基于DSP和CPLD的寬帶信號(hào)源的設(shè)計(jì)

【摘　要】　利用DSP和CPLD來設(shè)計(jì)寬帶信號(hào)源，將DSP軟件控制上的靈活性和CPLD硬件上的高速、高集成度和可編程性有機(jī)地結(jié)合起來，一方面使得信號(hào)源控制簡單、可靠，同時(shí)保證產(chǎn)生的信號(hào)高速、準(zhǔn)確。
　　關(guān)鍵詞：DSP，CPLD，寬帶信號(hào)源

1　引　言
　　信號(hào)源是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分。雷達(dá)系統(tǒng)常常要求信號(hào)源穩(wěn)定、可靠、易于實(shí)現(xiàn)、具有預(yù)失真功能，信號(hào)的產(chǎn)生及信號(hào)參數(shù)的改變簡單、靈活。本文采用DSP和CPLD來設(shè)計(jì)信號(hào)源的控制部分，一方面能利用DSP軟件控制的靈活性，另一方面又能利用CPLD硬件上的高速、高集成度和可編程性。使用這種方法可以充分利用軟件支持來生成和加載任意波形數(shù)據(jù)，并能方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)參數(shù)的控制和對(duì)波形數(shù)據(jù)的隨意修改，同時(shí)又能保證信號(hào)產(chǎn)生的高速、靈活可控。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　采用波形存儲(chǔ)直讀法，即通過對(duì)存儲(chǔ)的波形采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模變換，直接生成模擬信號(hào)的一種方法。圖1為信號(hào)源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本信號(hào)源可工作于聯(lián)機(jī)和脫機(jī)兩種方式。聯(lián)機(jī)工作時(shí)，波形數(shù)據(jù)從微機(jī)加載，由DSP控制，通過CPLD內(nèi)的數(shù)據(jù)通道寫入SRAM，經(jīng)回讀、校驗(yàn)后，從SRAM內(nèi)高速送入到數(shù)／模轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)。脫機(jī)工作時(shí)，波形數(shù)據(jù)可在系統(tǒng)上電時(shí)由EEPROM加載，EEPROM中可存放一組波形數(shù)據(jù)，也可存儲(chǔ)多組數(shù)據(jù)以方便應(yīng)用。
3　硬件實(shí)現(xiàn)
3．1　TMS320F206與EEPROM的接口設(shè)計(jì)
　　在實(shí)際系統(tǒng)中，DSP采用TI公司的TMS320F206芯片，EEPROM采用Microchip公司的24LC256 CMOS串行EEPROM（圖2）。TMS320F206屬于定點(diǎn)、靜態(tài)CMOS數(shù)字信號(hào)處理器。它采用先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有片內(nèi)外設(shè)、片內(nèi)存儲(chǔ)器及專用的運(yùn)算指令集，這些特點(diǎn)使得此器件使用靈活方便。24LC256工作電壓為2．5V～5．5V，容量為32K×8bit，為兩線串行接口總線，標(biāo)準(zhǔn)與I2CTM兼容。SCL為24LC256的時(shí)鐘輸入管腳，SDA為其串行地址／數(shù)據(jù)輸入／數(shù)據(jù)輸出管腳。24LC256提供讀順序地址內(nèi)容的操作方式，其內(nèi)部的地址指針在每次讀操作完成之后加1，此地址指針允許在一次讀操作期間，連續(xù)順序地讀出整個(gè)存儲(chǔ)器的內(nèi)容。其時(shí)序如圖3所示。

　　設(shè)計(jì)中將TMS320F206的通用I／O端口IO2模擬出SCL的時(shí)鐘，IO3負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)寫入和從24LC256讀出（TMS320F206與24LC256的接口如圖1所示）。脫機(jī)工作時(shí)，其流程如圖4。
3．2　CPLD設(shè)計(jì)
　　可編程邏輯器件采用XILINX公司的CPLD，型號(hào)為XC95288XL－6TQ144C。該器件為144－pin TQFP封裝，內(nèi)部有288個(gè)宏單元，最高工作時(shí)鐘為151MHz。XC95288XL內(nèi)部邏輯分為三部分：TMS320F206與微機(jī)接口的通信、高速地址計(jì)數(shù)、SRAM片選讀寫信號(hào)的產(chǎn)生。
3．2．1　TMS320F206經(jīng)過CPLD與微機(jī)接口的通信
　　TMS320F206與微機(jī)接口的通信采用并行接口協(xié)議（EPP），主要完成從微機(jī)加載數(shù)據(jù)到SRAM、將數(shù)據(jù)從SRAM回讀到微機(jī)，整個(gè)過程對(duì)于并行接口來說采用查詢方式，對(duì)于TMS320F206來說采用中斷方式。TMS320F206使用引腳接收由CPLD發(fā)出的中斷，通過設(shè)置TMS320F206片內(nèi)寄存器IRM與ICR，使TMS320F206響應(yīng)中斷而不響應(yīng)。其時(shí)序如圖5和6所示。

　　脫機(jī)工作狀態(tài)下，從并口加載數(shù)據(jù)時(shí)，微機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送到并口，并發(fā)出低脈沖，CPLD接收STB到后，置BUSY＝1，發(fā)出中斷信號(hào)，TMS320F206接收到中斷后，控制CPLD鎖存數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入SRAM，置BUSY＝0；從并口回讀數(shù)據(jù)時(shí)，微機(jī)設(shè)置并口為輸入狀態(tài)，然后發(fā)出AUTOFEEDXT低脈沖，CPLD接收到后，置＝1，發(fā)出中斷信號(hào)給TMS320F206，TMS320F206控制CPLD從SRAM讀取數(shù)據(jù)并送到并口，置＝0。
3．2．2　高速地址計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)
　　信號(hào)源中SRAM在產(chǎn)生雷達(dá)波形時(shí)工作在100MHz的高速時(shí)鐘下，這就要求設(shè)計(jì)的地址計(jì)數(shù)器也工作在100MHz的時(shí)鐘下。在同步計(jì)數(shù)器中，采用超前進(jìn)位（prescalar）技術(shù)來提高其性能，即將前端的、高速計(jì)數(shù)器的超前輸出作為后面的低速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)使能。實(shí)現(xiàn)時(shí)我們利用XILINX公司的EDA軟件中提供的高效宏單元CLBMAP優(yōu)化布線，從而使計(jì)數(shù)器內(nèi)部延時(shí)最小。圖7為計(jì)數(shù)器輸出Q0～Q6的仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，上述措施對(duì)于提高同步計(jì)數(shù)器的速度
非常有效。

3．2．3　SRAM片選讀寫信號(hào)的產(chǎn)生
　　波形存儲(chǔ)單元由兩片高速、低功耗，容量為128K×18bit的靜態(tài)雙口SRAM構(gòu)成。該器件支持單次讀寫、流水線讀寫、觸發(fā)式讀寫等多種方式，既可對(duì)同一地址單元的高低字節(jié)分別讀寫，也可同時(shí)操作。因此片選讀寫信號(hào)時(shí)序十分復(fù)雜。
　　本設(shè)計(jì)中SRAM片選讀寫信號(hào)直接由TMS320F206由數(shù)據(jù)線送入到CPLD，而不必由CPLD內(nèi)部經(jīng)過復(fù)雜的譯碼邏輯電路產(chǎn)生，由此可見DSP＋CPLD設(shè)計(jì)的簡單。由于高速讀出波形數(shù)據(jù)送入D／A是在高速時(shí)鐘（100MHz）下進(jìn)行，因此高速讀出時(shí)，片選讀信號(hào)一直有效。而在寫入時(shí)，由于會(huì)有較長時(shí)間不對(duì)SRAM進(jìn)行操作，為避免因時(shí)鐘信號(hào)線上的毛刺而寫入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，因此在寫入SRAM時(shí)，片選寫信號(hào)只在寫入的單個(gè)時(shí)鐘周期有效。

4　TMS320F206軟件設(shè)計(jì)
　　信號(hào)源有聯(lián)機(jī)和脫機(jī)兩種工作方式，PCB板上有一個(gè)模式選擇開關(guān)，TMS320F206通過I／O端口IO1檢測(cè)工作模式。TMS320F206控制程序首先使TMS320F206初始化，設(shè)置各個(gè)片內(nèi)寄存器。然后根據(jù)IO1的值決定從EEPROM加載還是從微機(jī)加載。程序流程略。
5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　用示波器對(duì)信號(hào)源所產(chǎn)生結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如圖8和圖9所示，圖8為產(chǎn)生的正弦波和鋸齒波波形，圖9為脫機(jī)模式下產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號(hào)的基帶波形，其時(shí)寬為25μs，基帶帶寬為37．5MHz，經(jīng)過4倍頻后，帶寬能達(dá)到300MHz。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用DSP＋CPLD來設(shè)計(jì)信號(hào)源的控制部分有很大的優(yōu)越性，系統(tǒng)靈活可調(diào)、性能穩(wěn)定，復(fù)雜的控制用軟件實(shí)現(xiàn)簡單，系統(tǒng)的高速特性也得到滿足。

1　李伯成等編．IBM PC微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1996