采用PCI9052及GP2010實現GPS信號采集

關鍵詞：PCI總線 GPS DMA

引言

全球定位系統(tǒng)GPS（Global Position System），可以給用戶提供實時的定位、速度和時間信息。現在的GPS接收機大多采用硬件電路進行碼相關運算，結構復雜，更新升級比較困難；而基于軟件無線電的GPS接收機受電路限制較少，更新換代只需調整相應軟件，十分靈活。該數據采集卡就是基于以上考慮設計的。

1 PCI9052的特點與功能

PCI9052（以下簡稱9052）提供高性能的從目標PCI接口板卡與PCI總線的連接，支持寬范圍速率的本地總線，最高可達132 MB/s的傳輸速率。對9052編程可實現復用/非復用的8位、16位、32位的本地總線接口。9052還有內部FIFO可以加速本地總線的操作，此外它還有以下功能：

①支持PCI r2.1版本，可以方便地將ISA卡轉換為PCI卡；

②支持從目標傳輸模式，可以對存儲器空間進行突發(fā)讀/寫，對I/O空間單次訪問；

③2個本地中斷總線配置；

④可編程的本地總線配置；

⑤串行E2PROM配置；

⑥4個本地片選引腳，5個本地空間；

⑦多種本地讀/寫操作模式，方便地實現PCI與本地的接口。

圖1給出了9052內部結構。

2 GP2010射頻前端器件

GP2010（以下簡稱2010）是為GPS接收機設計的射頻前端器件，它接收GPS（L1）調制信號。L1是50位/Hz的信息碼速率經過1.023MHz的偽隨機碼擴頻后以BPSK方式調制在1575.42MHz的載波上形成的擴頻信號。信號電平在進入天線之前大約只有-130dB，帶寬為2.046MHz，所以L1基本上被噪聲所掩蓋。2010經過內部鎖相環(huán)頻率綜合器產生1.4GHz、140MHz、與31.11MHz的三級時鐘分別與射頻輸入的L1信號進行混頻，其中還經過3級濾波抑制帶外干擾，最后將其變換到4.309MHz的中頻，然后進行5.714MHz的采樣實現A/D變換（2位量化，符號位SIGN和數據位MAG）。根據奈奎斯特定律對帶通信號要以高于兩倍的信號帶寬進行采樣才可無失真的恢復，用5.714MHz的速率采樣也要考慮到信號傳播過程中由于相對運動而產生的多普勒效應使信號帶寬變寬的緣故。量化數據在每個時鐘的上升沿輸出。圖2給出2010的內部結構圖。

圖2 GP2010內部結構圖

3 數據采集卡系統(tǒng)結構

GPS信號數據采集卡實現基本的一路GPS衛(wèi)星信號的采集工作。由于2010為2位、5.714MHz的采樣速率，我們在FPGA中首先將2位數據進行串并變換，使其每滿32位后進行一次傳輸存儲，這樣存儲速率就變?yōu)?57.12kHz。緩存選用4片18k16位的FIFO,這樣就可以省略地址產生邏輯。在程序設計中，采樣數據首先存入FIFO（A），待滿后會產生相應的中斷，中斷服務程序將讀取其中的數據。在讀過程中，采樣數據會繼續(xù)寫入FIFO（B），如此反復可將數據采入計算機內存。選用緩存時，建議在可行的情況下，容量越大越好。因為PCI總線上，除了設計的采集卡在不斷地申請占用總線外，還會有其余的設備占用，如果緩存不夠大將會丟失采樣數據。FPGA的主要功能是實現數據串行變換、控制采樣過程和與FIFO的接口邏輯。圖3是該數據采集卡的系統(tǒng)框圖。

4 9052使用中應該注意的問題

9052內部的配置寄存器是通過外部串行E2PROM上電加載的。9052會自動根據該E2PROM的狀態(tài)來決定其內部寄存器的值。如果E2PROM不存在（此時E2PROM和9052連接的數據引腳應加上拉電阻）或其內部無有效值，9052會將其內部寄存器配置為缺省值。值得一提的是，如果E2PROM內部沒有燒寫為有效值時，應保證其開始48位為全“1”；否則，系統(tǒng)上電時可能會產生錯誤。

9052有5個本地空間，用戶可根據實際需要進行相應的配置。當將本地空間配置成I/O時，對該空間的讀/寫操作只能單次進行。利用PLXMon來開發(fā)驅動程序（調用其提供的API函數）進行I/O讀/寫，速度會十分慢（一般不會超過500kHz）；而如配置成存儲器空間，用戶會有多種接入模式，可大大提高接入速度。突發(fā)模式是為提高本地總線操作速度而設計的。在該模式期間，9052只提供一次傳輸開始和終止信號。開始信號有效后，地址將以本地時鐘的頻率（最高可達40MHz）遞增，可以利用Bterm#引腳是否有效來終止突發(fā)操作。由于FIFO只需要一個口地址，在設計中為了利用其快速的存儲器訪問（突發(fā)訪問）特性，我們還是為其分配了36KB的地址空間，以保證在該范圍內FIFO的片選始終有效。圖4是一次突發(fā)讀時序。其中LCLK是本地時鐘，ADS有效表示一次傳輸的開始，BLAST有效表示本次傳輸的終止。

在此須澄清一個概念：Pentium系列計算機（指CPU），不支持突發(fā)讀操作，只可能產生單次讀操作。用戶若想在PCI總線上實現突發(fā)操作（FRAME信號有效，多余一個PCI時鐘周期），應使用支持DMA傳輸的芯片，如PLX9054。但9052會將PCI總線上的多次單次讀操作轉化為本地空間上的突發(fā)操作。

5 PLXMon及PLX器件驅動程序的開發(fā)

PLXMon是PLX公司專為其產品開發(fā)的測試軟件。在用戶的板卡插入PCI槽，并安裝了PLXMon提供的驅動程序后，啟動該軟件就可以觀察和修改芯片內部寄存器的值，并可以對存儲器空間進行測試。

Windows下的驅動程序包括硬件物理設備的驅動程序和文件系統(tǒng)等非物理設備的虛擬設備驅動程序，我們所編寫的是硬件物理設備的驅動程序。Windows類操作系統(tǒng)（Windows 95、Windows 98、WindowsNT、Windows 2000）為了保證其安全性、穩(wěn)定性和可移植性，對應用程序訪問硬件資源加以限制，用戶需要對系統(tǒng)硬件及操作系統(tǒng)軟件有詳細的了解才可開發(fā)出高效的驅動程序，因此開發(fā)周期較長。利用第三方提供的開發(fā)軟件，可以大大縮短開發(fā)時間，但效率不一定高，尤其對實時性要求嚴格的程序顯得有些無力。

①Device Developer Kit(DDK)。該軟件中包括了有關設備驅動開發(fā)的文檔、編譯需要的頭文件和庫文件、調試工具和程序范例；但是由于DDK主要是使用匯編語言進行描述，開發(fā)起來比較困難。

②VtoolsD。該軟件包是基于C/C++的，支持BorlandC++和VisualC++，使用和維護比較方便。

③WinDriver。允許用戶使用Visual C++、Borland或者其它Win32編程工具軟件在用戶模式（UserMode）上編寫設備驅動程序。

④PLXMon。PLX公司專為其芯片提供的驅動程序開發(fā)包和測試軟件，同樣可以在用戶模式上編寫。支持Visual C++環(huán)境。

圖4 突發(fā)讀時序

在開發(fā)程序時，我們發(fā)現PLXMon和WinDriver不兼容，而且除非有正式版本的WinDriver；否則試用期過后，利用它開發(fā)的驅動程序將無法使用。所以建立使用PLXMon，只需包括相應的頭文件，用戶便可以方便地調用其提供的API函數，對板卡上的資源進行訪問。以下的程序片段是在調試電路板時編寫的基本查詢中斷是否有效來讀取緩存的。所調用的函數均為PLXMon提供的API函數。其中：PlxPciBaseAddressesGet（）是得到板卡上存儲空間的物理地址，而*（Data+i）=*(U32*)(va.Va3)是將該空間的值裝入計算機內存。

圖5是驅動程序流程圖。

程序段如下：

Example:

rc_w=PlxPciBaseAddressesGet(hDevice,va)；

while(TRUE){

Int_Flag=*(U32*)(va.Va0+0x4c);

if(Int_Flag[0]4) {

for(i=0;iFIFO_Size;i++)

*(Sample_Data+i)=*(U32*)(va.Va3);

*(U32*)(va.Va0+0x4c)=Clear_Flag;

break；

}

}

結語

由于PCI總線的高速特性，使其被廣泛應用于高速數據采集系統(tǒng)中，有效地解決了實時采集、實時傳輸和實時存儲等問題。而PCI總線控制器專用芯片的出現則縮短了PCI總線硬件設備的開發(fā)周期，使得硬件設備的可靠性和穩(wěn)定性都有了較大的提高。在開過程中，我們發(fā)現要想有高效率的操作特性，使用第三方提供的驅動程序開發(fā)包總是不太理想，尤其對于高速采樣及實時嚴格的系統(tǒng)。用戶還是要利用DDK開發(fā)符合自己要求的驅動程序。該數據采集卡實現了一路GPS信號的采集工作，為今后利用通用PC機進行數字信號的捕獲、跟蹤及解調，初步實現軟件無線電GPS接收機打下基礎。