基于FPGA的作戰(zhàn)系統(tǒng)時統(tǒng)設(shè)計

O 引言
    作戰(zhàn)系統(tǒng)時間的統(tǒng)一同步(時統(tǒng))的重要性越來越得到重視，只有保證整個系統(tǒng)處在同一時間的基準(zhǔn)上，才能實現(xiàn)真正意義上的以網(wǎng)絡(luò)為中心的信息戰(zhàn)、以精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)對抗和以協(xié)同作戰(zhàn)方式為主的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭。另外由于不同的作戰(zhàn)系統(tǒng)對時統(tǒng)有著不同要求，因此對時統(tǒng)接收處理模塊(簡稱時統(tǒng)模塊)有著較高要求。利用FPGA的強(qiáng)大功能及靈活性設(shè)計的時統(tǒng)模塊能夠很好地實現(xiàn)以上要求。
    FPGA為大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，具有編程方便、集成度高、速度快等特點，可反復(fù)編程、擦除、使用，在不改變硬件設(shè)計的情況下，可實現(xiàn)不同的功能需求。在FPGA中可完成各種時統(tǒng)功能設(shè)計。

1 原理
    目前時統(tǒng)模塊主要應(yīng)用于Compact PCI(CPCI)系統(tǒng)，因此該時統(tǒng)模塊為CPCI總線模塊。其主要由總線橋接電路、FPGA、外圍接口電路部分組成，如圖1所示。接口電路采用MAXl490實現(xiàn)對時統(tǒng)輸入信號(授時信號)的接收及轉(zhuǎn)換。將差分信號轉(zhuǎn)換成TTL電平信號提供給FPGA處理，另外將FPGA輸出的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號作為時統(tǒng)信號提供給其它設(shè)備。

    橋接電路采用PCI9052，實現(xiàn)CPCI總線到局部總線的過渡，并將中斷信號通過CPCI總線的中斷信號線送給CPU主板。CPU主板收到時統(tǒng)模塊的中斷請求后，做出響應(yīng)，系統(tǒng)軟件根據(jù)中斷響應(yīng)輸出時間信息。
    FPGA選用Altera公司MAX70O0S系列中的EPM7256SRl208—10，這是工業(yè)界中速度最快的高集成度可編程邏輯器件，具有5000個可用門和1256個宏單元，可滿足設(shè)計需要。設(shè)計中，F(xiàn)PGA實現(xiàn)了對TTL電平時統(tǒng)信號的各種處理，主要包括中斷控制、信號輸出、守時、時間精度等功能。見圖2所示。

    下面具體介紹FPGA內(nèi)部各主要功能的設(shè)計。

2 中斷控制
    中斷控制部分主要包括脈沖識別、中斷源判斷等。為保證時統(tǒng)信號的準(zhǔn)確識別，避免丟幀、誤判，需要對信號整形，適當(dāng)展寬。在FPGA中利用反相器對信號整形，利用信號上升沿觸發(fā)D觸發(fā)器輸出高電平去提起中斷，在CPU主板響應(yīng)中斷后，通過控制D觸發(fā)器清零端將輸出的高電平拉低。以此避免非正常情況的出現(xiàn)。
    本模塊設(shè)計了4路時統(tǒng)接收電路，可同時采集4路外部授時信號，在同時工作的情況下，系統(tǒng)可得到4種不同的時間信息。因此，設(shè)計時需要能夠準(zhǔn)確地識別4路不同的中斷源。CPCI系統(tǒng)只能分配給每個CPCI設(shè)備1個中斷號，使得各路中斷源都要通過這1個中斷號向CPU主板提起中斷。設(shè)計過程中可以利用FPGA內(nèi)部寄存器來識別各路中斷源。見圖3所示。

    4路信號用寄存器74373的低4位識別，在系統(tǒng)響應(yīng)中斷后，隨即讀取寄存器，根據(jù)寄存器位的值，判斷是由哪路信號源提起的中斷。屏蔽信號用于系統(tǒng)關(guān)斷任一路中斷信號源，根據(jù)需要，可用軟件屏蔽l路或多路信號源，未被屏蔽的信號進(jìn)入中斷產(chǎn)生器，輸出中斷信號，發(fā)起中斷申請。

3 守時設(shè)計
    守時是指外部授時信號中斷或受阻時，模塊可以自行產(chǎn)生頻率相同且脈沖沿一致的信號維持系統(tǒng)時間信息。在外部授時信號正常時，由其發(fā)起中斷獲得系統(tǒng)時間信息，無外部授時信號時，需由模塊自行產(chǎn)生的信號自動接替外部授時信號的工作，同時用來維持時統(tǒng)信號輸出，保證全系統(tǒng)的時間不中斷。在FPGA中這部分功能由Verilog語言編寫實現(xiàn)。

    其中CLK(時鐘)、RST(復(fù)位)、A(外部授時信號)、B(自產(chǎn)生信號)為輸入信號。Y為輸出信號，即中斷信號。仿真結(jié)果如圖4所示。

4 時間精度
    外部授時信號大多為1秒周期的秒脈沖信號，這時系統(tǒng)獲得的時間只能精確到秒。在需要獲得精確度更高的時間信息時，可利用FPGA中的計數(shù)器等來實現(xiàn)設(shè)計。見下面所示：

    其中clk(時鐘)、clk_20μs(20μs周期時鐘)、rst(復(fù)位)、int(外部信號)、cs(鎖存當(dāng)前計數(shù)值)為輸入信號。count_out為輸出的16位二進(jìn)制計數(shù)值(eount out[15．．0])。本功能能夠給出20μs精度的計數(shù)，在秒脈沖到來時(上升沿)產(chǎn)生中斷，同時啟動計數(shù)器，為20μs一次的計數(shù)，最大計數(shù)值為50000。計數(shù)值存入寄存器，可隨時讀取當(dāng)前計數(shù)值，得出計數(shù)值后可換算成ms等其它值。其仿真結(jié)果如圖5所示。

5 結(jié)束語
    利用FPGA完成了作戰(zhàn)系統(tǒng)對時統(tǒng)模塊功能要求的設(shè)計，經(jīng)在工程項目中使用驗證，其功能完全滿足要求。設(shè)計中使用的FPGA(EPM7256SRl208一lO)是一種高性能的CMOS EEPROM器件，通過4個引腳的JTAG接口能夠進(jìn)行在線編程，在開發(fā)過程中實現(xiàn)了快速有效的重復(fù)編程。借助其可重復(fù)編程使用的靈活性，通過改寫FPGA內(nèi)部邏輯來實現(xiàn)不同的功能需求，避免了硬件的重復(fù)設(shè)計，縮短了設(shè)計周期，適應(yīng)了發(fā)展的需要。