基于FPGA的RS485接口誤碼測試儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
目前，通常使用的傳統(tǒng)誤碼測試儀雖然具有測試內(nèi)容豐富、測試結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，但是由于通信系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷增加，接口形式變化多樣以及一些非標(biāo)準(zhǔn)碼率的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)誤碼測試儀的使用受到了一定的限制。另一方面，近年來FPGA技術(shù)得到了迅速發(fā)展，使用FPGA設(shè)計(jì)電路具有很大的靈活性，可以大大提高集成度和設(shè)計(jì)速度，還可以簡化接口和控制，有利于提高系統(tǒng)的整體性能和工作可靠性。本文即介紹了一種基于FPGA的RS485接口誤碼測試儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)簡單、功能可靠、接口獨(dú)特等特點(diǎn)，并且增加了傳統(tǒng)誤碼測試儀所沒有的測量系統(tǒng)傳輸延時(shí)的功能。
1 設(shè)計(jì)背景
本文所設(shè)計(jì)的誤碼測試儀主要用于測試某通信系統(tǒng)的誤碼性能。該通信系統(tǒng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，本文主要介紹信道部分，包括基帶的信道編解碼和無線信道的收發(fā)，其基本框圖如圖1所示。
為了在線路傳輸上保證良好的抗干擾能力，系統(tǒng)采用了RS485接口，選用了4.096 Mb/s的碼率。因此，為了測試圖1所示系統(tǒng)的誤碼性能，誤碼測試儀必須具有以下指標(biāo)：
(1) 邏輯接口：RS485差分信號(hào)。
(2) 物理接口：DB9。
(3) 碼率：4.096 Mb/s。
傳統(tǒng)誤碼測試儀通常都不具備以上3項(xiàng)指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)的誤碼測試儀滿足了上述3項(xiàng)指標(biāo)。
2 誤碼測試原理
構(gòu)成誤碼測試儀的方案有多種形式，其基本工作過程可以概括為以下幾個(gè)步驟：
(1) 以某種方式產(chǎn)生和發(fā)送碼組相同的碼形,以相同相位的本地碼組作為比較標(biāo)準(zhǔn)。
(2) 將本地碼組與接收碼組逐個(gè)進(jìn)行比較,并輸出誤碼脈沖信號(hào)。
(3) 對(duì)誤碼脈沖信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并給出相應(yīng)的誤碼率。
在通信工程應(yīng)用中,為了最大程度地模擬真實(shí)通信中的數(shù)據(jù)流的統(tǒng)計(jì)特性，通常采用二進(jìn)制偽隨機(jī)序列。對(duì)于偽隨機(jī)序列有以下幾點(diǎn)要求[2]：
(1) 應(yīng)具有良好的偽隨機(jī)性,即應(yīng)具有和隨機(jī)序列類似的隨機(jī)性。
(2) 應(yīng)具有良好的自相關(guān)、互相關(guān)和部分相關(guān)特性，即要求自相關(guān)峰值尖銳，而互相關(guān)和部分相關(guān)值接近于零。這是為了接收端的準(zhǔn)確檢測，以減小差錯(cuò)。
(3) 要求隨機(jī)序列的數(shù)目足夠多，以保證在碼分多址的通信系統(tǒng)中，有足夠多的地址提供給不同的用戶。
根據(jù)本地碼組發(fā)生器的構(gòu)成方式不同，誤碼測試儀可分為多種類型，本文采用的是逐位檢測式，其使用的碼組為最大長度線形移位反饋寄存器序列，即m序列。其工作原理為：本地的m序列發(fā)生器產(chǎn)生的m序列和所接收的m序列進(jìn)行逐位比較，若兩個(gè)m序列同步，則比較器輸出的是傳輸誤碼；若兩個(gè)m序列不同步，則比較器輸出的是由失步造成的誤碼。由于失步造成的誤碼較大(根據(jù)m序列的特性，其誤碼率應(yīng)為0.5)，因此可根據(jù)誤碼率門限來區(qū)分檢測系統(tǒng)是否失步。若失步，則讓本地m序列發(fā)生器等待一個(gè)時(shí)鐘周期,再依次逐位比較,并逐位控制本地m序列發(fā)生器的等待時(shí)間,直到兩序列完全同步為止。
3 硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)用單片機(jī)作為主控芯片,由FPGA完成誤碼測試的工作，將得到的誤碼信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行誤碼率的計(jì)算后送液晶屏進(jìn)行顯示。m序列的發(fā)送和接收都是通過RS485接口進(jìn)行的。本系統(tǒng)單片機(jī)選用的是51系列的STC89LE58RD+，3.3 V供電,可以減小系統(tǒng)功耗。FPGA選用了Xilinx公司的SPARTNANII-E系列的XC2S300E，其內(nèi)部包括了30萬個(gè)邏輯門和其他豐富的資源，可以滿足本系統(tǒng)的需要。RS485接口芯片選用Analog Device公司的ADM4857，它是一款10 Mb/s碼率、全雙工的485接口芯片[3-4]。系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。
4 軟件設(shè)計(jì)
軟件部分是該系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心，主要包括了單片機(jī)和FPGA兩大部分。
(1) 單片機(jī)軟件
單片機(jī)作為該系統(tǒng)的主控芯片，主要完成FPGA通信控制、誤碼率計(jì)算、液晶顯示控制等功能。開機(jī)后，單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入掛起狀態(tài)，等待按下start按鈕。開始工作后，單片機(jī)每隔1 s向FPGA請(qǐng)求刷新1次誤碼數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA則將誤碼數(shù)據(jù)通過SPI總線傳送給單片機(jī)。單片機(jī)將取得的誤碼數(shù)據(jù)換算成誤碼率連同得到的系統(tǒng)傳輸延遲時(shí)間一起送到LCD顯示。單片機(jī)軟件的流程圖如圖3所示。
(2) FPGA邏輯設(shè)計(jì)[5-6]
本系統(tǒng)大部分功能通過FPGA實(shí)現(xiàn)，使用Verilog編寫程序。由于采用的是逐位比較式方案，因此，首先由m序列產(chǎn)生模塊產(chǎn)生4.096 Mb/s碼率的m序列，送入反相器作為源端。反相器是為了人為產(chǎn)生誤碼而設(shè)置的。當(dāng)按下按鍵時(shí)，反相器使能，將m序列1位反相后輸出，即相當(dāng)于產(chǎn)生了1個(gè)誤碼。m序列和時(shí)鐘同時(shí)輸出給被測系統(tǒng)，經(jīng)被測系統(tǒng)后再返回給誤碼測試儀。誤碼測試儀對(duì)輸入的m序列和本地產(chǎn)生的m序列進(jìn)行同步，同步以后，在固定寄存器中置入64位m序列數(shù)據(jù)。在源端，固定寄存器和移位寄存器不斷進(jìn)行比較，直到兩者一致，則啟動(dòng)延時(shí)計(jì)數(shù)器，同時(shí)接收端移位寄存器與固定寄存器進(jìn)行比較，當(dāng)兩者一致時(shí)關(guān)閉計(jì)數(shù)器，此時(shí)計(jì)數(shù)器中的數(shù)值即為被測系統(tǒng)的延時(shí)。另一方面，同步以后，開始進(jìn)行誤碼統(tǒng)計(jì)。若在設(shè)置的測試周期內(nèi)誤碼率大于設(shè)定的門限值，則認(rèn)為失步，重新開始同步。最后，將誤碼數(shù)和系統(tǒng)延時(shí)數(shù)通過SPI接口送給單片機(jī)，進(jìn)行誤碼率和系統(tǒng)延時(shí)的計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果顯示在LCD上。SPI接口是通過軟件進(jìn)行模擬的。整個(gè)FPGA內(nèi)部的模塊框圖如圖4所示。
5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真
對(duì)設(shè)計(jì)完成后的主要功能模塊進(jìn)行了仿真以驗(yàn)證其功能的正確性。
(1) m序列產(chǎn)生器仿真
本設(shè)計(jì)采用了23級(jí)m序列以確保偽隨機(jī)序列的特性，其本原多項(xiàng)式為f(x)=1+x5+x23，仿真波形如圖5所示。
(2) SPI接口仿真
FPGA與單片機(jī)之間采用SPI接口進(jìn)行通信。外圍設(shè)備接口SPI通常有3～4條信號(hào)線，本文采用3線方式，即片選線SS、時(shí)鐘線SCK和數(shù)據(jù)線SDIO。SS為低時(shí)有效，在SCK的同步下傳送數(shù)據(jù)，仿真波形如圖6所示。
(3) 系統(tǒng)仿真
系統(tǒng)開始工作并正確同步后，開始誤碼和延時(shí)的統(tǒng)計(jì)。每當(dāng)單片機(jī)發(fā)送1個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)信號(hào)，就送出當(dāng)前的誤碼數(shù)和延時(shí)數(shù),單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算后送顯示器顯示。系統(tǒng)仿真波形如圖7所示。
6 調(diào)試
調(diào)試是整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟。經(jīng)過調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的所有功能。下面給出在設(shè)計(jì)和調(diào)試中的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)以供參考。
(1) 51單片機(jī)的Port 1端口默認(rèn)情況下沒有上拉電阻，因此需要特別注意。在調(diào)試初期就是因?yàn)闆]有在外部加上拉電阻而導(dǎo)致與FPGA通信不正常。
(2) RS485接口芯片對(duì)于差分線的輸入輸出阻抗匹配要求比較嚴(yán)格，需要根據(jù)手冊要求選擇合適的匹配電阻，否則會(huì)導(dǎo)致輸入輸出差分信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重劣化，影響系統(tǒng)正常工作。
(3) FPGA與單片機(jī)通信等功能需要特別注意時(shí)序的配合問題，否則可能導(dǎo)致通信不正常?？梢酝ㄟ^選擇適當(dāng)?shù)挠|發(fā)沿來調(diào)整時(shí)序。
本文介紹了一種基于FPGA的RS485接口的誤碼測試儀的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)過程。與傳統(tǒng)的誤碼測試儀相比，本誤碼測試儀具有原理簡單、接口獨(dú)特、可測試系統(tǒng)延時(shí)等特點(diǎn)。此外，由于FPGA良好的可擴(kuò)展性，可以在不改變硬件電路的基礎(chǔ)上方便地增加或修改相應(yīng)的功能，增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
下載文檔
