基于FPGA與ARM的遙測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡化采集 - 全文

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　　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)卡可以進行不丟包轉(zhuǎn)發(fā)，采用TCP包格式還可使設備小型化，便于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，因此有必要擴展設備的以太網(wǎng)功能。

　　1 整體模塊設計

　　1.1 系統(tǒng)設計

　　系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。其中，采編器或接收機解調(diào)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(diào)，得到時間信息。數(shù)據(jù)與時間一起存入SRAM乒乓緩沖區(qū)中，達到一定大小后，F(xiàn)PGA向ARM處理器發(fā)器中斷，ARM中運行的Linux系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)取走，進行TCP/IP打包，發(fā)送給接收計算機。

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　　在設備開始工作前，需要在計算機端進行參數(shù)設置，計算機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(wǎng)卡為100Mb/s。

　　1.2 硬件實現(xiàn)

　　PCB采用6層結(jié)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(xiàn)乒乓緩沖結(jié)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(xiàn)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(nèi)核為ARM920T，最高頻率為400 MHz，帶MMU支持操作系統(tǒng)。內(nèi)存采用2×32 MB的SDRAM，存儲采用128 MB 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作為一個存儲設備掛在ARM的存儲器總線上，如圖2所示。

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　　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(nèi)部采用讀/寫指針來模擬FIFO，用一個地址來讀取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，實現(xiàn)如圖3所示。

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　　2.1 幀同步模塊

　　幀同步器根據(jù)幀同步碼組的相關性和周期性，經(jīng)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。

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　　PCM數(shù)據(jù)按時鐘進行串/并轉(zhuǎn)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(wǎng)絡將相關運算結(jié)果按位相加統(tǒng)計結(jié)果中1的個數(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)開始時處于搜索態(tài)，符合相關器輸出，由搜索態(tài)轉(zhuǎn)入校核態(tài)。在預期檢測窗口內(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，進入鎖定態(tài)。為避免幀同步碼的漏檢，連續(xù)漏檢超過保護幀數(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時間序列碼是一種串行碼，共有3種碼元，如圖5所示。

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　　P碼元是位置碼元，連續(xù)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(diào)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。

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　　時鐘頻率為1 MHz，用計數(shù)器對輸入信號的脈寬進行計數(shù)。8 ms，5 ms，2 ms脈寬計數(shù)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(shù)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(shù)值時，分別輸出P碼，0碼，1碼信號。

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

　　3 FPGA驅(qū)動程序開發(fā)

　　在Linux中，所有的硬件設備都像常規(guī)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(qū)動由設備加載與卸載，以及文件操作file_operation結(jié)構體中成員函數(shù)組成。

　　3.1 加載與卸栽設備驅(qū)動

　　FPGA設備驅(qū)動程序初始化流程為動態(tài)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(jié)構體來表示FPGA，如下：

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　　當用戶程序讀FPGA設備時，數(shù)據(jù)還未準備好，此時驅(qū)動程序應該阻塞該進程，將其置入睡眠狀態(tài)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：

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

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　　3.2 文件接口操作

　　Linux為所有的設備文件都提供了統(tǒng)一的操作函數(shù)，F(xiàn)PGA設備驅(qū)動。file_operations包含打開函fpga_open、讀函數(shù)fpga_read、設置參數(shù)函數(shù)fpga_ioctl和關閉設備函數(shù)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(diào)用open函數(shù)與release函數(shù)，在open函數(shù)中，要對設備進行I/O內(nèi)存資源映射及中斷申請。

　　設備驅(qū)動程序中，需通過內(nèi)存管理單元MMU將設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：

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

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

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　　FPGA連接在ARM的EINT0上，isr_fpga為中斷處理函數(shù)指針。當關閉FPGA設備時，需釋放I/O內(nèi)存，釋放中斷：

　　3.2.2 驅(qū)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(shù)，部分設置命令如表1所示。

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　　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設置如下：

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

　　3.2.3 中斷函數(shù)及讀函數(shù)

　　當FPGA產(chǎn)生中斷時，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)動程序的緩沖區(qū)中：

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　　應用程序讀取數(shù)據(jù)時，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，當設備中暫時沒有數(shù)據(jù)時，讀進程應當被休眠：

　　flag為一個標志位，當flag被中斷函數(shù)設置為1時表示設備中有數(shù)據(jù)，此時讀進程可被換醒。

　　3.2.4 用戶程序及測試

　　設備驅(qū)動實現(xiàn)后，需編寫相應的用戶程序來進行測試驅(qū)動程序和實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)。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(shù)。移植Linux時配置好網(wǎng)卡的地址，然后使用Socket編程實現(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。

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　　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(jié)語

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