PXI總線中頻數(shù)字化儀系統(tǒng)設(shè)計

　　楊志興，王瑞霞，高長全（電子測試技術(shù)重點實驗室，山東?青島?266555）

　　摘?要：針對PXI測試系統(tǒng)構(gòu)建中需要的高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備，提出一種基于PXI總線的中頻數(shù)字化儀的設(shè)計方案。該設(shè)備可以實現(xiàn)400 Msps的實時采樣率和14位的采樣精度;軟件開發(fā)模式采用上位機應(yīng)用程序和底層動態(tài)庫相結(jié)合的開發(fā)模式，方便不同用戶的定制。驅(qū)動程序通過WDM開發(fā)，采用Block DMA實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。經(jīng)過聯(lián)合調(diào)試，本系統(tǒng)穩(wěn)定工作在Windows平臺下，實現(xiàn)了數(shù)字化儀要求的各項功能。不僅滿足當前項目的需求，還可應(yīng)用于雷達、電子對抗等PXI自動測試系統(tǒng)構(gòu)建中。

　　關(guān)鍵詞：PXI；中頻數(shù)字化儀；WDM； Block DMA；中斷

　　0 引言

　　近年來隨著科技的不斷進步，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不斷地向高精度、高速率、小型化等方向發(fā)展。尤其在一些特定場合，比如艦船、飛機等環(huán)境下，其對測試設(shè)備的小型化提出了更高的要求 ^[1] 。而PXI由于其自身的架構(gòu)及特點 ^[2] ，特別適合這種對體積要求苛刻的環(huán)境中。其中PXI中頻數(shù)字化儀作為模塊化測試系統(tǒng)的重要組成部分，由于其技術(shù)難度高、開發(fā)設(shè)計難度大成為系統(tǒng)集成中的短板，相關(guān)產(chǎn)品只能通過國外采購，主要存在如下的問題：采購周期長、成本昂貴、技術(shù)不可控，維修困難,嚴重制約著PXI模塊化系統(tǒng)的自主發(fā)展。

　　本文基于“虛擬儀器”的設(shè)計理念并結(jié)合近期從事的PXI合成儀器項目需求，提出一種基于PXI總線的中頻數(shù)字化儀實現(xiàn)方案，即可滿足軟件無線電系統(tǒng)構(gòu)建的需要，同時也可作為單獨PXI模塊進行數(shù)據(jù)采集、處理和分析。

　　1 硬件設(shè)計

　　1.1 總體方案

　　本文研制的中頻PXI數(shù)字化儀模塊是一個單槽3U尺寸模塊，14位垂直分辨率，最高采樣率達400MHzSa/s。其總體硬件框圖如圖1所示。

　　主要包括：信號調(diào)理部分、抗混疊濾波、DDS部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、FPGA控制部分、PCI接口部分和電源等部分組成。其中：信號調(diào)理部分實現(xiàn)模擬信號的放大和濾波；ADC部分主要實現(xiàn)信號由模擬到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；FPGA部分主要是完成數(shù)字下變頻、包絡(luò)檢波以及電路的控制等；PCI總線接口作為數(shù)字化儀與PC機的接口，實現(xiàn)數(shù)字化儀和上位機軟件的信息交互，包括命令下發(fā)和數(shù)據(jù)上傳等。

　　整機工作原理如下：在觸發(fā)信號到來之后，首先對輸入中頻信號進行調(diào)理，完成模擬中頻信號的程控增益控制、抗混疊濾波等，預(yù)處理后的中頻信號經(jīng)過高速ADC采樣，采樣數(shù)據(jù)送入FPGA進行數(shù)字下變頻操作變換到基帶形成IQ信號，之后根據(jù)需要進行復(fù)數(shù)FFT操作得到頻譜數(shù)據(jù)存儲到板載緩存中。此時FPGA將使本地信號（LINT#）信號有效，引發(fā)PCI9054的本地中斷，接著會觸發(fā)PCI中斷信號INTA#，向計算機發(fā)送中斷請求。主機CPU響應(yīng)中斷以Block DMA方式讀取FIF0中的頻譜數(shù)據(jù)，從而完成一次數(shù)據(jù)傳輸。最后在上位機軟件中進行處理和顯示。

　　1.2 PXI接口設(shè)計

　　目前主要存在2種方案實現(xiàn)PXI接口電路 ^[3] ：①采用可編程邏輯器件；②采用專用的PCI接口芯片。在本設(shè)計中考慮到數(shù)字化儀板卡的體積、成本和開發(fā)周期，采用PLX公司的專用的PCI接口芯片PCI9054來實現(xiàn)PXI接口，接口實現(xiàn)示意圖如圖2所示。

　　為了適應(yīng)不同的局部處理器，PCI9054局部總線類型有3種：C模式，M模式，J模式。本文采用C模式（MODE[1：0]=00），即地址線和數(shù)據(jù)線分開模式 ^[3] 。本設(shè)計中發(fā)送命令時工作在PCI Target模式，而讀取數(shù)據(jù)的時候則工作在DMA模式。在DMA方式下，數(shù)據(jù)傳輸不同于普通的I/O讀寫方式，它是由PCI9054接管PXI總線，負責(zé)實現(xiàn)數(shù)據(jù)在CPU和硬件設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸，而無需CPU的干預(yù)。本設(shè)計中只涉及數(shù)據(jù)從Local側(cè)到PCI側(cè)的傳輸，因此選擇DMA0通道并采用block DMA的傳輸方式實現(xiàn)FIFO緩沖區(qū)的頻譜數(shù)據(jù)的讀取操作。

　　2 軟件設(shè)計

　　2.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

　　完成數(shù)字化儀硬件設(shè)計之后，就需要開發(fā)相應(yīng)的軟件，由軟硬件協(xié)同配合才能整個數(shù)字化儀模塊的具體功能。整套中頻數(shù)字化儀軟件系統(tǒng)由上位機應(yīng)用程序、動態(tài)鏈接庫和驅(qū)動程序構(gòu)成，其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　2.2 整機工作流程

　　數(shù)字化儀程序的工作流程如下：首先是數(shù)字化儀硬件的初始化，完成后，由上位機軟件根據(jù)用戶選定的功能和輸入的參數(shù)形成控制命令通過驅(qū)動程序?qū)⑵湎掳l(fā)到硬件板卡。PXI板卡進行相應(yīng)的參數(shù)分解形成有效的硬件動作命令實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，采集一定量的中頻數(shù)據(jù)后形成硬件中斷給驅(qū)動程序，上位機響應(yīng)中斷并通過DMA的方式將數(shù)據(jù)讀取到上位機軟件中，從而完成一次有效的數(shù)據(jù)采集和傳輸。之后再由上位機軟件進行相應(yīng)的處理、顯示和存儲等功能。

　　2.3 驅(qū)動程序設(shè)計

　　由于本設(shè)計中的PXI中頻數(shù)字化儀不屬于Windows標準的外部設(shè)備，因此為了能夠運行在Windows平臺上，需要開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序。Windows操作系統(tǒng)下，開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序的方法有很多種，本文采用DriverStudio工具進行WDM設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)。

　　首先，利用DriverStudio中的DriverWorks ^[5] 生成驅(qū)動程序框架，之后需要根據(jù)功能要求來添加相應(yīng)的代碼。驅(qū)動程序的開發(fā)涉及到硬件訪問、中斷控制和DMA傳輸?shù)裙δ苣K。限于篇幅，本文重點闡述中斷和DMA的實現(xiàn)過程。

　　2.3.1 中斷實現(xiàn)

　　從上文介紹的數(shù)字化儀整機運行原理中可以看出，數(shù)字化儀的數(shù)據(jù)采集過程相對于上位機軟件的運行，是一種完全異步的過程。為了實現(xiàn)兩者的同步，需要借助于中斷來實現(xiàn)。本設(shè)計中需要處理的中斷類型有2種：①本地中斷，即當FIFO中的數(shù)據(jù)采集半滿之后，由FPGA通過LINT#信號發(fā)給PCI9054；②DMA中斷，當上位機軟件收到PCI9054的本地中斷后，開始啟動DMA讀操作。當DMA傳輸完成后由DMA中斷控制器產(chǎn)生。兩種中斷存在先后關(guān)系，只有2個中斷的協(xié)調(diào)配合才能實現(xiàn)1次中頻數(shù)據(jù)的正確傳輸任務(wù)。

　　由于這兩種中斷共享同一個中斷服務(wù)例程，因此需要在中斷服務(wù)例程 ^[6] （ISR，Interrupt Service Routine）中進行中斷源識別，再進行對應(yīng)處理。本設(shè)計中的中斷處理流程如圖所示。

　　中斷實現(xiàn)部分的關(guān)鍵代碼如下：

BOOLEAN Digitizer::Isr_Irq(void)

{

t<<”enter Isr_Irq.”<<EOL;

ULONG status;

status=m_IoPortRange0.ind(INTCSR);

if((status&0x8000)!=0)

{

m_LocInt=1;

t<<”Local Interrup”<<EOL;

m_IoPortRange0.outd(INTCSR,0x40100)；

m_IoPortRange0.outd(DMAMODE0,0x20C01);

m_DpcFor_Irq.Request(NULL,NULL);

return TRUE;

}

else if((status&0x200000)!=0)

{

m_LocInt=0;//DMA0

t<<”DMA Interrup”<<EOL;

m_IoPortRange0.outb(DMACSR0,0x8)；

m_DpcFor_Irq.Request(NULL,NULL);

return TRUE;

}

else

{

t<<”Interrupt didn’t happen.”<<EOL;

return FALSE;

}

}

　　2.3.2 DMA實現(xiàn)

　　為了開發(fā)DMA功能，結(jié)合硬件設(shè)計和軟件開發(fā)框架，開發(fā)人員需要對PCI9054芯片和Driver Studio開發(fā)框架均要熟悉，只有軟硬件配合才能完成DMA功能。PCI9054芯片中的DMA硬件支持部分在其數(shù)據(jù)手冊中詳細的介紹，這里不再敘述。下面重點從軟件開發(fā)角度進行介紹。

　　DriverWorks提供了3個類來實現(xiàn)，分別是：KDmaAdapter，KDmaTransfer，KcommonDmaBuffer。其中，KdmaAdapter類用于建立1個DMA適配器，標明1個DMA通道的特性和提供串行化訪問的服務(wù)；KDmaTransfer類用于控制DMA的傳輸，啟動1個DMA傳輸、DMA傳輸數(shù)據(jù)緩沖區(qū)物理地址和傳輸字節(jié)數(shù)以及DMA傳輸結(jié)束后數(shù)據(jù)由公用緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；KcommonDmaBuffer類用于申請系統(tǒng)提供的公用緩沖區(qū) ^[8] 。整個DMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D5所示。

　　首先，當應(yīng)用程序檢測到硬件板卡完成1次中頻數(shù)據(jù)采集后，通過調(diào)用Win32 API函數(shù)ReadFile()函數(shù)啟動數(shù)據(jù)的讀取 ^[9] 。由系統(tǒng)的I/O管理器將這個請求封裝成一個相應(yīng)的請求包（IRP），然將其傳遞給驅(qū)動程序。驅(qū)動程序首先將其進行隊列化，形成1個新的串行IRP傳遞給SerialRead例程 ^[10] ，在該例程中，通過初始化KDmaTransfer類的實例并在OnDmaReady回調(diào)函數(shù)啟動DMA傳輸和判斷傳輸是否完成。限于篇幅，本文只給出實現(xiàn)DMA的關(guān)鍵代碼：

VOID Digitizer::StartDMA(ULONG PAddress,

ULONG NBytes)

{

t<<”Entering StartDMA”<<EOL;

m_IoPortRange0.outd(DMAMODE0,0x20DC1);

m_IoPortRange0.outd(DMAPADR0,PAddress);

m_IoPortRange0.outd(DMALADR0,0x8);

m_IoPortRange0.outd(DMASIZ0,NBytes);

m_IoPortRange0.outd(DMADPR0,0x8);

m_IoPortRange0.outb(DMACSR0,0x3);

}

　　圖6是本設(shè)計中的DMA讀操作在FPGA中的時序圖。

　　2.4 應(yīng)用程序設(shè)計

　　上位機應(yīng)用軟件采用模塊化、分層設(shè)計的思想，將軟件按照功能劃分為控制測量模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和用戶操作模塊，開發(fā)語言采用當下較為流行的C#。系統(tǒng)軟件頂層設(shè)計圖如圖7所示。

　　整個軟件從功能上可以分為控制測量模塊、數(shù)據(jù)處理顯示模塊和用戶操作模塊。其中控制測量模塊主要實現(xiàn)命令的下傳以及采集數(shù)據(jù)的上報；數(shù)據(jù)處理顯示模塊主要是對采集到的信號進行信號處理，包括加窗、FFT、軌跡運算、峰值處理、信號錄制以及處理結(jié)果的顯示等；用戶操作模塊則是提供人機交互的接口，用于將用戶的操作指令進行合規(guī)性分析，并將用戶的操作意圖正確設(shè)置到設(shè)備中。最終實現(xiàn)的上位機軟件成果如圖8所示。

　　3 結(jié)論

　　本文所研究的中頻數(shù)字化儀是一種基于PXI總線的模塊化中頻信號采集儀器，具有高采樣率、高分辨率、大數(shù)據(jù)存儲容量以及快速的數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，技術(shù)實現(xiàn)上完全自主可控。在軟件設(shè)計上采用虛擬儀器的設(shè)計思想，按照模塊化和層次化進行開發(fā)，分別完成了上位機軟件設(shè)計和底層驅(qū)動程序開發(fā)。目前，本系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作在Windows7平臺下，實現(xiàn)了中頻數(shù)字化儀要求的各項功能，不但滿足了當前的PXI測試系統(tǒng)構(gòu)建的需要，而且提供了一個較為通用的驅(qū)動程序包，可以應(yīng)用到其他需要中頻數(shù)字化儀的PXI測試系統(tǒng)中。

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　　（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第05期第63頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）