李盤(pán)文 王 亮 蔣宏娜

基于FPGA 的PCM解調(diào)器設(shè)計(jì)

李盤(pán)文 王 亮 蔣宏娜

針對(duì)航空測(cè)試中常用的PCM數(shù)據(jù)流，提出一種雙通道PCM解調(diào)器設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以FPGA為控制器，實(shí)現(xiàn)兩路PCM數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)解析。PCM解碼過(guò)程中進(jìn)行，幀同步和位同步的檢測(cè)，幀和位都同步則此幀數(shù)據(jù)有效。解析出一幀完整數(shù)據(jù)后通過(guò)USB發(fā)送給終端。

在航空測(cè)試領(lǐng)域，PCM作為數(shù)據(jù)傳輸和遙測(cè)的數(shù)據(jù)格式被廣泛使用。信息接收端需要解調(diào)器，對(duì)PCM進(jìn)行解調(diào)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)記錄。FPGA具有結(jié)構(gòu)靈活，設(shè)計(jì)周期短，可擴(kuò)展性強(qiáng)，接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，在高速信號(hào)實(shí)時(shí)處理領(lǐng)域越來(lái)越重要。本文提出使用FPGA同時(shí)對(duì)兩路輸入的PCM 數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析，解析出一幀完整數(shù)據(jù)后放入FPGA內(nèi)部RAM緩存，通過(guò)USB接口發(fā)送給外部設(shè)備。

硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，RS422電平轉(zhuǎn)換芯片，EEPROM芯片，USB驅(qū)動(dòng)芯片和FPGA組成。上位機(jī)通過(guò)串口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，PCM數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)RS422電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平，F(xiàn)PGA將解析出的PCM數(shù)據(jù)通過(guò)USB芯片發(fā)送出去。

控制器FPGA

FPGA選用altera公司的 EP3C80F484I7，此FPGA自帶多種接口的IP核，內(nèi)部有2810880位的存儲(chǔ)空間可以使用，可用IO 296個(gè)。此款芯片資源滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。

電平轉(zhuǎn)換模塊

上位機(jī)通過(guò)串口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置，使用MAX232將電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平供FPGA使用。PCM數(shù)據(jù)流為422電平，使用MAX3490將電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平供FPGA使用。

存儲(chǔ)器控制模塊

存儲(chǔ)器使用二線(xiàn)制I2C串行EEPROM AT24C02，此芯片有兩種寫(xiě)入方式，一種是字節(jié)寫(xiě)，一種是頁(yè)寫(xiě)，允許一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)對(duì)一個(gè)字節(jié)到一頁(yè)的若干字節(jié)進(jìn)行編程寫(xiě)入。

USB驅(qū)動(dòng)模塊

此模塊使用FTDI公司的USB接口芯片F(xiàn)T245BM，此芯片支持USB協(xié)議與并行I/O協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。使用時(shí)無(wú)需考慮固件設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)，從而能大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。FT245BM支持USB2.0規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)12M bps。

軟件設(shè)計(jì)

軟件按模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的運(yùn)行由FPGA控制完成，軟件由以下模塊：UART收發(fā)模塊，PCM解析模塊，控制模塊，數(shù)據(jù)緩存模塊，接口模塊。各功能模塊在控制模塊的控制下工作，來(lái)完成對(duì)PCM數(shù)據(jù)的采集和處理工作。組合模塊如圖2所示。

UART收發(fā)模塊

系統(tǒng)選用9600bit/s的波特率傳輸數(shù)據(jù)，上位機(jī)按照表1所示的格式將配置信息下發(fā)給FPGA，經(jīng)過(guò)奇校驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)誤，將數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線(xiàn)寫(xiě)入EEPROM。

表1 配置信息格式

在接收串口數(shù)據(jù)時(shí)，如圖3所示，在每個(gè)數(shù)據(jù)中間進(jìn)行采樣，此時(shí)數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定，第0位數(shù)據(jù)時(shí)起始位忽略，接下來(lái)是8位數(shù)據(jù)位和一位奇偶校驗(yàn)位都被采集，最后一位是停止位忽略。在每個(gè)碼元的每個(gè)采樣點(diǎn)處間隔兩個(gè)時(shí)鐘連續(xù)采樣三次，然后將這三次的采樣值兩兩按位與，再將相與的結(jié)果相或便得到該采樣點(diǎn)處的真實(shí)值，有效地防止了干擾造成的信號(hào)誤判。取到數(shù)據(jù)后將每一位按位取異或后與接受到的奇偶校驗(yàn)位對(duì)比，一致則數(shù)據(jù)正確有效，否則數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，給上位機(jī)回發(fā)aaaa。

PCM解析模塊

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 組合模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 串口接受數(shù)據(jù)時(shí)序

PCM幀結(jié)構(gòu)如圖4所示，一個(gè)主幀有多個(gè)子幀組成，每個(gè)子幀由同步頭，幀計(jì)數(shù)器，數(shù)據(jù)字構(gòu)成。字長(zhǎng)度為4～16，同步頭長(zhǎng)度為4～32位，且同步頭長(zhǎng)度是字長(zhǎng)度的倍數(shù)。

圖4 PCM幀格式

圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖6 數(shù)據(jù)接收流程

圖7 數(shù)據(jù)緩存

圖8 PCM解析功能仿真

PCM解析流程

PCM解析模塊負(fù)責(zé)完成位同步，子幀同步，串并轉(zhuǎn)換功能。PCM解析如圖5按如下步驟進(jìn)行：

（1）Idle狀態(tài)初始化計(jì)數(shù)器

（2）進(jìn)入SYN1狀態(tài)檢測(cè)同步頭

（3）當(dāng)檢測(cè)到同步頭時(shí)，進(jìn)入RX_PCM 狀態(tài)檢測(cè)是否為第一幀

（4）當(dāng)一幀數(shù)據(jù)接收完畢，進(jìn)入SYNX狀態(tài)檢測(cè)后面跟著的是否是同步頭

（5）當(dāng)檢測(cè)到同步頭時(shí)，判斷主幀數(shù)據(jù)是否接收完畢

（6）一主幀數(shù)據(jù)接受完畢，進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)接收

幀同步頭檢測(cè)

同步頭檢測(cè)分為兩種，一種主幀開(kāi)始的同步頭檢測(cè)即SYN1狀態(tài)，如圖6左圖所示。一種是子幀數(shù)據(jù)接收完成后同步頭檢測(cè)即SYNX狀態(tài)，如圖6中圖所示。

PCM數(shù)據(jù)接收

PCM有多種編碼模式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有NRZL和BiΦL兩種碼型，以NRZL為例。數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿發(fā)生變化，在時(shí)鐘的下降沿處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以當(dāng)檢測(cè)到時(shí)鐘下降沿時(shí)進(jìn)行采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)處間隔兩個(gè)時(shí)鐘連續(xù)采樣三次，然后將這三次的采樣值兩兩按位與，再將相與的結(jié)果相或便得到該采樣點(diǎn)處的真實(shí)值。

如圖6右圖所示，接收PCM數(shù)據(jù)，一子幀數(shù)據(jù)接收完畢后需檢測(cè)后面的數(shù)據(jù)是否為同步頭，如果不是則將此幀數(shù)據(jù)丟棄并重新檢測(cè)主幀同步頭。

數(shù)據(jù)緩存模塊

數(shù)據(jù)在被處理的同時(shí)被寫(xiě)入雙口RAM，當(dāng)一主幀數(shù)據(jù)處理完畢，產(chǎn)生一個(gè)完成標(biāo)志，同時(shí)將高位地a16 取反。系統(tǒng)檢測(cè)到完成標(biāo)志就將數(shù)據(jù)從RAM通過(guò)USB接口發(fā)出去，同時(shí)繼續(xù)接收下一幀PCM數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)調(diào)試

通過(guò)modesim進(jìn)行功能仿真。，對(duì)系統(tǒng)配置，同步頭FE6B2840，字長(zhǎng)16，一幀有4個(gè)字，一主幀有三個(gè)子幀。如圖8所示，系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)時(shí)將有效的數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)PCM格式進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了基于FPGA的兩路PCM解調(diào)器，解調(diào)器可以在接受PCM數(shù)據(jù)的同時(shí)，進(jìn)行位同步和幀同步的檢測(cè)并將數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM。處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)USB發(fā)給外部設(shè)備。經(jīng)過(guò)調(diào)試系統(tǒng)工作正常，可以實(shí)現(xiàn)PCM解調(diào)功能，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2016.06.024