基于CPLD的聲發(fā)射信號傳輸系統設計

　　聲發(fā)射技術(shù)是光纖傳感技術(shù)和聲發(fā)射技術(shù)相結合的產(chǎn)物，是目前聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展趨勢。它將高靈敏度聲發(fā)射傳感器安裝于受力構件表面以形成一定數目的傳感器陣列，實(shí)時(shí)接收和采集來(lái)自于材料缺陷的聲發(fā)射信號，進(jìn)而通過(guò)對這些聲發(fā)射信號的識別、判斷和分析來(lái)對材料損傷缺陷進(jìn)行檢測研究并對構件強度、損傷、壽命等進(jìn)行分析和研究。

　　在實(shí)際的構件檢測中，現場(chǎng)聲源信號通常是在100～800 khz之間的微弱高頻信號，而且材料損傷檢測、聲發(fā)射源定位往往需要多個(gè)傳感器形成傳感器陣列，而聲發(fā)射信號的數據傳輸系統必須達到640 mbps以上的數據傳輸能力;并應具有應付突發(fā)或長(cháng)時(shí)間數據接收和存儲能力。本文就是利用CPLD來(lái)實(shí)現對聲發(fā)射信號的采集，從而有效解決了數據的實(shí)時(shí)傳輸和存儲問(wèn)題。

　　1 系統方案設計

　　本方案采用fifo存儲器構成外部大容量數據緩沖區，而使用pci總線(xiàn)的dma傳輸方式與微機進(jìn)行高速數據傳輸?，F場(chǎng)聲發(fā)射信號經(jīng)過(guò)ad轉換和驅動(dòng)電路驅動(dòng)后進(jìn)入pci板卡，然后將部分數據鎖存，同時(shí)將并行信號轉換為串并行信號，通過(guò)cpld控制邏輯電路存入fifo。當fifo存儲器中的數據到達一定狀態(tài)時(shí)，cpld控制邏輯會(huì )產(chǎn)生中斷信號給pci9054總線(xiàn)控制器，之后由后者啟動(dòng)dma傳輸將數據傳人計算機內存中。dma傳輸完成后，pci9054產(chǎn)生通道中斷，并由計算機將數據從內存取出存入硬盤(pán)。該數據存儲傳輸模塊的總體框圖如圖1所示。

　　2 fifo數據存儲電路設計

　　fifo是一個(gè)先人先出的雙口緩沖器，為保證整個(gè)系統正常工作，fifo存儲器允許系統進(jìn)行dma操作，以提高數據的傳輸速度。否則，數據傳輸將達不到傳輸要求，而且會(huì )大大增加cpu的負擔，甚至無(wú)法同時(shí)完成數據的存儲。

　　本設計在數據傳輸系統中采用了六片idt72281芯片來(lái)緩存數據，并將其分成兩組，其中由三片fifo進(jìn)行字寬擴展，圖2所示是其緩存傳輸示意圖。按照這種設計，其字寬可達27位，可以傳輸24位數據和兩個(gè)otr位。

　　3 cpld邏輯控制

　　本系統中由于要對高速信號進(jìn)行處理，因此，對控制信號的時(shí)序要求比較嚴格。在控制芯片的選擇上要盡量選用時(shí)延小、速度快的芯片。本設計采用美國altera公司的max7000s系列可編程邏輯器件epm7128slc84-15，并采用max+plusⅱ來(lái)完成系統的輸入、編譯、驗證及編程，進(jìn)而完成向量測試及仿真.最后的數據可通過(guò)下載線(xiàn)傳輸到芯片中來(lái)完成芯片的配置。

　　3.1 cpld邏輯控制電路

　　cpld為采樣控制器的核心，數據傳輸所要求的嚴格時(shí)序控制關(guān)系就由cpld負責處理。它在本系統中主要負責產(chǎn)生與pci9054的握手信號、數據存儲器的片選信號和讀寫(xiě)控制信號。cpld的外圍信號接口如圖3所示。

　　cpld可根據fifo存儲器的時(shí)序控制要求產(chǎn)生控制信號，并在第一個(gè)時(shí)鐘周期中將數據分別存入fifo和數據鎖存器74ls373中，而在第二個(gè)時(shí)鐘周期將鎖存器中的數據再存入fifo，從而完成并行數據向串行數據的轉換。同時(shí)根據存儲器的相關(guān)信號向pci9054控制器發(fā)出中斷請求，并在pci9054讀取數據時(shí)產(chǎn)生相應的控制邏輯。

　　3.2 cpld控制邏輯

　　當并行數據進(jìn)入板卡后，cpld首先將一部分數據存入鎖存器，而將另一部分數據直接存入fifo。但此時(shí)必須將寫(xiě)時(shí)鐘信號wclk進(jìn)行二分頻，以便在一個(gè)ad轉換周期內完成兩次fifo寫(xiě)操作。當fifo數據到達半滿(mǎn)時(shí)，cpld便向pci9054發(fā)出中斷申請，并由pci9054將該申請傳入計算機。若系統響應該中請，則在中斷響應程序內發(fā)出讀命令，以讀取字節數和地址信號等。

　　pci9054通過(guò)lhold申請local總線(xiàn)控制權，而cpld則通過(guò)lholda響應，以使pci9054能得到局部總線(xiàn)的控制權。pci9054首先將pci地址窄間映射到本地地址空間，接著(zhù)啟動(dòng)本地總線(xiàn)的散聚dma周期。cpld收到讀信號(lw/r)、地址選通信號(ads)和地址(la16、la17)后便開(kāi)始傳送數據。當la16位為0，la17位為1時(shí)，系統將使能后三片fifo的讀使能端(ren2)，以使后三片fifo數據線(xiàn)上的q0～q31有效而同時(shí)也使pci9054的準備好信號(ready)有效，開(kāi)始數據傳送。在最后一個(gè)數據傳送之前，blast信號有效，之后，cpld將在一個(gè)時(shí)鐘周期后使fifo的讀使能(ren1或ren2)無(wú)效，從而完成一次數據傳送過(guò)程。

　　3.3 控制程序設計

　　pci9054單周期讀、寫(xiě)和dma讀的vhdl語(yǔ)言時(shí)序控制狀態(tài)機設計如圖4所示。圖中，s0為空閑狀態(tài)。當本地總線(xiàn)請求信號lhold被置1時(shí)轉到s1，否則留在s0。s1為總線(xiàn)保持狀態(tài)，此狀態(tài)下應將本地總線(xiàn)響應信號lholda置1。如ads信號為0且lw/r為1則轉到s3，如ads信號為1且lw/r和blast為0則轉到s4，這種狀態(tài)表明此次讀操作為單周期讀。s2為dma讀狀態(tài)，在此狀態(tài)下應將ready信號和fifo讀使能信號ren1置0。如blast為1，則表明此次dma讀取還未完成，應繼續留在s2，如blast為0，則表明此次dma讀取完成，可轉到s4。s3為單周期寫(xiě)狀態(tài)，此狀態(tài)下也要置ready信號為0以表示寫(xiě)數據有效，并在blast為0時(shí)轉到s4。s4為讀寫(xiě)操作完成狀態(tài)，當lhold被置0時(shí)，表明pci9054不再請求本地總線(xiàn)，此時(shí)應轉到s0，當blast為0且lhold為1時(shí)，表明pci9054還要進(jìn)行數據讀寫(xiě)，故應轉到s1繼續操作。

　　3.4 控制程序邏輯的仿真結果

　　max+plusⅱ是開(kāi)發(fā)aletra公司的fpga/CPLD系列產(chǎn)品的軟件工具，本設計利用此工具提供的設計環(huán)境和設計工具來(lái)對cpld控制程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調試。其功能時(shí)序如圖5所示。

　　cpld的設計是用vhdl編程實(shí)現的。本設計的操作代碼都已經(jīng)過(guò)仿真，并在實(shí)際調試中得到應用。

　　4 系統驅動(dòng)程序設計

　　本設計使用driv erworks的driverwizard來(lái)創(chuàng )建wdm框架程序?？筛鶕O計需求添加程序代碼，從而完成pci設備的dma傳輸系統驅動(dòng)程序，以執行dma操作、訪(fǎng)問(wèn)i/o端口和存儲器空間、處理器中斷和訪(fǎng)問(wèn)pci。根據系統需要，驅動(dòng)程序的關(guān)鍵是三個(gè)方面：硬件訪(fǎng)問(wèn)、中斷處理和dma傳輸。

　　kdmaadapter類(lèi)可用于建立一個(gè)dma適配器，以標明一個(gè)dma通道的特性和提供串行化訪(fǎng)問(wèn)服務(wù);kdmatransfer類(lèi)則用于控制dma的傳輸和啟動(dòng)dma傳輸，以傳輸dma數據緩沖區物理地址和字節數，dma傳輸結束后，數據將由公用緩沖區拷貝到應用數據緩沖區;kcommon dmabuffer用于實(shí)現公用緩沖區的操作。對于dma操作，本系統還提供了一個(gè)特殊的內存，即公用緩沖區。應當說(shuō)明的是，公用緩沖區是稀有的系統資源，應該避免浪費使用。

　　5 結束語(yǔ)

　　本文給出了數據緩存、傳輸模塊控制電路的設計，并采用vhdl語(yǔ)言和cpld很好的完成邏輯控制任務(wù)和系統驅動(dòng)程序的編寫(xiě)與調試。實(shí)驗結果表明，該數據存儲傳輸模塊的硬件、軟件工作十分可靠、穩定，可實(shí)現640 mbps(80 mbyte/s)以上實(shí)時(shí)數據的存儲與傳輸，完全能滿(mǎn)足聲發(fā)射信號采集的要求。