摘要：現有的遙測接收機為PCI接口，需安裝在工控機上使用，為實現設備小型化、便攜化，設計實現了小型網絡接口遙測解調模塊，可配合帶有網口的計算機使用。采用FPGA進行遙測數據的幀同步與IRIG—B時碼解調，將接收到的遙測數據添加時碼后發送給ARM處理器中的Linux系統，并編寫Linux 2．6下的FPGA驅動程序，實現FPGA數據的讀取，然后通過網卡以TCP／IP格式發給主機，主機實現數據存儲與顯示。
關鍵詞：FPGA；幀同步；ARM；遙測數據；網絡化；Linux

    以太網接口通信速度快，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的網卡可以進行不丟包轉發，采用TCP包格式還可使設備小型化，便于數據的轉發，因此有必要擴展設備的以太網功能。

1 整體模塊設計
1．1 系統設計
    系統設計框圖如圖1所示。其中，采編器或接收機解調輸出的PCM信號及時鐘輸入到FPGA中進行幀同步，IRIG—B碼信息也送到FPGA中進行解調，得到時間信息。數據與時間一起存入SRAM乒乓緩沖區中，達到一定大小后，FPGA向ARM處理器發器中斷，ARM中運行的Linux系統，將數據取走，進行TCP／IP打包，發送給接收計算機。

    在設備開始工作前，需要在計算機端進行參數設置，計算機TCP／IP包將參數發送給ARM處理器，由ARM處理器轉發給FPGA。幀同步器的設計中，碼速率為100b／s～10Mb／s，幀長為4～4 096Word，幀同步碼組為4～32，ARM網卡為100Mb／s。
1．2 硬件實現
    PCB采用6層結構，相鄰布線層，水平垂直交叉，電路層與電源層單獨分開，提供良好的電磁兼容特性。
1．2．1 FPGA
    FPGA選擇EP1C12，為實現乒乓緩沖結構，采用SRAM為IS61LV25616。輸入信號使用SMA線纜連接，在傳輸過程中會引入衰減，信號輸入輸出易出現阻抗不匹配的情況，選用AD8556構成射隨器，對輸入信號進行匹配，同時也增大模擬源的輸出能力。
1．2．2 ARM
    在此采用S3C2440，內核為ARM920T，最高頻率為400 MHz，帶MMU支持操作系統。內存采用2×32 MB的SDRAM，存儲采用128 MB NAND FLASH，網卡采用DM9000A。
1．2．3 ARM與FPGA的接口連接
    這里采用總線接口，將FPGA作為一個存儲設備掛在ARM的存儲器總線上，如圖2所示。

    FPGA在ARM中起始地址為0x18000000，以4 B對齊，占用0x80個地址，地址范圍為0x18000000～Ox1800007C，中斷為EINT0。
    在FPGA內部采用讀／寫指針來模擬FIFO，用一個地址來讀取FPGA數據，其余地址用于配置幀同步器與模擬源的參數。

2 幀同步與B碼解調
    FPGA完成PCM數據的幀同步和解調B碼，寫入到乒乓SRAM緩沖區中，實現如圖3所示。

2．1 幀同步模塊
    幀同步器根據幀同步碼組的相關性和周期性，經過相關運算將同步碼從PCM串行流中識別出來，原理框圖如圖4所示。

    PCM數據按時鐘進行串／并轉換，與本地幀同步碼進行同或運算后再與上屏蔽位，由全加網絡將相關運算結果按位相加統計結果中1的個數，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，使幀同步器穩定可靠工作，采用搜索、校核、鎖定三態邏輯。
    系統開始時處于搜索態，符合相關器輸出，由搜索態轉入校核態。在預期檢測窗口內沒有幀碼，從校核返回到搜索態。連續通過校核數α，進入鎖定態。為避免幀同步碼的漏檢，連續漏檢超過保護幀數β，幀同步才返回搜索態，否則保持在鎖定態，幀脈沖由本地產生。
2．2 IRIG—B碼解調
    IRIG時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2個P碼為一幀的開始，第1個P碼元定義為P0，第2個P碼元為秒脈沖pps，上升沿為該秒的準時刻，時間信息以BCD碼依次分布在其后的碼元中。解調時先進行pps的提取，再進行秒、分、時、天的信息提取，其流程如圖6所示。

    時鐘頻率為1 MHz，用計數器對輸入信號的脈寬進行計數。8 ms，5 ms，2 ms脈寬計數為8 000，5 000，2 000。輸入B碼的脈寬會混有干擾，晶振時鐘也存在一定的誤差，計數器的計時判別應浮動一個范圍，設置門限為脈寬的85％～115％，當滿足一定范圍的數值時，分別輸出P碼，0碼，1碼信號。
    FPGA中的時碼產生“天：時：分：秒：毫秒：微秒”信息。解調出B碼時，FPGA更新內部時間，B碼中不含毫秒與微秒信息，由FPGA根據秒脈沖信息的準時刻來生成。

3 FPGA驅動程序開發
    在Linux中，所有的硬件設備都像常規文件一樣進行打開、關閉和讀／寫。把FPGA當作字符設備進行設計，驅動由設備加載與卸載，以及文件操作file_operation結構體中成員函數組成。
3．1 加載與卸栽設備驅動
    FPGA設備驅動程序初始化流程為動態獲得主設備號、字符設備注冊和申請中斷；卸載流程為注銷設備，釋放設備編號。
    定義一個設備結構體來表示FPGA，如下：   

    當用戶程序讀FPGA設備時，數據還未準備好，此時驅動程序應該阻塞該進程，將其置入睡眠狀態直到條件滿足。此時需要初始化一個等待隊列頭，對讀進程的休眠和喚醒時使用：
   
    在卸載函數中，刪除一個cdev，完成字符設備的注銷，然后釋放設備編號：
   
3．2 文件接口操作
    Linux為所有的設備文件都提供了統一的操作函數，FPGA設備驅動。file_operations包含打開函fpga_open、讀函數fpga_read、設置參數函數fpga_ioctl和關閉設備函數fpga_release。
3．2．1 打開與關閉FPGA設備
    在打開設備與關閉設備時會調用open函數與release函數，在open函數中，要對設備進行I／O內存資源映射及中斷申請。
    設備驅動程序中，需通過內存管理單元MMU將設備的虛擬地址映射到物理地址。根據FPGA在S3C2440中的物理地址，定義如下宏：
   
    使用ioremap()對FPGA的I／O內存資源進行映射，把物理內存地址映射為一個內核指針：

    數據交換采用中斷，需先設置硬件中斷方式，然后向系統注冊中斷函數，實現如下：

    FPGA連接在ARM的EINT0上，isr_fpga為中斷處理函數指針。當關閉FPGA設備時，需釋放I／O內存，釋放中斷：
   
3．2．2 驅動程序控制接口Ioctl
    Ioctl用來設置FPGA中幀同步器和模擬源的參數，部分設置命令如表1所示。

    在此，采用統一的命令碼方式，包含幻數、序數、傳輸方向、數據長度，使用宏_IO()，_IOR()，_IOW()和IOWR()輔助生成，如命令0設置如下：
   
    在Ioctl中，采用switeh(cmd)來實現對FPGA參數的設置及FPGA狀態的讀取。
3．2．3 中斷函數及讀函數
    當FPGA產生中斷時，根據緩沖區的大小，中斷函數循環對FPGA映射后的地址讀取數據。ARM與FPGA接口為16位，使用inw讀取，數據存放在驅動程序的緩沖區中：
   
    應用程序讀取數據時，調用read函數，參數buffer為用戶空間緩沖區的指針，利用copy_to_user函數將數據從內核空間拷貝到用戶空間，當設備中暫時沒有數據時，讀進程應當被休眠：
    
    flag為一個標志位，當flag被中斷函數設置為1時表示設備中有數據，此時讀進程可被換醒。
3．2．4 用戶程序及測試
    設備驅動實現后，需編寫相應的用戶程序來進行測試驅動程序和實現數據的網絡轉發。在用戶程序中，讀／寫FPGA設備使用與普通文件一樣的操作函數。移植Linux時配置好網卡的地址，然后使用Socket編程實現數據的TCP／IP轉發，用遙測軟件接收到的數據測試如圖7所示。

    通過測試可以看到，同步碼FDB18450被正確識別，IRIG-B解碼為當前時間。

4 結語
    在此，基于FPGA與ARM進行遙測數據的幀同步遙測數據的網絡轉發，充分地利用了FPGA與ARM各自的特點，它可使FPGA+ARM在數據接收處理中得到廣泛應用。