文件的加載、控制波形文件的輸出、停止輸出等操作。?
參考文獻?
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2 李春志,劉君華. VXI總線的接口芯片及其應用. 電子技術應用, 2001;27(9):77~80?
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4 IEEE Standard for VMEbus Extensions for Instrumentation:?VXIbus. IEEE. 1996: 1155~1992?
5 劉篤仁,楊萬海. 用HDPLD實現多bit任意編碼波形發生器.西安電子科技大學學報,2000(3)?
6 童子權,任麗軍,馬懷儉.任意波發生器VXI模塊的設計.哈爾濱理工大學學報,2000(4)