LXI總線數(shù)字化儀模塊設(shè)計

　　為滿足模塊能夠完成對兩種中頻信號采集，ADC電路部分設(shè)計了可變采樣時鐘電路，模塊會根據(jù)用戶的測試需要自動選擇不同的采樣時鐘，并且采樣時鐘始終鎖定在模塊內(nèi)部或外部參考上。采樣時鐘發(fā)生電路由參考電路、集成鎖相環(huán)路(內(nèi)部自帶VCO)及DDS電路三部分組成，如圖3所示?；?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA的控制電路控制集成鎖相環(huán)路內(nèi)部自帶的VCO鎖定在一個固定輸出頻率上，采樣時鐘信號則由DDS對VCO輸出的信號分頻得到。

　　基于FPGA和DSP的數(shù)字中頻信號處理電路設(shè)計

　　FPGA主要完成數(shù)字中頻信號處理和硬件電路的控制。其中信號處理部分包括數(shù)字下變頻、數(shù)字濾波等，總體結(jié)構(gòu)上由DDS、下混頻器、MAC濾波器、系數(shù)存儲器等組成，DDS完成數(shù)控本振(NCO)的功能，用來產(chǎn)生下變頻所需的本振信號;硬件電路控制部分包括中頻信號處理通路控制、采樣時鐘控制、數(shù)據(jù)存儲控制及觸發(fā)控制等。

　　FPGA處理后數(shù)據(jù)的最終處理與運算工作由DSP完成，包括中頻檢波、對數(shù)處理、視頻濾波、視頻檢波以及對運算結(jié)果進行誤差修正等任務(wù)，處理完成的數(shù)據(jù)通過LXI總線接口送到虛擬儀器軟面板進行結(jié)果顯示。由于要進行兩種中頻信號測量，數(shù)據(jù)處理復雜程度高，而DSP和FPGA的存儲空間有限，因此采用動態(tài)更新DSP程序和FPGA程序的方法。根據(jù)用戶選擇的功能，重新配置DSP和FPGA代碼到芯片，此方法提高了軟件的靈活性和可擴展性，同樣縮小了硬件體積，減少了硬件成本。

　　LXI觸發(fā)電路設(shè)計

　　LXI規(guī)范提供了3種觸發(fā)方式：基于LAN的觸發(fā);基于IEEE1588精密時鐘協(xié)議提供的時間基準進行定時觸發(fā);通過專用LXI觸發(fā)總線的觸發(fā)。

　　本數(shù)字化儀模塊采用基于IEEE1588精密時鐘協(xié)議提供的時間基準進行定時觸發(fā)，該觸發(fā)需要通過網(wǎng)線來實現(xiàn)IEEE1588協(xié)議，使各設(shè)備的實時時鐘保持同步，各設(shè)備根據(jù)同步的時間實現(xiàn)事件的同步。由帶有以太網(wǎng)外設(shè)的CPU處理器和FPGA組成。 FPGA仍然實現(xiàn)IEEE 1588 時間戳和硬件觸發(fā)的功能，這樣可以大大提高同步精度，同時有利于LXI測試模塊的升級和維護。

　　模塊軟件設(shè)計

　　驅(qū)動軟件設(shè)計

　　在以NT為核心的WIN2K、WINXP操作系統(tǒng)中，由于安全性、穩(wěn)定性的考慮，操作系統(tǒng)不允許應(yīng)用程序直接訪問硬件資源，要實現(xiàn)對LXI總線中頻數(shù)字化儀硬件電路的控制就必須開發(fā)硬件設(shè)備驅(qū)動程序，作為下層硬件和上層應(yīng)用程序的紐帶，實現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)Φ讓佑布脑L問。

　　在中頻數(shù)字化儀軟件開發(fā)中，我們利用工具軟件DriverStudio，按照Windows驅(qū)動程序模型(WDM)設(shè)計了本數(shù)字化儀模塊驅(qū)動程序，在驅(qū)動程序中實現(xiàn)端口的讀寫、中斷的響應(yīng)及DMA傳輸?shù)取?/p>

　　在中頻數(shù)字化儀模塊中，主機與模塊交互的數(shù)據(jù)量很大，通過CPU控制讀寫很耗費CPU資源，經(jīng)常導致計算機響應(yīng)遲緩，為此我們采用了DMA數(shù)據(jù)傳輸方式。DMA是利用PCI9054的DMA控制器，在本地設(shè)備與計算機內(nèi)存之間進行數(shù)據(jù)傳輸。由于DMA控制器與CPU是并行操作，所以在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，CPU可以空閑下來做數(shù)據(jù)處理等工作，這種傳輸方式特別適合大數(shù)據(jù)量、多線程的處理。在DriverStudio中，類KdmaAdapter封裝了DMA適配器。

　　模塊測控軟件設(shè)計

　　考慮到調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序操作比較復雜，并且需要一定的硬件知識，不利于用戶二次開發(fā)使用，在模塊中我們對設(shè)備驅(qū)動程序進行了封裝，將設(shè)備的功能模塊封裝為一個個直觀易用的高層函數(shù)，屏蔽了模塊的具體的控制方式，減少用戶在開發(fā)應(yīng)用程序時對模塊的了解。

　　為了實現(xiàn)模塊驅(qū)動程序的兼容性和規(guī)范性，統(tǒng)一采用虛擬儀器接口，對虛擬儀器的接口函數(shù)進行了統(tǒng)一的命名約定，統(tǒng)一的函數(shù)輸出格式，能夠滿足在Microsoft Visual C++、C++ Builder、Lab Windows/CVI、Lab View等多種語言環(huán)境的二次開發(fā)的需要，以動態(tài)庫的形式提供用戶。

　　由于LXI總線數(shù)字化儀模塊本身不具有顯示控制界面，因此開發(fā)了一個可視化的虛擬儀器軟面板控制界面，方便用戶對模塊的控制與使用，虛擬儀器軟面板控制軟件將隨模塊一并提供給用戶。

　　模塊自動識別

　　LXI測試模塊在連接到總線上時應(yīng)能自動被發(fā)現(xiàn)并識別。該機制主要通過實現(xiàn)LXI測試模塊內(nèi)部的RPC服務(wù)器和VXI-11協(xié)議來實現(xiàn)。具體的工作原理是：客戶端(主控計算機)首先向服務(wù)器發(fā)出RPC請求服務(wù)，當服務(wù)器接收到該請求后，必須將VXI11內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)端口號發(fā)送給客戶端，客戶端接收到該端口號后，與服務(wù)器建立TCP/IP通訊鏈路，并向LXI測試模塊發(fā)送“*IDN?”查詢信息，LXI數(shù)字化儀模塊隨后將儀器的信息，包括廠商、型號、版本號等信息回發(fā)給客戶端，同時，客戶端和服務(wù)器也通過該鏈路來實現(xiàn)SCPI命令的傳輸。