一種CPCI總線結(jié)構(gòu)微波接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案

　　0 引言

　　微波接收機(jī)是一種重要的無線通信設(shè)備，隨著車載、機(jī)載、艦載等移動環(huán)境下的應(yīng)用需求的產(chǎn)生，微波接收機(jī)的小型化、模塊化、通用化是當(dāng)前必須解決的問題。

　　Compact PCI 簡稱CPCI,是目前科研和軍工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一種工業(yè)計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)。CPCI 結(jié)合了PCI 總線的電氣、軟件標(biāo)準(zhǔn)和歐式卡的工業(yè)組裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，與PCI 規(guī)范完全兼容；定義了32 位數(shù)據(jù)總線 （ 可擴(kuò)展到64 位），最高工作頻率為 33MHz ;能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的即插即用；系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，適應(yīng)各種運(yùn)輸、使用環(huán)境。

　　結(jié)合CPCI 總線技術(shù)的微波接收機(jī)性能優(yōu)良，可以滿足智能交通、航空航天等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

　　1 系統(tǒng)原理

　　本接收機(jī)系統(tǒng)以FPGA 和單片機(jī)為中心控制單元，實(shí)現(xiàn)CPCI 總線結(jié)構(gòu)下微波信號的接收、濾波、變頻、增益控制等功能。系統(tǒng)主要由微波接收機(jī)、PCI9054、FPGA（EP1C6Q240C8）和單片機(jī)（Atmega8L）組成，系統(tǒng)組成如圖1 所示。

　　CPCI 總線信號經(jīng)高傳輸速率的PCI 橋芯片PCI9054 轉(zhuǎn)換為LOCAL Bus 信號，通過Verilog HDL 語言編程產(chǎn)生對FPGA 的控制信號，完成數(shù)據(jù)的快速讀寫，同時(shí)在外部采用EEPROM 進(jìn)行高速數(shù)據(jù)的緩沖，從而實(shí)現(xiàn)與FPGA 與CPCI 總線的高速數(shù)據(jù)通信。在控制信號作用下，F(xiàn)PGA 實(shí)時(shí)接收LOCALBus 信號，并進(jìn)行運(yùn)算處理，對接收機(jī)增益進(jìn)行控制；對系統(tǒng)鎖相環(huán)的控制指令、數(shù)據(jù)則通過串口發(fā)送給單片機(jī)，F(xiàn)PGA 和單片機(jī)共同完成對接收機(jī)系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)供電由CPCI 機(jī)箱內(nèi)5V、12V 開關(guān)電源提供。

　　2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)CPCI 總線規(guī)范及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求，CPCI 總線結(jié)構(gòu)微波接收機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要解決總線接口轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)以及電磁兼容設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。

　　2.1 總線接口轉(zhuǎn)換

　　2.1.1 CPCI Bus 到LOCAL Bus 的接口設(shè)計(jì)

　　CPCI 總線信號到LOCAL 總線信號的轉(zhuǎn)換是基于PCI9054芯片實(shí)現(xiàn)的。PCI9054 是PLX 公司生產(chǎn)的一款基于PCI2.2總線規(guī)范的通用接口芯片，是32 位、33MHZ的PCI總線主I/O 加速器，突發(fā)傳輸速度可達(dá)132MB/s.有M、J、C 三種工作模式，本設(shè)計(jì)中選用數(shù)據(jù)線與地址線獨(dú)立使用的C 模式。

　　PCI9054 支持主控、目標(biāo)、DMA（ 直接存儲器訪問）3 種局部總線傳輸方式，這里采用了目標(biāo)傳輸方式和高傳輸速率的DMA傳輸方式，即PCI9054 既是PCI 總線的目標(biāo)，同時(shí)又是LOCAL總線的主控者。

　　PCI9054 提供了3 種物理總線接口：CPCI 總線接口、LOCAL 總線接口和串行EEPROM 接口，其中需要用戶設(shè)計(jì)的是LOCAL 總線接口。其接口信號見圖2.

　　PCI9054 對本地設(shè)備的訪問有單周期訪問和突發(fā)方式訪問2 種訪問方式，單周期訪問可采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)對LOCALBus 接口的控制，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3 所示。

　　2.1.2 SPI 總線接口設(shè)計(jì)

　　FPGA 與單片機(jī)的通信需要通過SPI 總線來實(shí)現(xiàn)。SPI總線是一種同步串行總線，以3 線或4 線方式通信。本設(shè)計(jì)中所使用的3 條通信線為：時(shí)鐘SCLK,數(shù)據(jù)DAT,片選信號CS.圖4 為SPI 工作時(shí)序。

　　當(dāng)FPGA 從單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，向單片機(jī)發(fā)送讀使能信號RD（可用任意I/O 口），串行數(shù)據(jù)經(jīng)DAT 口在每個(gè)時(shí)鐘（SCK）的上升沿送入FPGA 的移位寄存器，全部接受完畢后，CS 置1 ;當(dāng)FPGA 向單片機(jī)傳輸命令或者數(shù)據(jù)時(shí)，CS 拉低后，移位寄存器開始工作。內(nèi)部并行數(shù)據(jù)經(jīng)串/ 并轉(zhuǎn)換為64 位串行信號，每個(gè)時(shí)鐘的下降沿移位寄存器送出一位數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過DAT 端口讀取數(shù)據(jù)。借助VHDL 硬件描述語言可方便地實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，部分程序如下：

　　2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　微波接收機(jī)的全部硬件電路設(shè)計(jì)在一張CPCI 載板上，通過高密度2mm 插針式連接器安裝在一個(gè)6U 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱內(nèi)。機(jī)箱采用220V 交流供電，前面板設(shè)有狀態(tài)指示燈，可指示系統(tǒng)供電、PCI 總線訪問狀態(tài)及微波接收機(jī)內(nèi)部射頻模塊鎖定狀態(tài)。

　　CPCI 總線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使該模塊具有“即插即用”的高度兼容性，方便接收機(jī)系統(tǒng)的建立、操作，且具有良好的抗震性，適合移動平臺的使用。

　　2.3 電源設(shè)計(jì)

　　由于CPCI 機(jī)箱提供的開關(guān)電源電磁干擾嚴(yán)重，且紋波系數(shù)較大，嚴(yán)重影響接收機(jī)雜散、相噪等性能，因此必須對電源進(jìn)行處理。機(jī)箱內(nèi)12V 開關(guān)電源經(jīng)LM7809、LM7805、LT1965三級DC/DC 穩(wěn)壓后，分別提供給系統(tǒng)中數(shù)字電路、模擬電路使用，有效降低了電源紋波和數(shù)字電路、模擬電路之間的電磁干擾。

　　2.4 電磁兼容設(shè)計(jì)

　　CPCI 結(jié)構(gòu)微波接收機(jī)的電磁干擾來源有機(jī)箱內(nèi)部的電源干擾及接收機(jī)的本振頻率泄露等。為了消除電源干擾的影響，將CPCI 機(jī)箱內(nèi)計(jì)算機(jī)電源和接收機(jī)電源分開使用，并進(jìn)行多級穩(wěn)壓處理；模塊內(nèi)敏感電路采用單獨(dú)的屏蔽盒進(jìn)行隔離，減少頻率泄露；在PCB 板設(shè)計(jì)中將射頻線和控制線分層隔離；為了減小載板上其他模塊的信號對底板總線的影響，用10Ω的電阻在CPCI 卡的接插件J1 口處進(jìn)行串聯(lián)電阻匹配。

　　3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　圖5 為按照本文設(shè)計(jì)方法完成的 CPCI 總線結(jié)構(gòu)微波接收機(jī)實(shí)物。CPCI 載板上設(shè)有三個(gè)模塊，分別實(shí)現(xiàn)兩路中頻信號到S 頻段的上變頻和一路S 頻段信號到中頻的下變頻。中頻輸入、S 頻段輸出和參考信號輸入口均為SMA-50K.控制軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對上、下變頻器的增益控制和輸出、輸入頻率設(shè)置，以及每個(gè)變頻模塊鎖定狀態(tài)的讀取。其軟件控制界面如圖6 所示。

　　經(jīng)過實(shí)際測試，本接收機(jī)軟、硬件設(shè)計(jì)滿足CPCI 總線結(jié)構(gòu)微波接收機(jī)的控制及指標(biāo)要求，通過驗(yàn)證。

　　4 結(jié)束語

　　以CPCI 總線的工控機(jī)為平臺，結(jié)合6U 的CPCI 卡研制的微波接收機(jī)系統(tǒng)，將微波接收機(jī)技術(shù)與先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)融為一體，解決了業(yè)界長期面臨的多通道、小型化、模塊化、PCI協(xié)議控制等射頻接收前端技術(shù)難題，具有廣闊的應(yīng)用前景。