基于SOPC的簡易誤碼率測試儀設(shè)計(jì)技術(shù)
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本設(shè)計(jì)主要用于石油勘探儀器車與外部設(shè)備連接電纜的通信可靠性測試。誤碼率測試儀主要由測試信號(hào)發(fā)生模塊、收發(fā)模塊、誤碼統(tǒng)計(jì)模塊以及鍵盤和液晶顯示模塊等部分組成。通過對測量參數(shù)的設(shè)置，該設(shè)備可以對通信線路進(jìn)行不同速率、不同碼元的誤碼率閉環(huán)測量，并通過圖形點(diǎn)陣顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以供評(píng)估使用。
常見的誤碼率測試儀多數(shù)專用于測試各種標(biāo)準(zhǔn)高速信道，不便于測試實(shí)際應(yīng)用中大量的專用信道，并且價(jià)格高，搭建測試平臺(tái)復(fù)雜。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，F(xiàn)PGA在保持其集成度高、體積小、功耗低、性價(jià)比高等特點(diǎn)的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)越來越復(fù)雜的功能，廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EPlCl2，內(nèi)嵌Nios II軟核CPU，并利用SOPC技術(shù)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，在保證具有良好性能的同時(shí)，更有利于后期的優(yōu)化和升級(jí)。接口采用ECL(電流開關(guān)型邏輯電路)電平，可以直接鏈接測試電纜，方便現(xiàn)場測試。
1 SOPC和Nios II概述
SOPC(System On Programmable Chip，可編程片上系統(tǒng))是基于大規(guī)模FPGA的單片系統(tǒng)，是美國Altera公司于2000年提出的(同時(shí)推出了相應(yīng)的開發(fā)軟件QuartusII)。SOPC的設(shè)計(jì)技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、EDA技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物。SOPCBuilder是Altera公司為硬件設(shè)計(jì)人員開發(fā)的一套系統(tǒng)級(jí)硬件設(shè)計(jì)工具，通過它可以方便地創(chuàng)建Nios II CPU系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，從而為設(shè)計(jì)人員提供SOPC設(shè)計(jì)必需的軟硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)。
Nios II嵌入式處理器是FPGA生產(chǎn)廠商Altera公司推出的軟核CPU，是一種面向用戶的、可以靈活定制的通用精簡指令集架構(gòu)(RISC)32位高性能嵌入式CPU。NiosII以軟核的方式提供給用戶，并專門為在Altera的FPGA上實(shí)現(xiàn)做了優(yōu)化，用于SOPC集成，最后在FPGA上實(shí)現(xiàn)。Nios II IDE是SOPC系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境，在Nios II IDE中可以進(jìn)行軟件的編寫、下載和調(diào)試等工作。
2 誤碼率測試儀功能概述
誤碼率測試儀分別設(shè)有2個(gè)通信測試端口――輸出端口和輸入端口，分別連接到待測試電纜的兩端，構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸回路。FPGA內(nèi)部有一個(gè)Nios II軟核CPU，負(fù)責(zé)初始化和管理該系統(tǒng)；用VHDL語言編寫了收發(fā)芯片AM7968和AM7969的控制器接口模塊，完成測試碼發(fā)送、接收、誤碼率統(tǒng)計(jì)的任務(wù)；系統(tǒng)還設(shè)有4×4的矩陣掃描鍵盤和128×64分辨率的0LED圖像點(diǎn)陣顯示屏作為人機(jī)接口，如圖1所示。
用戶通過矩陣鍵盤輸入并設(shè)置測試代碼、通信速率以及測量模式(定時(shí)測量、定量測量)。確認(rèn)開始測量后，Nios配置AM7968和AM7969，并通過AM7968發(fā)送測試代碼，經(jīng)待測試電纜及AM7969接收到數(shù)據(jù)后，將接收的代碼與原始數(shù)據(jù)比較。如果發(fā)現(xiàn)不等，即認(rèn)為是誤碼，統(tǒng)計(jì)誤碼個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)器加1。當(dāng)測量停止時(shí)，0LED顯示屏輸出誤碼率數(shù)值及其他測量信息。
3 硬件設(shè)計(jì)
3. 1 收發(fā)模塊設(shè)計(jì)
誤碼率測試儀的收發(fā)芯片采用的是美國AMD公司的AM7968和AM7969。
AM7968發(fā)送端芯片和AM7969接收端芯片提供通過同軸電纜或者光線傳輸?shù)囊话阃ㄓ媒涌?，通信速率?0～175 Mbps的范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)。AM7968／AM7969為并行TTL總線接口，一共有12位的數(shù)據(jù)和控制總線，可以靈活配置成8～10位數(shù)據(jù)總線，對應(yīng)4～2位控制總線的接口形式。
(1)發(fā)送端設(shè)計(jì)
如圖2所示，芯片AM7968是信號(hào)的發(fā)送端。根據(jù)功能設(shè)置，測試代碼的發(fā)送模式有固定代碼模式、循環(huán)碼模式和自定義代碼模式3種。故設(shè)置控制寄存器(mode_reg)位寬為2：OO為初始狀態(tài)，系統(tǒng)位于初始化狀態(tài)；01為固定代碼模式，發(fā)送系統(tǒng)預(yù)設(shè)的代碼；lO為循環(huán)代碼模式，測試代碼從00h～FFh連續(xù)循環(huán)發(fā)送；11為自定義代碼模式，發(fā)送用戶自定義的代碼。
發(fā)送頻率的設(shè)置，是通過AM7968的輸入時(shí)鐘(50MHz)直接分頻實(shí)現(xiàn)的。在AM7968的控制器中，設(shè)有時(shí)鐘分頻寄存器(clk_div_reg)。該寄存器位寬為8。也就是說，用戶可以在40～175 Mbps范圍之內(nèi)，設(shè)定256種不同頻率，進(jìn)行誤碼率的測試工作，盡可能地滿足用戶的測試頻率要求。
評(píng)論