基于FPGA的無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)模塊設(shè)計(jì)方案

1 前言

　　近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)方法的迅速發(fā)展，系統(tǒng)級(jí)芯片SOC的設(shè)計(jì)得以高速發(fā)展，這已成為業(yè)界熱點(diǎn)。但是，由于SOC產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有開(kāi)發(fā)周期相對(duì)較長(zhǎng)、高成本和高風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)，對(duì)市場(chǎng)的變化非常敏感，這使得SOC在消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程仍然緩慢。與此同時(shí)，當(dāng)今的制造工藝能夠提供更多更高速的邏輯、更快的1/O和更低價(jià)位的新一代可編程邏輯器件，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)己然進(jìn)入嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，高性能FPGA也不再局限于引進(jìn)系統(tǒng)粘合邏輯，也可作為SOC平臺(tái)，而在過(guò)去，由于性能緣故，只有專(zhuān)用集成電路（ASIC）或?qū)Ｓ脴?biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)才能達(dá)到相應(yīng)的要求。不僅如此，由于FPGA的現(xiàn)場(chǎng)可編程特征，它己成為更具靈活性和廣泛性發(fā)展前景的工業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)。

　　FPGA可輕易地被修改變更、修復(fù)缺陷，或在用戶(hù)需要升級(jí)和配合市場(chǎng)發(fā)展時(shí)去創(chuàng)制未來(lái)的衍生產(chǎn)品。這一趨勢(shì)在工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信設(shè)計(jì)方面更加明顯。當(dāng)考慮到上市時(shí)間、實(shí)施靈活性及未來(lái)過(guò)時(shí)等問(wèn)題時(shí)，采用FPGA作為專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)是一個(gè)最佳的項(xiàng)目實(shí)施方案。

　　基于摩爾斯信號(hào)的通信是人類(lèi)最早的無(wú)線(xiàn)通信方式，它仍應(yīng)用在海事移動(dòng)通信、航空移動(dòng)通信、廣播、衛(wèi)星通信當(dāng)中。由于摩爾斯電碼信號(hào)通信的傳統(tǒng)性、經(jīng)濟(jì)性和有效性，它在海事移動(dòng)通信中仍占主導(dǎo)地位，特別是船與船、船與岸、岸與船之間的摩爾斯通信更是占據(jù)通信業(yè)務(wù)總量的80%以上。

　　基于PC機(jī)的MORSE電碼信號(hào)自動(dòng)處理己經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但在海事移動(dòng)通信中，它還是受到一些客觀條件的約束，缺泛方便性和靈活性。本文從基于FPGA平臺(tái)的專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)技術(shù)入手，分析和設(shè)計(jì)了一種摩爾斯電碼的無(wú)線(xiàn)通信發(fā)射模塊設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

　　2 可編程邏輯電路設(shè)計(jì)方法

　　基于可編程邏輯電路的設(shè)計(jì)基本方法，一種是傳統(tǒng)的系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方法，它是采用自下而上(bottom-up)的設(shè)計(jì)方法。另一種就是20世紀(jì)80年代開(kāi)始興起的EDA(Electronic Design Automation)硬件電路設(shè)計(jì)方法。

　　隨著大規(guī)模專(zhuān)用集成電路的開(kāi)發(fā)和研制，為了提高開(kāi)發(fā)效率和增加己有開(kāi)發(fā)成果的可繼承性，以及縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，各種新興的EDA工具開(kāi)始出現(xiàn)，特別是硬件描述語(yǔ)言HDL(Hardware Description Language)的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方法發(fā)生了巨大的變革，新興的EDA設(shè)計(jì)方法采用了自上而下(top-down) 的設(shè)計(jì)方法。所謂自上而下的設(shè)計(jì)方法就是從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，自上而下地逐步將設(shè)計(jì)內(nèi)容細(xì)化，最后完成系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)。利用語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)硬件電路的自上而下設(shè)計(jì)一般分為三個(gè)層次：第一個(gè)層次為行為描述，它是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的描述；第二層次是寄存器傳輸描述RTL，又稱(chēng)為數(shù)據(jù)流描述； 第三層是邏輯綜合。

　　利用邏輯綜合工具，可將RTL方式描述的程序轉(zhuǎn)換成為用基本邏輯元件表示的文件一門(mén)級(jí)網(wǎng)表，也可將綜合結(jié)果以邏輯原理圖方式輸出，也就是說(shuō)邏輯綜合結(jié)果相當(dāng)于在人工設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)要求畫(huà)出了系統(tǒng)的邏輯電原理圖。再對(duì)邏輯綜合結(jié)果在門(mén)電路級(jí)上進(jìn)行仿真，并檢查定時(shí)關(guān)系，如果一切正常，那么系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)基本結(jié)束。自上而下設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的過(guò)程如圖一所示。

圖一：自上而下設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的過(guò)程

　　由邏輯綜合工具產(chǎn)生門(mén)級(jí)網(wǎng)表后，在最終完成硬件設(shè)計(jì)時(shí)，還可以有兩種選擇：一種是由自動(dòng)布線(xiàn)程序?qū)⒕W(wǎng)表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的ASIC芯片的制造工藝，定制ASIC芯片；第二種是將網(wǎng)表轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PLD編程碼點(diǎn)，利用PLD器件完成硬件電路的設(shè)計(jì)。

3 基于FPGA的摩爾斯碼功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　摩爾斯電碼被視為一種開(kāi)關(guān)鍵控的數(shù)據(jù)模式，摩爾斯電碼中的‘劃’比‘點(diǎn)’的時(shí)間長(zhǎng)3～4倍，不同的‘點(diǎn)’和‘劃’組合形成長(zhǎng)短不一的摩爾斯電碼，不同的摩爾斯電碼表示不同的電報(bào)符號(hào)。發(fā)信者先將所要傳遞的文字翻譯成電報(bào)符號(hào)，再利用電報(bào)機(jī)發(fā)送出去，收信者將收到的電報(bào)符號(hào)翻譯成報(bào)文，以此實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)文字的傳播。目前通過(guò)微機(jī)模擬的方法實(shí)現(xiàn)摩爾斯碼信號(hào)的自動(dòng)處理，使無(wú)線(xiàn)摩爾斯碼信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)的方案已得到解決，利用微機(jī)處理摩爾斯的方案是先通過(guò)軟件編程的方法將ASCLL碼進(jìn)行摩爾斯編碼，然后通過(guò)微機(jī)并口發(fā)送摩爾斯電碼信號(hào)，接收時(shí)，先通過(guò)聲頻卡來(lái)識(shí)別接收摩爾斯電碼信號(hào)，最后通過(guò)軟件解碼成ASCLL碼，此方法在成本相對(duì)較高，在實(shí)際應(yīng)用中缺乏方便性和靈活性。

　　根據(jù)海洋通信業(yè)務(wù)的要求，MORSE碼處理系統(tǒng)功能定義為:其一、根據(jù)指令自動(dòng)編碼、串行發(fā)送MORSE碼。即根據(jù)指令可自動(dòng)提取ASCLL碼，再將ASCLL碼自動(dòng)編碼成摩爾斯編碼，將編好的MORSE碼自動(dòng)串行發(fā)送輸出。其二、根據(jù)指令自動(dòng)接收、解碼摩爾斯碼，并將ASCLL碼送入系統(tǒng)。即根據(jù)指令自動(dòng)接收摩爾斯碼輸入，將接收的摩爾斯碼自動(dòng)解碼成ASCLL碼。將ASCLL碼存儲(chǔ)至目標(biāo)地址或送入系統(tǒng)處理。

　　通過(guò)對(duì)摩爾斯碼特點(diǎn)的研究可知，在設(shè)計(jì)摩爾斯碼收發(fā)模塊中必須要有能接收和發(fā)送摩爾斯碼信息幀的串行異步通信模塊。首先，該串行通信模塊在指令的控制下，要具有摩爾斯碼的自動(dòng)發(fā)送能力，同時(shí)具有MORSE碼的識(shí)別接收能力，因?yàn)槟査勾a串行異步幀的起始位和停止位都不同于ASCLL碼串行異步幀，并且不同的摩爾斯碼串行幀長(zhǎng)度也不一樣。二是摩爾斯碼的解碼和編碼問(wèn)題，因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)核是以ASCLL碼為信息交換碼的。

　　由此而來(lái)，只要設(shè)計(jì)出具有接收和發(fā)送MORSE碼串行信息幀功能，并且具有解碼和編碼摩爾斯碼功能的串行通信子模塊，并將其嵌入在系統(tǒng)總線(xiàn)上，則用計(jì)算機(jī)直接處理MORSE碼就成為可能。據(jù)此分析，可以得出摩爾斯碼收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)要求，一方面能從串行接收端將摩爾斯碼解碼成并行的ASCLL碼，另一方面能將并行的ASCLL碼編碼成串行摩爾斯碼。由此，本文設(shè)計(jì)的基于FPGA的摩爾斯碼收發(fā)模塊內(nèi)部組成框圖如圖二所示。

圖 二：基于FPGA的摩爾斯碼收發(fā)模塊內(nèi)部組成框圖

　　該處理系統(tǒng)的主要功能模塊有：

• 　　核心控制模塊
• 　　總線(xiàn)控制模塊
• 　　可編程中斷處理模塊
• 　　可編程并行I/O接口（P0、P1、P2、P3）
• 　　可編程串行接口單元（SIU）
• 　　可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器0～3（Timer0~Timer3）
• 　　可編程摩爾斯碼異步收發(fā)模塊

　　中斷處理模塊有4個(gè)外中斷源（int0~int3）和6個(gè)內(nèi)中斷源（TF0~TF3、T1/R1、mT1/mR1），SIU是系統(tǒng)的通用串行接口，它有4種工作模式，工作模式1～3是通用串行異步接收發(fā)送USART（Universal Serial Asynchronous Receiver/Transmitter）工作方式。當(dāng)SIU工作于工作模式1或3時(shí)，Timer1是其波特率發(fā)生器。

4 仿真與驗(yàn)證

　　設(shè)計(jì)的驗(yàn)證包括功能仿真、時(shí)序仿真和電路驗(yàn)證。仿真驗(yàn)證往往是借助第3方提供的EDA開(kāi)發(fā)工具軟件包或?qū)Ｓ梅抡婀ぞ哕浖?lái)實(shí)現(xiàn)的。電路驗(yàn)證還需要開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)于系統(tǒng)級(jí)芯片驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)艱巨而不能回避的任務(wù)。

　　本文選用的是Altera公司的MaxPlusII作EDA開(kāi)發(fā)工具，MaxPlusII編譯器支持功能仿真（前仿真）和時(shí)序仿真（后仿真）。完成源代碼（VHDL）設(shè)計(jì)輸入之后，若要進(jìn)行功能仿真，則在MaxplusII/Compile下，通過(guò)選擇Processing菜單下的Functional SNF Extractor命令，打開(kāi)功能仿真器網(wǎng)表文件（SNF）提取器，再進(jìn)行編譯仿真；若要進(jìn)行定時(shí)模擬（時(shí)序）仿真，則須在MaxPlusII/Compile下，選擇Processing菜單中的Timing SNF Extractor命令，打開(kāi)定時(shí)模擬器網(wǎng)表文件提取器來(lái)進(jìn)行編譯仿真。

　　電路驗(yàn)證就是器件編程測(cè)試過(guò)程。對(duì)于常規(guī)的芯片設(shè)計(jì)，時(shí)序仿真結(jié)束后，仿真軟件就可以產(chǎn)生供器件編程使用的數(shù)據(jù)文件。對(duì)EPLD/CPLD來(lái)說(shuō)，是產(chǎn)生熔絲圖文件，即JED文件，對(duì)于FPGA來(lái)說(shuō)，是產(chǎn)生位流數(shù)據(jù)文件（Bitstream Generation），然后將編程數(shù)據(jù)下載到對(duì)應(yīng)的具體可編程器件中去，然后對(duì)其進(jìn)行實(shí)際環(huán)境的電路測(cè)試。

　　本文選擇CLK頻率為25MHZ，波特率為25M/16＝1562500bps。當(dāng)發(fā)送字符‘7’，執(zhí)行發(fā)送命令后，將啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送的進(jìn)程，將字符‘7’的ASCLL碼值送入ASCLL碼發(fā)送緩存器，通過(guò)MaxPlusII的Simulator仿真器，進(jìn)行時(shí)序仿真驗(yàn)證，研究結(jié)果如圖三所示。從圖中可看出，串行信號(hào)端子輸出的“2長(zhǎng)劃”，“3點(diǎn)”，經(jīng)查表對(duì)應(yīng)的就是摩爾斯數(shù)字‘7’，證明數(shù)據(jù)發(fā)送是正確的。另外當(dāng)數(shù)據(jù)輸出結(jié)束后，立刻置高電平，即產(chǎn)生中斷信號(hào)mTI,字符‘7’的發(fā)送用時(shí)大約10us。

圖 三：仿真驗(yàn)證數(shù)據(jù)

　　5? 創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)

　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于提出了一種基于FPGA的無(wú)線(xiàn)通信收發(fā)模塊，并以當(dāng)今海事通信中占重要地位的摩爾斯電碼為例，研究了摩爾斯電碼的數(shù)字化編碼方法，并通過(guò)大量的分析設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)仿真，實(shí)現(xiàn)了基于FPGA處理摩爾斯電碼的收發(fā)模塊，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的摩爾斯電碼數(shù)字化編碼方法正確可行，工作運(yùn)行可靠。