基于FPGA與ARM進行遙測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的流程剖析

以太網(wǎng)接口通信速度快，傳輸可靠，使用和配置方便，對于20 Mb／s以下的碼速率，100 Mb／s的網(wǎng)卡可以進行不丟包轉(zhuǎn)發(fā)，采用TCP包格式還可使設(shè)備小型化，便于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，因此有必要擴展設(shè)備的以太網(wǎng)功能。

1 整體模塊設(shè)計

1．1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。其中，采編器或接收機解調(diào)輸出的PCM信號及時鐘輸入到FPGA中進行幀同步，IRIG—B碼信息也送到FPGA中進行解調(diào)，得到時間信息。數(shù)據(jù)與時間一起存入SRAM乒乓緩沖區(qū)中，達到一定大小后，F(xiàn)PGA向ARM處理器發(fā)器中斷，ARM中運行的Linux系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)取走，進行TCP／IP打包，發(fā)送給接收計算機。

在設(shè)備開始工作前，需要在計算機端進行參數(shù)設(shè)置，計算機TCP／IP包將參數(shù)發(fā)送給ARM處理器，由ARM處理器轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA。幀同步器的設(shè)計中，碼速率為100b／s～10Mb／s，幀長為4～4 096Word，幀同步碼組為4～32，ARM網(wǎng)卡為100Mb／s。

1．2 硬件實現(xiàn)

PCB采用6層結(jié)構(gòu)，相鄰布線層，水平垂直交叉，電路層與電源層單獨分開，提供良好的電磁兼容特性。

1．2．1 FPGA

FPGA選擇EP1C12，為實現(xiàn)乒乓緩沖結(jié)構(gòu)，采用SRAM為IS61LV25616。輸入信號使用SMA線纜連接，在傳輸過程中會引入衰減，信號輸入輸出易出現(xiàn)阻抗不匹配的情況，選用AD8556構(gòu)成射隨器，對輸入信號進行匹配，同時也增大模擬源的輸出能力。

1．2．2 ARM

在此采用S3C2440，內(nèi)核為ARM920T，最高頻率為400 MHz，帶MMU支持操作系統(tǒng)。內(nèi)存采用2×32 MB的SDRAM，存儲采用128 MB NAND FLASH，網(wǎng)卡采用DM9000A。

1．2．3 ARM與FPGA的接口連接

這里采用總線接口，將FPGA作為一個存儲設(shè)備掛在ARM的存儲器總線上，如圖2所示。

FPGA在ARM中起始地址為0x18000000，以4 B對齊，占用0x80個地址，地址范圍為0x18000000～Ox1800007C，中斷為EINT0。

在FPGA內(nèi)部采用讀／寫指針來模擬FIFO，用一個地址來讀取FPGA數(shù)據(jù)，其余地址用于配置幀同步器與模擬源的參數(shù)。

2 幀同步與B碼解調(diào)

FPGA完成PCM數(shù)據(jù)的幀同步和解調(diào)B碼，寫入到乒乓SRAM緩沖區(qū)中，實現(xiàn)如圖3所示。

2．1 幀同步模塊

幀同步器根據(jù)幀同步碼組的相關(guān)性和周期性，經(jīng)過相關(guān)運算將同步碼從PCM串行流中識別出來，原理框圖如圖4所示。

PCM數(shù)據(jù)按時鐘進行串／并轉(zhuǎn)換，與本地幀同步碼進行同或運算后再與上屏蔽位，由全加網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)運算結(jié)果按位相加統(tǒng)計結(jié)果中1的個數(shù)，大于門限值則表示可能接收到了幀同步碼。

為避免虛警和漏檢，使幀同步器穩(wěn)定可靠工作，采用搜索、校核、鎖定三態(tài)邏輯。

系統(tǒng)開始時處于搜索態(tài)，符合相關(guān)器輸出，由搜索態(tài)轉(zhuǎn)入校核態(tài)。在預(yù)期檢測窗口內(nèi)沒有幀碼，從校核返回到搜索態(tài)。連續(xù)通過校核數(shù)α，進入鎖定態(tài)。為避免幀同步碼的漏檢，連續(xù)漏檢超過保護幀數(shù)β，幀同步才返回搜索態(tài)，否則保持在鎖定態(tài)，幀脈沖由本地產(chǎn)生。

2．2 IRIG—B碼解調(diào)

IRIG時間序列碼是一種串行碼，共有3種碼元，如圖5所示。

P碼元是位置碼元，連續(xù)2個P碼為一幀的開始，第1個P碼元定義為P0，第2個P碼元為秒脈沖pps，上升沿為該秒的準時刻，時間信息以BCD碼依次分布在其后的碼元中。解調(diào)時先進行pps的提取，再進行秒、分、時、天的信息提取，其流程如圖6所示。

時鐘頻率為1 MHz，用計數(shù)器對輸入信號的脈寬進行計數(shù)。8 ms，5 ms，2 ms脈寬計數(shù)為8 000，5 000，2 000。輸入B碼的脈寬會混有干擾，晶振時鐘也存在一定的誤差，計數(shù)器的計時判別應(yīng)浮動一個范圍，設(shè)置門限為脈寬的85％～115％，當滿足一定范圍的數(shù)值時，分別輸出P碼，0碼，1碼信號。

FPGA中的時碼產(chǎn)生“天：時：分：秒：毫秒：微秒”信息。解調(diào)出B碼時，F(xiàn)PGA更新內(nèi)部時間，B碼中不含毫秒與微秒信息，由FPGA根據(jù)秒脈沖信息的準時刻來生成。

3 FPGA驅(qū)動程序開發(fā)

在Linux中，所有的硬件設(shè)備都像常規(guī)文件一樣進行打開、關(guān)閉和讀／寫。把FPGA當作字符設(shè)備進行設(shè)計，驅(qū)動由設(shè)備加載與卸載，以及文件操作file_operation結(jié)構(gòu)體中成員函數(shù)組成。

3．1 加載與卸栽設(shè)備驅(qū)動

FPGA設(shè)備驅(qū)動程序初始化流程為動態(tài)獲得主設(shè)備號、字符設(shè)備注冊和申請中斷；卸載流程為注銷設(shè)備，釋放設(shè)備編號。

定義一個設(shè)備結(jié)構(gòu)體來表示FPGA，如下：

當用戶程序讀FPGA設(shè)備時，數(shù)據(jù)還未準備好，此時驅(qū)動程序應(yīng)該阻塞該進程，將其置入睡眠狀態(tài)直到條件滿足。此時需要初始化一個等待隊列頭，對讀進程的休眠和喚醒時使用：

在卸載函數(shù)中，刪除一個cdev，完成字符設(shè)備的注銷，然后釋放設(shè)備編號：

3．2 文件接口操作

Linux為所有的設(shè)備文件都提供了統(tǒng)一的操作函數(shù)，F(xiàn)PGA設(shè)備驅(qū)動。file_operations包含打開函fpga_open、讀函數(shù)fpga_read、設(shè)置參數(shù)函數(shù)fpga_ioctl和關(guān)閉設(shè)備函數(shù)fpga_release。

3．2．1 打開與關(guān)閉FPGA設(shè)備

在打開設(shè)備與關(guān)閉設(shè)備時會調(diào)用open函數(shù)與release函數(shù)，在open函數(shù)中，要對設(shè)備進行I／O內(nèi)存資源映射及中斷申請。

設(shè)備驅(qū)動程序中，需通過內(nèi)存管理單元MMU將設(shè)備的虛擬地址映射到物理地址。根據(jù)FPGA在S3C2440中的物理地址，定義如下宏：

使用ioremap（）對FPGA的I／O內(nèi)存資源進行映射，把物理內(nèi)存地址映射為一個內(nèi)核指針：

數(shù)據(jù)交換采用中斷，需先設(shè)置硬件中斷方式，然后向系統(tǒng)注冊中斷函數(shù)，實現(xiàn)如下：

FPGA連接在ARM的EINT0上，isr_fpga為中斷處理函數(shù)指針。當關(guān)閉FPGA設(shè)備時，需釋放I／O內(nèi)存，釋放中斷：

3．2．2 驅(qū)動程序控制接口Ioctl

Ioctl用來設(shè)置FPGA中幀同步器和模擬源的參數(shù)，部分設(shè)置命令如表1所示。

在此，采用統(tǒng)一的命令碼方式，包含幻數(shù)、序數(shù)、傳輸方向、數(shù)據(jù)長度，使用宏_IO（），_IOR（），_IOW（）和IOWR（）輔助生成，如命令0設(shè)置如下：

在Ioctl中，采用switeh（cmd）來實現(xiàn)對FPGA參數(shù)的設(shè)置及FPGA狀態(tài)的讀取。

3．2．3 中斷函數(shù)及讀函數(shù)

當FPGA產(chǎn)生中斷時，根據(jù)緩沖區(qū)的大小，中斷函數(shù)循環(huán)對FPGA映射后的地址讀取數(shù)據(jù)。ARM與FPGA接口為16位，使用inw讀取，數(shù)據(jù)存放在驅(qū)動程序的緩沖區(qū)中：

應(yīng)用程序讀取數(shù)據(jù)時，調(diào)用read函數(shù)，參數(shù)buffer為用戶空間緩沖區(qū)的指針，利用copy_to_user函數(shù)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間，當設(shè)備中暫時沒有數(shù)據(jù)時，讀進程應(yīng)當被休眠：

flag為一個標志位，當flag被中斷函數(shù)設(shè)置為1時表示設(shè)備中有數(shù)據(jù)，此時讀進程可被換醒。

3．2．4 用戶程序及測試

設(shè)備驅(qū)動實現(xiàn)后，需編寫相應(yīng)的用戶程序來進行測試驅(qū)動程序和實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)。在用戶程序中，讀／寫FPGA設(shè)備使用與普通文件一樣的操作函數(shù)。移植Linux時配置好網(wǎng)卡的地址，然后使用Socket編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的TCP／IP轉(zhuǎn)發(fā)，用遙測軟件接收到的數(shù)據(jù)測試如圖7所示。

通過測試可以看到，同步碼FDB18450被正確識別，IRIG-B解碼為當前時間。

4 結(jié)語

在此，基于FPGA與ARM進行遙測數(shù)據(jù)的幀同步遙測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，充分地利用了FPGA與ARM各自的特點，它可使FPGA+ARM在數(shù)據(jù)接收處理中得到廣泛應(yīng)用。