采用PCI9052及GP2010實現(xiàn)GPS信號采集

關(guān)鍵詞：PCI總線 GPS DMA

引言

全球定位系統(tǒng)GPS（Global Position System），可以給用戶提供實時的定位、速度和時間信息?，F(xiàn)在的GPS接收機大多采用硬件電路進(jìn)行碼相關(guān)運算，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更新升級比較困難；而基于軟件無線電的GPS接收機受電路限制較少，更新?lián)Q代只需調(diào)整相應(yīng)軟件，十分靈活。該數(shù)據(jù)采集卡就是基于以上考慮設(shè)計的。

1 PCI9052的特點與功能

PCI9052（以下簡稱9052）提供高性能的從目標(biāo)PCI接口板卡與PCI總線的連接，支持寬范圍速率的本地總線，最高可達(dá)132 MB/s的傳輸速率。對9052編程可實現(xiàn)復(fù)用/非復(fù)用的8位、16位、32位的本地總線接口。9052還有內(nèi)部FIFO可以加速本地總線的操作，此外它還有以下功能：

①支持PCI r2.1版本，可以方便地將ISA卡轉(zhuǎn)換為PCI卡；

②支持從目標(biāo)傳輸模式，可以對存儲器空間進(jìn)行突發(fā)讀/寫，對I/O空間單次訪問；

③2個本地中斷總線配置；

④可編程的本地總線配置；

⑤串行E2PROM配置；

⑥4個本地片選引腳，5個本地空間；

⑦多種本地讀/寫操作模式，方便地實現(xiàn)PCI與本地的接口。

圖1給出了9052內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2 GP2010射頻前端器件

GP2010（以下簡稱2010）是為GPS接收機設(shè)計的射頻前端器件，它接收GPS（L1）調(diào)制信號。L1是50位/Hz的信息碼速率經(jīng)過1.023MHz的偽隨機碼擴頻后以BPSK方式調(diào)制在1575.42MHz的載波上形成的擴頻信號。信號電平在進(jìn)入天線之前大約只有-130dB，帶寬為2.046MHz，所以L1基本上被噪聲所掩蓋。2010經(jīng)過內(nèi)部鎖相環(huán)頻率綜合器產(chǎn)生1.4GHz、140MHz、與31.11MHz的三級時鐘分別與射頻輸入的L1信號進(jìn)行混頻，其中還經(jīng)過3級濾波抑制帶外干擾，最后將其變換到4.309MHz的中頻，然后進(jìn)行5.714MHz的采樣實現(xiàn)A/D變換（2位量化，符號位SIGN和數(shù)據(jù)位MAG）。根據(jù)奈奎斯特定律對帶通信號要以高于兩倍的信號帶寬進(jìn)行采樣才可無失真的恢復(fù)，用5.714MHz的速率采樣也要考慮到信號傳播過程中由于相對運動而產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)使信號帶寬變寬的緣故。量化數(shù)據(jù)在每個時鐘的上升沿輸出。圖2給出2010的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖2 GP2010內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GPS信號數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)基本的一路GPS衛(wèi)星信號的采集工作。由于2010為2位、5.714MHz的采樣速率，我們在FPGA中首先將2位數(shù)據(jù)進(jìn)行串并變換，使其每滿32位后進(jìn)行一次傳輸存儲，這樣存儲速率就變?yōu)?57.12kHz。緩存選用4片18k16位的FIFO,這樣就可以省略地址產(chǎn)生邏輯。在程序設(shè)計中，采樣數(shù)據(jù)首先存入FIFO（A），待滿后會產(chǎn)生相應(yīng)的中斷，中斷服務(wù)程序?qū)⒆x取其中的數(shù)據(jù)。在讀過程中，采樣數(shù)據(jù)會繼續(xù)寫入FIFO（B），如此反復(fù)可將數(shù)據(jù)采入計算機內(nèi)存。選用緩存時，建議在可行的情況下，容量越大越好。因為PCI總線上，除了設(shè)計的采集卡在不斷地申請占用總線外，還會有其余的設(shè)備占用，如果緩存不夠大將會丟失采樣數(shù)據(jù)。FPGA的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)串行變換、控制采樣過程和與FIFO的接口邏輯。圖3是該數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)框圖。

4 9052使用中應(yīng)該注意的問題

9052內(nèi)部的配置寄存器是通過外部串行E2PROM上電加載的。9052會自動根據(jù)該E2PROM的狀態(tài)來決定其內(nèi)部寄存器的值。如果E2PROM不存在（此時E2PROM和9052連接的數(shù)據(jù)引腳應(yīng)加上拉電阻）或其內(nèi)部無有效值，9052會將其內(nèi)部寄存器配置為缺省值。值得一提的是，如果E2PROM內(nèi)部沒有燒寫為有效值時，應(yīng)保證其開始48位為全“1”；否則，系統(tǒng)上電時可能會產(chǎn)生錯誤。

9052有5個本地空間，用戶可根據(jù)實際需要進(jìn)行相應(yīng)的配置。當(dāng)將本地空間配置成I/O時，對該空間的讀/寫操作只能單次進(jìn)行。利用PLXMon來開發(fā)驅(qū)動程序（調(diào)用其提供的API函數(shù)）進(jìn)行I/O讀/寫，速度會十分慢（一般不會超過500kHz）；而如配置成存儲器空間，用戶會有多種接入模式，可大大提高接入速度。突發(fā)模式是為提高本地總線操作速度而設(shè)計的。在該模式期間，9052只提供一次傳輸開始和終止信號。開始信號有效后，地址將以本地時鐘的頻率（最高可達(dá)40MHz）遞增，可以利用Bterm#引腳是否有效來終止突發(fā)操作。由于FIFO只需要一個口地址，在設(shè)計中為了利用其快速的存儲器訪問（突發(fā)訪問）特性，我們還是為其分配了36KB的地址空間，以保證在該范圍內(nèi)FIFO的片選始終有效。圖4是一次突發(fā)讀時序。其中LCLK是本地時鐘，ADS有效表示一次傳輸?shù)拈_始，BLAST有效表示本次傳輸?shù)慕K止。

在此須澄清一個概念：Pentium系列計算機（指CPU），不支持突發(fā)讀操作，只可能產(chǎn)生單次讀操作。用戶若想在PCI總線上實現(xiàn)突發(fā)操作（FRAME信號有效，多余一個PCI時鐘周期），應(yīng)使用支持DMA傳輸?shù)男酒?，如PLX9054。但9052會將PCI總線上的多次單次讀操作轉(zhuǎn)化為本地空間上的突發(fā)操作。

5 PLXMon及PLX器件驅(qū)動程序的開發(fā)

PLXMon是PLX公司專為其產(chǎn)品開發(fā)的測試軟件。在用戶的板卡插入PCI槽，并安裝了PLXMon提供的驅(qū)動程序后，啟動該軟件就可以觀察和修改芯片內(nèi)部寄存器的值，并可以對存儲器空間進(jìn)行測試。

Windows下的驅(qū)動程序包括硬件物理設(shè)備的驅(qū)動程序和文件系統(tǒng)等非物理設(shè)備的虛擬設(shè)備驅(qū)動程序，我們所編寫的是硬件物理設(shè)備的驅(qū)動程序。Windows類操作系統(tǒng)（Windows 95、Windows 98、WindowsNT、Windows 2000）為了保證其安全性、穩(wěn)定性和可移植性，對應(yīng)用程序訪問硬件資源加以限制，用戶需要對系統(tǒng)硬件及操作系統(tǒng)軟件有詳細(xì)的了解才可開發(fā)出高效的驅(qū)動程序，因此開發(fā)周期較長。利用第三方提供的開發(fā)軟件，可以大大縮短開發(fā)時間，但效率不一定高，尤其對實時性要求嚴(yán)格的程序顯得有些無力。

①Device Developer Kit(DDK)。該軟件中包括了有關(guān)設(shè)備驅(qū)動開發(fā)的文檔、編譯需要的頭文件和庫文件、調(diào)試工具和程序范例；但是由于DDK主要是使用匯編語言進(jìn)行描述，開發(fā)起來比較困難。

②VtoolsD。該軟件包是基于C/C++的，支持BorlandC++和VisualC++，使用和維護比較方便。

③WinDriver。允許用戶使用Visual C++、Borland或者其它Win32編程工具軟件在用戶模式（UserMode）上編寫設(shè)備驅(qū)動程序。

④PLXMon。PLX公司專為其芯片提供的驅(qū)動程序開發(fā)包和測試軟件，同樣可以在用戶模式上編寫。支持Visual C++環(huán)境。

圖4 突發(fā)讀時序

在開發(fā)程序時，我們發(fā)現(xiàn)PLXMon和WinDriver不兼容，而且除非有正式版本的WinDriver；否則試用期過后，利用它開發(fā)的驅(qū)動程序?qū)o法使用。所以建立使用PLXMon，只需包括相應(yīng)的頭文件，用戶便可以方便地調(diào)用其提供的API函數(shù)，對板卡上的資源進(jìn)行訪問。以下的程序片段是在調(diào)試電路板時編寫的基本查詢中斷是否有效來讀取緩存的。所調(diào)用的函數(shù)均為PLXMon提供的API函數(shù)。其中：PlxPciBaseAddressesGet（）是得到板卡上存儲空間的物理地址，而*（Data+i）=*(U32*)(va.Va3)是將該空間的值裝入計算機內(nèi)存。

圖5是驅(qū)動程序流程圖。

程序段如下：

Example:

rc_w=PlxPciBaseAddressesGet(hDevice,va)；

while(TRUE){

Int_Flag=*(U32*)(va.Va0+0x4c);

if(Int_Flag[0]4) {

for(i=0;iFIFO_Size;i++)

*(Sample_Data+i)=*(U32*)(va.Va3);

*(U32*)(va.Va0+0x4c)=Clear_Flag;

break；

}

}

結(jié)語

由于PCI總線的高速特性，使其被廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有效地解決了實時采集、實時傳輸和實時存儲等問題。而PCI總線控制器專用芯片的出現(xiàn)則縮短了PCI總線硬件設(shè)備的開發(fā)周期，使得硬件設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性都有了較大的提高。在開過程中，我們發(fā)現(xiàn)要想有高效率的操作特性，使用第三方提供的驅(qū)動程序開發(fā)包總是不太理想，尤其對于高速采樣及實時嚴(yán)格的系統(tǒng)。用戶還是要利用DDK開發(fā)符合自己要求的驅(qū)動程序。該數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)了一路GPS信號的采集工作，為今后利用通用PC機進(jìn)行數(shù)字信號的捕獲、跟蹤及解調(diào)，初步實現(xiàn)軟件無線電GPS接收機打下基礎(chǔ)。