电路总线数据基于PC104总线的2FSK调制器的设计与实现_我的网站

电路总线数据基于PC104总线的2FSK调制器的设计与实现

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摘要:总线与外围设备的接口一直是现代工业控制中最常用而又很重要的一项内容;FPGA由于其诸多优点也受到电路设计者的青睐,得到越来越多的应用。该调制器集成了这两方面的应用,将PC104总线上的数据通过FPGA进行数字调制,经放大滤波后产生连续、没有相位突变的2FSK信号,并输出到外围设备,起到数据传输和控制的作用。
关键词:PC104总线;FPGA;2FSK;调制器

嵌入式计算机系统在现代工业控制中发挥着越来越重要的作用,它具有便携、可靠、低功耗、通用、易扩展等诸多优点。使用嵌入式系统进行工业控制要涉及到计算机数据的传输、采集、调制解调等一系列问题。
本调制器是一种基于PC104总线的嵌入式系统的外围设备,嵌入式计算机系统通过PC104总线将数据发送到端口,调制器接收数据并进行调制后,将信号输出到受控设备,从而对相应设备起到控制的功能。在本调制器的硬件电路中使用FPGA,提高了系统的通用性。

1 总体结构
该调制器实现的功能主要包括:识别并接收总线发送的数据;根据不同地址控制信号将数据按路区分(共四路);每路分别将数据按照连续调制的方式进行2FSK调制;对调制后的信号进行放大整形并发送到端口。
因此,该调制器的电路部分分别包括数据接收部分、FPGA及外围电路(实现数据分路及数字调制功能)、D/A转换电路、放大滤波电路等。系统总体结构如图1所示。

2 PC104总线及数据接收电路
PCI04总线是专门为嵌入式系统开发的系统总线,是一种自堆栈式、模块化的总线,它基于ISA总线发展而来,有16位和8位两种接口方式(分别为64+40引脚和64引脚端口结构),该总线具有结构紧凑、便携、可靠、功耗低、易扩展等优点。对于工程开发而言,常用的引脚主要有以下几个:
SD0~SD7,SD8~SD15:数据总线,当采用8位接口方式时,只有SD0~SD7工作;
SA0~SA19,LA17~LA23:地址信号,对端口进行操作时使用SA0~SA9;
AEN:DMA选通信号,为高电平时表示处于DMA模式;
IOW,IOR:端口写、读信号,低电平有效;
SYSCLK:系统提供的基准时钟信号,是标准的方波信号,约为8 MHz;
VCC,GND,+12 V,-12 V:系统提供的电源接口。


数据接收电路就是要在正确的时序上将所需的数据进行提取,还要实现将电路工作状态传送回总线,以便总线决定是否发送下组数据的功能。由于PC104总线最高支持约8 MHz的时钟频率,而受控设备所需的2FSK信号频率为几千赫兹,因此这里只用8位数据总线就完全能够满足要求。
总线接收电路如图2所示。其中SD0~SD9,SA0~SA9是从总线发来的数据、地址信号,SELO~SEL3为分路选择信号,ANSWER0~ANSWER3为FPGA的状态返回信号,由于总线速度要比2FSK输出速度高得多,因此,总线要对FPGA数据缓存器是否为空进行查询,当FPGA没有完成数据转换时,总线要等下个周期,直到状态返回信号显示FPGA内部为空时,总线才可以发送下组数据到FPGA。74LS273负责将每路的数据分别进行锁存,4路数据共使用4个。OUT1D0~D7为第一路8位数据输出,LOCK0为其控制信号,表示数据的更新。


3 FPGA及其外围电路
FPGA具有集成度高、设计灵活、易于修改、节省空间、通用性高等优点。本调制器中FPGA采用的是Al-tera公司的EPF10K20TC144-4器件,该器件具有20 000个典型门,1 153个逻辑单元,144引脚,包括2个全局输入时钟,4个全局输入,86个通用可编程I/O引脚。该芯片采用TQFP封装,芯片面积较小,功耗低,其输入、输出与TTL与PC104总线电平完全兼容。FPGA电路主要实现的功能为:接收数据提取电路发送的分路数据;以总线上的SYSCLK时钟为基准,通过分频产生受控设备能识别的频率;为每路输出进行2FSK的数字调制,保证信号的连续性;完成本身的FPGA电路配置。


FPGA配置电路如图3所示。


FPGA的配置使用PS和JTAG两种方式,既能实现JTAG方式下电路在线调试,又能保证调试完成后能够正确使用相应的配置器件。其中JP5*2插座为JTAG配置端口,TDI、TDO、TMS、TCK为JTAG配置引脚,该配置方式采用BlasterMV线,通过配置计算机的并口与电路板配置端口进行连接,用于将编写好的配置数据实时传送到FPGA,该方式主要用于电路调试;EPC1C8为FPGA配置器件,采用PS(被动串行)配置方式,由于FPGA内部存储器属于易失性RAM存储因此每次加电后都要将程序重新写入FPGA,配置器件本身就是存储器,其主要作用就是在每次加电后将程序写入FPGA,保证调试完毕的电路能够正常单独进行工作。
来自前级电路的数据及控制信号、发到D/A转换电路的数据都连接到FPGA芯片的通用I/O引脚,通过编程实现所需功能。对FPGA的编程使用Altera公司的QuartusⅡ软件,该软件采用图形化与VHDL语言混合编程,易于调试修改。编程实现的主要功能为:对输入数据进行锁存移位,确保每位数据都能得到正确处理;产生两组分频时钟参与2FSK调制,并使分频后的时钟按照时序进入数字调制器;数字调制器负责将不同频率始终按照顺序依次产生连续量化的8位正弦波数字量输出到端口。
本设计中由于采用两种频率分时产生,按时序进入调制器,而正弦波数字调制器单独工作的方法,保证了输出正弦波具有连续的相位,不会产生相位突变。

4 D/A转换电路
D/A转换共包括四路,其主要功能是将FPGA输出的已调制好的2FSK数字信号转换为正弦波信号。由于FPGA在进行数字调制时产生的是连续量化的正弦波形,两个频率之间不存在相位的突变,不会存在大量的高频杂波,因此,后期的信号处理电路使用放大电路与简单的丌型滤波器对信号进行处理即可得到比较理想的2FSK信号。
D/A转换电路如图4所示。


此电路采用AD7524作为D/A转换器,AD7524属于T型电阻网络型DAC,电流输出,8位数字输入,输出建立时间O.2 μs/0.15μs,其数字输入端可采用5 V/15 V两种输入,本电路采用兼容TTL电平的5 V输入。电路中将其输入控制端CS、WR同时接地,当有来自FPGA的数据AD1O1~7输入时无需锁存,直接进行转换,因此要求FPGA的输出要具有锁存功能,此接法可减少输出控制线,减少时序干扰。R1AD1和R1AD2为D/A输出波形调整电阻,主要用于调整波形位置,不致产生失真。D/A输出采用双极性接法,通过两路LM324通用放大器进行电压放大,输出2FSK信号。图5(a)为经过D/A转换后输出的波形在示波器上的截图,由图中可以看到,数字调制并经D/A转换后,波形是一种阶梯状正弦波,且波形连续,频率变换交界处无相位突变。该信号经过双极性放大器放大并通过丌型滤波器后变成如图5(b)所示的连续正弦波。


5 结 语
采用FPGA进行2FSK调制不但能产生连续相位,还能通过软件直接修改其调制方式、产生频率等一系列参数,具有很好的通用性。
本电路中数据提取电路属于原理性电路,实际设计中可将该部分电路置于FPGA内部进行设计,而系统参考时钟SYSCLK可接在FPGA的全局时钟输入端,减少延迟差异。


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