采用PCI9052及GP2010實(shí)現GPS信號采集

關(guān)鍵詞：PCI總線(xiàn) GPS DMA

引言

全球定位系統GPS（Global Position System），可以給用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的定位、速度和時(shí)間信息?，F在的GPS接收機大多采用硬件電路進(jìn)行碼相關(guān)運算，結構復雜，更新升級比較困難；而基于軟件無(wú)線(xiàn)電的GPS接收機受電路限制較少，更新?lián)Q代只需調整相應軟件，十分靈活。該數據采集卡就是基于以上考慮設計的。

1 PCI9052的特點(diǎn)與功能

PCI9052（以下簡(jiǎn)稱(chēng)9052）提供高性能的從目標PCI接口板卡與PCI總線(xiàn)的連接，支持寬范圍速率的本地總線(xiàn)，最高可達132 MB/s的傳輸速率。對9052編程可實(shí)現復用/非復用的8位、16位、32位的本地總線(xiàn)接口。9052還有內部FIFO可以加速本地總線(xiàn)的操作，此外它還有以下功能：

①支持PCI r2.1版本，可以方便地將ISA卡轉換為PCI卡；

②支持從目標傳輸模式，可以對存儲器空間進(jìn)行突發(fā)讀/寫(xiě)，對I/O空間單次訪(fǎng)問(wèn)；

③2個(gè)本地中斷總線(xiàn)配置；

④可編程的本地總線(xiàn)配置；

⑤串行E2PROM配置；

⑥4個(gè)本地片選引腳，5個(gè)本地空間；

⑦多種本地讀/寫(xiě)操作模式，方便地實(shí)現PCI與本地的接口。

圖1給出了9052內部結構。

2 GP2010射頻前端器件

GP2010（以下簡(jiǎn)稱(chēng)2010）是為GPS接收機設計的射頻前端器件，它接收GPS（L1）調制信號。L1是50位/Hz的信息碼速率經(jīng)過(guò)1.023MHz的偽隨機碼擴頻后以BPSK方式調制在1575.42MHz的載波上形成的擴頻信號。信號電平在進(jìn)入天線(xiàn)之前大約只有-130dB，帶寬為2.046MHz，所以L(fǎng)1基本上被噪聲所掩蓋。2010經(jīng)過(guò)內部鎖相環(huán)頻率綜合器產(chǎn)生1.4GHz、140MHz、與31.11MHz的三級時(shí)鐘分別與射頻輸入的L1信號進(jìn)行混頻，其中還經(jīng)過(guò)3級濾波抑制帶外干擾，最后將其變換到4.309MHz的中頻，然后進(jìn)行5.714MHz的采樣實(shí)現A/D變換（2位量化，符號位SIGN和數據位MAG）。根據奈奎斯特定律對帶通信號要以高于兩倍的信號帶寬進(jìn)行采樣才可無(wú)失真的恢復，用5.714MHz的速率采樣也要考慮到信號傳播過(guò)程中由于相對運動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒效應使信號帶寬變寬的緣故。量化數據在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿輸出。圖2給出2010的內部結構圖。

圖2 GP2010內部結構圖

3 數據采集卡系統結構

GPS信號數據采集卡實(shí)現基本的一路GPS衛星信號的采集工作。由于2010為2位、5.714MHz的采樣速率，我們在FPGA中首先將2位數據進(jìn)行串并變換，使其每滿(mǎn)32位后進(jìn)行一次傳輸存儲，這樣存儲速率就變?yōu)?57.12kHz。緩存選用4片18k16位的FIFO,這樣就可以省略地址產(chǎn)生邏輯。在程序設計中，采樣數據首先存入FIFO（A），待滿(mǎn)后會(huì )產(chǎn)生相應的中斷，中斷服務(wù)程序將讀取其中的數據。在讀過(guò)程中，采樣數據會(huì )繼續寫(xiě)入FIFO（B），如此反復可將數據采入計算機內存。選用緩存時(shí)，建議在可行的情況下，容量越大越好。因為PCI總線(xiàn)上，除了設計的采集卡在不斷地申請占用總線(xiàn)外，還會(huì )有其余的設備占用，如果緩存不夠大將會(huì )丟失采樣數據。FPGA的主要功能是實(shí)現數據串行變換、控制采樣過(guò)程和與FIFO的接口邏輯。圖3是該數據采集卡的系統框圖。

4 9052使用中應該注意的問(wèn)題

9052內部的配置寄存器是通過(guò)外部串行E2PROM上電加載的。9052會(huì )自動(dòng)根據該E2PROM的狀態(tài)來(lái)決定其內部寄存器的值。如果E2PROM不存在（此時(shí)E2PROM和9052連接的數據引腳應加上拉電阻）或其內部無(wú)有效值，9052會(huì )將其內部寄存器配置為缺省值。值得一提的是，如果E2PROM內部沒(méi)有燒寫(xiě)為有效值時(shí)，應保證其開(kāi)始48位為全“1”；否則，系統上電時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生錯誤。

9052有5個(gè)本地空間，用戶(hù)可根據實(shí)際需要進(jìn)行相應的配置。當將本地空間配置成I/O時(shí)，對該空間的讀/寫(xiě)操作只能單次進(jìn)行。利用PLXMon來(lái)開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序（調用其提供的API函數）進(jìn)行I/O讀/寫(xiě)，速度會(huì )十分慢（一般不會(huì )超過(guò)500kHz）；而如配置成存儲器空間，用戶(hù)會(huì )有多種接入模式，可大大提高接入速度。突發(fā)模式是為提高本地總線(xiàn)操作速度而設計的。在該模式期間，9052只提供一次傳輸開(kāi)始和終止信號。開(kāi)始信號有效后，地址將以本地時(shí)鐘的頻率（最高可達40MHz）遞增，可以利用Bterm#引腳是否有效來(lái)終止突發(fā)操作。由于FIFO只需要一個(gè)口地址，在設計中為了利用其快速的存儲器訪(fǎng)問(wèn)（突發(fā)訪(fǎng)問(wèn)）特性，我們還是為其分配了36KB的地址空間，以保證在該范圍內FIFO的片選始終有效。圖4是一次突發(fā)讀時(shí)序。其中LCLK是本地時(shí)鐘，ADS有效表示一次傳輸的開(kāi)始，BLAST有效表示本次傳輸的終止。

在此須澄清一個(gè)概念：Pentium系列計算機（指CPU），不支持突發(fā)讀操作，只可能產(chǎn)生單次讀操作。用戶(hù)若想在PCI總線(xiàn)上實(shí)現突發(fā)操作（FRAME信號有效，多余一個(gè)PCI時(shí)鐘周期），應使用支持DMA傳輸的芯片，如PLX9054。但9052會(huì )將PCI總線(xiàn)上的多次單次讀操作轉化為本地空間上的突發(fā)操作。

5 PLXMon及PLX器件驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

PLXMon是PLX公司專(zhuān)為其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的測試軟件。在用戶(hù)的板卡插入PCI槽，并安裝了PLXMon提供的驅動(dòng)程序后，啟動(dòng)該軟件就可以觀(guān)察和修改芯片內部寄存器的值，并可以對存儲器空間進(jìn)行測試。

Windows下的驅動(dòng)程序包括硬件物理設備的驅動(dòng)程序和文件系統等非物理設備的虛擬設備驅動(dòng)程序，我們所編寫(xiě)的是硬件物理設備的驅動(dòng)程序。Windows類(lèi)操作系統（Windows 95、Windows 98、WindowsNT、Windows 2000）為了保證其安全性、穩定性和可移植性，對應用程序訪(fǎng)問(wèn)硬件資源加以限制，用戶(hù)需要對系統硬件及操作系統軟件有詳細的了解才可開(kāi)發(fā)出高效的驅動(dòng)程序，因此開(kāi)發(fā)周期較長(cháng)。利用第三方提供的開(kāi)發(fā)軟件，可以大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，但效率不一定高，尤其對實(shí)時(shí)性要求嚴格的程序顯得有些無(wú)力。

①Device Developer Kit(DDK)。該軟件中包括了有關(guān)設備驅動(dòng)開(kāi)發(fā)的文檔、編譯需要的頭文件和庫文件、調試工具和程序范例；但是由于DDK主要是使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行描述，開(kāi)發(fā)起來(lái)比較困難。

②VtoolsD。該軟件包是基于C/C++的，支持BorlandC++和VisualC++，使用和維護比較方便。

③WinDriver。允許用戶(hù)使用Visual C++、Borland或者其它Win32編程工具軟件在用戶(hù)模式（UserMode）上編寫(xiě)設備驅動(dòng)程序。

④PLXMon。PLX公司專(zhuān)為其芯片提供的驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)包和測試軟件，同樣可以在用戶(hù)模式上編寫(xiě)。支持Visual C++環(huán)境。

圖4 突發(fā)讀時(shí)序

在開(kāi)發(fā)程序時(shí)，我們發(fā)現PLXMon和WinDriver不兼容，而且除非有正式版本的WinDriver；否則試用期過(guò)后，利用它開(kāi)發(fā)的驅動(dòng)程序將無(wú)法使用。所以建立使用PLXMon，只需包括相應的頭文件，用戶(hù)便可以方便地調用其提供的API函數，對板卡上的資源進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。以下的程序片段是在調試電路板時(shí)編寫(xiě)的基本查詢(xún)中斷是否有效來(lái)讀取緩存的。所調用的函數均為PLXMon提供的API函數。其中：PlxPciBaseAddressesGet（）是得到板卡上存儲空間的物理地址，而*（Data+i）=*(U32*)(va.Va3)是將該空間的值裝入計算機內存。

圖5是驅動(dòng)程序流程圖。

程序段如下：

Example:

rc_w=PlxPciBaseAddressesGet(hDevice,va)；

while(TRUE){

Int_Flag=*(U32*)(va.Va0+0x4c);

if(Int_Flag[0]4) {

for(i=0;iFIFO_Size;i++)

*(Sample_Data+i)=*(U32*)(va.Va3);

*(U32*)(va.Va0+0x4c)=Clear_Flag;

break；

}

}

結語(yǔ)

由于PCI總線(xiàn)的高速特性，使其被廣泛應用于高速數據采集系統中，有效地解決了實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)存儲等問(wèn)題。而PCI總線(xiàn)控制器專(zhuān)用芯片的出現則縮短了PCI總線(xiàn)硬件設備的開(kāi)發(fā)周期，使得硬件設備的可靠性和穩定性都有了較大的提高。在開(kāi)過(guò)程中，我們發(fā)現要想有高效率的操作特性，使用第三方提供的驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)包總是不太理想，尤其對于高速采樣及實(shí)時(shí)嚴格的系統。用戶(hù)還是要利用DDK開(kāi)發(fā)符合自己要求的驅動(dòng)程序。該數據采集卡實(shí)現了一路GPS信號的采集工作，為今后利用通用PC機進(jìn)行數字信號的捕獲、跟蹤及解調，初步實(shí)現軟件無(wú)線(xiàn)電GPS接收機打下基礎。