VXI總線任意數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的研究與設(shè)計(jì)

摘要：闡述了基于VXI總線的任意數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的特點(diǎn)及基本原理，用FPGA器件實(shí)現(xiàn)了VXI總線寄存器基接口電路，提出了用AHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)可編程分頻器的方法，并具體分析了信號(hào)輸出的電路原理和工作過程。實(shí)踐證明系統(tǒng)原理和硬件設(shè)計(jì)是成功的。

關(guān)鍵詞：VXI總線 FPGA器件 接口電路 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器 AHDL

VXI總線測(cè)試平臺(tái)是儀器測(cè)量領(lǐng)域的前沿技術(shù)，可以靈活地組建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其模塊化、靈活性強(qiáng)、即插即用、數(shù)字吞吐能力強(qiáng)的特點(diǎn)使VXI總線測(cè)試平臺(tái)的應(yīng)用越來越廣泛。

在自動(dòng)控制、智能檢測(cè)、數(shù)字系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域，經(jīng)常需要非周期性地產(chǎn)生任意編碼的數(shù)字序列，作為激勵(lì)信號(hào)源?；赩XI總線的任意數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，是一個(gè)B尺寸、單槽、A16/D16、寄存器基模塊，它能夠產(chǎn)生任意編碼的數(shù)字信號(hào)，8路數(shù)字信號(hào)均可獨(dú)立地任意編輯，輸出信號(hào)最小脈寬為25ns。采用Altera公司的FLEX系列的FPGA，可實(shí)現(xiàn)寄存器基接口電路和部分功能電路。用LabWindows/CVI軟件設(shè)計(jì)了虛擬儀器軟面板，界面友好，操作方便。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

數(shù)字信號(hào)發(fā)生器采用VXI總線測(cè)試平臺(tái)，有8路獨(dú)立的輸出信號(hào)，均可預(yù)先存儲(chǔ)在容量為64K的靜態(tài)存儲(chǔ)器中，可以獨(dú)立地編輯各種輸出信號(hào)；時(shí)鐘頻率最高可達(dá)40MHz；輸出信號(hào)支持高電平、低電平和高阻態(tài)三種狀態(tài)；輸出電平兼容CMOS/TTL電平；輸出信號(hào)擺率不超過±5ns；采用可編程分頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘的任意分頻；輸出電平脈沖寬度可編程調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

在PC機(jī)上將編輯好的8路波形數(shù)據(jù)文件和1路三態(tài)控制數(shù)據(jù)文件分別裝載到64K×8的靜態(tài)存儲(chǔ)器和64K×4的靜態(tài)存儲(chǔ)器中。波形文件的裝載是通過VXI總線的地址譯碼選擇A1～A5中某一配置寄存器的地址，再結(jié)合寫操作來完成的。由于VXI總線每進(jìn)行一次寫操作，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平有效的脈沖信號(hào)LATCH*，LATCH*信號(hào)將8路信號(hào)的8位編碼波形數(shù)據(jù)和1位三態(tài)控制數(shù)據(jù)存入寄存器，同時(shí)LATCH*信號(hào)將16位地址計(jì)數(shù)器的地址加1，當(dāng)進(jìn)行下一個(gè)寫操作時(shí)，完成下8位編碼波形數(shù)據(jù)和三態(tài)控制數(shù)據(jù)的裝載，如此反復(fù)，直至所有的波形數(shù)據(jù)裝載完畢。波形數(shù)據(jù)文件的裝載在LabWindows/CVI所開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序作用下工作，當(dāng)系統(tǒng)加電或軟件復(fù)位時(shí)，16位地址計(jì)數(shù)器的初始地置為0000H，在16位地址計(jì)數(shù)器的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)0000H～FFFFH或任一指定地址范圍的數(shù)據(jù)加載。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序輸出波形文件時(shí)，指定某一起始地址作為16位的地址計(jì)數(shù)器的當(dāng)努、當(dāng)發(fā)出允許輸出信號(hào)時(shí)，由可編輯分頻器所分頻的時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)加到16位地址計(jì)數(shù)器、輸出觸發(fā)器74ACT11825以及D觸發(fā)器SN74ACT74上，在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，16位地址計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，輸出的16位地址作用在靜態(tài)存儲(chǔ)器上。靜態(tài)存儲(chǔ)器采用的是CYPRESS公司的CY74194芯片，從地址有效到數(shù)據(jù)輸出的最小延遲時(shí)間為12ns，存儲(chǔ)器輸出的8路波形數(shù)據(jù)DAIN[7..0]和1路三態(tài)控制信號(hào)CIN作用在輸出芯片74ACT11825上，如圖2所示。當(dāng)三態(tài)控制存儲(chǔ)器輸出的信號(hào)為低電平時(shí)，74ACT11825的時(shí)鐘允許信號(hào)線有效，輸出的波形數(shù)據(jù)與靜態(tài)存儲(chǔ)器中選通的波形數(shù)據(jù)；當(dāng)三態(tài)控制存儲(chǔ)器輸出的信號(hào)為高電平時(shí)，則74ACT11825的時(shí)鐘允許信號(hào)線無效，此時(shí)的高電平信號(hào)經(jīng)過SN74ACT74觸發(fā)器的輸出端，作用在74ACT11825的輸出使能端上，使輸出信號(hào)為高阻態(tài)。

2 任意可編程分頻器的實(shí)現(xiàn)

任意可編程分頻器是用來實(shí)現(xiàn)對(duì)40MHz時(shí)鐘信號(hào)的任意分頻，它實(shí)現(xiàn)的分頻值由輸入的初始值d[WIDTH-1..0]所決定。這里取WIDTH=10，則能實(shí)現(xiàn)2～1024的分頻。也可以根據(jù)電路的不同要求，選擇不同的WIDTH值，實(shí)現(xiàn)不同的分頻。由于采用ALTERA公司的可編程器件，用AHDL硬件語(yǔ)言描述的分頻器代碼如下：

PARAMETERS

（MIDTH=4）；--定義數(shù)據(jù)寬度，來確定分頻值

INCLUDE lpm_counter; --MAX PLUS II自帶的函數(shù)

INCLUDE lpm_compare; --MAX PLUS II自帶的函數(shù)

SUBDESIGN var_div1

（SysClk :INPUT；--被分頻的時(shí)鐘，這里為40MHz

cnt_en ：INPUT=VCC；--分頻允許，這里用作波形輸出的使能信號(hào)

sclr ：INPUT=GND；--清零信號(hào)，使輸出時(shí)鐘清零，這里用作波形輸出結(jié)束信號(hào)

d[WIDTH-1..0] :INPUT；--定義分頻值

EVEN ：OUTPUT；--輸出已被分頻的時(shí)鐘信號(hào)

q[WIDTH-1..0] : OUTPUT;)

VARIABLE

Counter :LPM_COUNTER WITH (LPM_WINDTH=WIDTH);

Max_cnt ：NODE；

Dlitch :DFF;

BEGIN

Max_cnt = LPM_COMPARE(d[]-1,counter,q[], , ,)-所計(jì)脈沖數(shù)與初始設(shè)定值相等時(shí)，產(chǎn)生的高電平信號(hào)

WITH（LPM_WIDTH=WIDTH）

RETURNS （.aeb）；

counter.clock = SysClk;

counter.cnt_en = cnt_en;

counter.sclr = (max_cnt AND cnt_en)OR sclr;

Dlitch = max_cnt AND cnt_en;

Dlitch.clk=SysClk;

EVEN = Dlitch; --輸出產(chǎn)生的高電平信號(hào)

q[]=counter.q[];

END;

在MAX PLUS II軟件中進(jìn)行仿真，設(shè)定DATA[7..0]的值為5，即為5分頻，輸出波形EVEN如圖3所示。

3 VXI總線接口設(shè)計(jì)

采用Altera公司的FLEX系列的EPF10K20RC208-3的FPGA實(shí)現(xiàn)寄存器基接口芯片。由于該器件集成度高，可方便地改變邏輯，而且對(duì)邏輯設(shè)計(jì)可事先進(jìn)行功能模塊和定時(shí)模擬，因而使得接口設(shè)備更輕松，調(diào)試更方便。接口電路實(shí)現(xiàn)了如下功能：①內(nèi)部集成了VXI總線所需的寄存器，由地址信號(hào)A1～A5為各個(gè)寄存器譯碼分配地址，寄存器類型分別為ID寄存器、儀器類型寄存器、狀態(tài)/控制寄存器、控制寄存器。②數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器，其功能為將P1連接器上的16位數(shù)據(jù)線D0～D15送至模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)總線DBD～DB15或反之?？捎脙蓚€(gè)8位三態(tài)雙向緩沖器組成。用READ控制數(shù)據(jù)傳遞方向，用DBEN*選能。③總線握手控制，其功能為利用P1連接器上的信號(hào)控制DS1*、DS0*、WRITE*和地址線譯碼輸出地址信號(hào)共同產(chǎn)生DBEN*、LATCH*和DTACK*信號(hào)，LATCH*可用來參與選擇模塊內(nèi)需要寫數(shù)據(jù)的寄存器。DTACK*信號(hào)輸出到P1連接器上，使VXI總線系統(tǒng)能正常工作并按規(guī)定時(shí)序讀*寫數(shù)據(jù)。DBEN*用來控制模塊內(nèi)地址及數(shù)據(jù)的有效周期。這部分電路在MAX PLUS II中。分別用AHDL硬件描述語(yǔ)言和原理圖方式進(jìn)行描述。用AHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)讀狀態(tài)機(jī)、寫狀態(tài)機(jī)和中斷狀態(tài)機(jī)，產(chǎn)生的DBEN*、LATCH*、DTACAK*信號(hào)應(yīng)符合VXI總線系統(tǒng)中數(shù)據(jù)讀/寫的時(shí)序規(guī)范。④譯碼16位VXI總線地址，具有16位數(shù)據(jù)線的傳送能力，采用LabWindows/CVI軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)某一地址的讀寫操作，完成波形數(shù)據(jù)文件的加載、控制波形文件的輸出、停止輸出等操作。