VXI總線任意數(shù)字信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)

VXI總線是VMEbus eXtensions for Instrumentation 的縮寫。VXI主機箱有13個插槽，其中，零槽控制器為系統(tǒng)的管理者。VXI模塊根據(jù)其本身的性質(zhì)、特點和所支持的通信規(guī)程可以分為寄存器基、消息基、存儲器和擴展模塊四種類型。每個模塊的地址空間有A16、A16/A24和A16/A32三種類型。

　　VXI總線測試平臺是儀器測量領(lǐng)域的前沿技術(shù)，可以靈活地組建自動測試系統(tǒng)，其模塊化、靈活性強、即插即用、數(shù)字吞吐能力強的特點使VXI總線測試平臺的應(yīng)用越來越廣泛。

　　在自動控制、智能檢測、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，作為激勵信號源。基于VXI總線的任意數(shù)字信號發(fā)生器，是一個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，8路數(shù)字信號均可獨立地任意編輯，輸出信號最小脈寬為25ns.采用Altera公司的FLEX系列的FPGA,可實現(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)字信號發(fā)生器采用VXI總線測試平臺，有8路獨立的輸出信號，均可預(yù)先存儲在容量為64K的靜態(tài)存儲器中，可以獨立地編輯各種輸出信號；時鐘頻率最高可達40MHz;輸出信號支持高電平、低電平和高阻態(tài)三種狀態(tài)；輸出電平兼容CMOS/TTL電平；輸出信號擺率不超過±5ns;采用可編程分頻器，實現(xiàn)對時鐘的任意分頻；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)存儲器和64K×4的靜態(tài)存儲器中。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總線每進行一次寫操作，都會產(chǎn)生一個低電平有效的脈沖信號LATCH*,LATCH*信號將8路信號的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，當進行下一個寫操作時，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，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)動程序作用下工作，當系統(tǒng)加電或軟件復(fù)位時，16位地址計數(shù)器的初始地置為0000H,在16位地址計數(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。

　　當驅(qū)動程序輸出波形文件時，指定某一起始地址作為16位的地址計數(shù)器的當努、當發(fā)出允許輸出信號時，由可編輯分頻器所分頻的時鐘信號同時加到16位地址計數(shù)器、輸出觸發(fā)器74ACT11825以及D觸發(fā)器SN74ACT74上，在時鐘信號的作用下，16位地址計數(shù)器開始計數(shù)。靜態(tài)存儲器采用的是CYPRESS公司的CY74194芯片，從地址有效到數(shù)據(jù)輸出的最小延遲時間為12ns,存儲器輸出的8路波形數(shù)據(jù)DAIN[70]和1路三態(tài)控制信號CIN作用在輸出芯片74ACT11825上，如圖2所示。當三態(tài)控制存儲器輸出的信號為低電平時，輸出的波形數(shù)據(jù)與靜態(tài)存儲器中選通的波形數(shù)據(jù)；當三態(tài)控制存儲器輸出的信號為高電平時，則74ACT11825的時鐘允許信號線無效，此時的高電平信號經(jīng)過SN74ACT74觸發(fā)器的輸出端，作用在74ACT11825的輸出使能端上，使輸出信號為高阻態(tài)。

　　2 任意可編程分頻器的實現(xiàn)

　　任意可編程分頻器是用來實現(xiàn)對40MHz時鐘信號的任意分頻，它實現(xiàn)的分頻值由輸入的初始值d[WIDTH-10]所決定。這里取WIDTH=10,則能實現(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硬件語言描述的分頻器代碼如下：

　　在MAX PLUS II軟件中進行仿真，設(shè)定DATA[70]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

　　采用Altera公司的FLEX系列的EPF10K20RC208-3的FPGA實現(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，而且對邏輯設(shè)計可事先進行功能模塊和定時模擬，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A1~A5為各個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。可用兩個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連接器上的信號控制DS1*、DS0*、WRITE*和地址線譯碼輸出地址信號共同產(chǎn)生DBEN*、LATCH*和DTACK*信號，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。用AHDL硬件描述語言實現(xiàn)讀狀態(tài)機、寫狀態(tài)機和中斷狀態(tài)機，產(chǎn)生的DBEN*、LATCH*、DTACAK*信號應(yīng)符合VXI總線系統(tǒng)中數(shù)據(jù)讀/寫的時序規(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，實現(xiàn)對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。