基于FPGA的時(shí)統(tǒng)模塊可靠性設(shè)計(jì)

摘要：文章從FPGA邏輯編程設(shè)計(jì)技術(shù)、EMC技術(shù)、高速電路PCB設(shè)計(jì)技術(shù)等幾個(gè)方面介紹了時(shí)統(tǒng)接收處理模塊的抗干擾設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)了同步脈沖的提取、對(duì)時(shí)功能、自守時(shí)、脈寬調(diào)制等功能，提高了同步精度和抗干擾性。解決了傳統(tǒng)時(shí)統(tǒng)模塊定時(shí)精度不高、設(shè)置固定只能滿足單一需求等問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：同步精度；可編程門(mén)陣列；時(shí)統(tǒng)；緊湊型PCI

0 引言
高可靠性永遠(yuǎn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中必不可少的重要需求，尤其是對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)中用來(lái)產(chǎn)生統(tǒng)一時(shí)間信號(hào)的專用設(shè)備來(lái)說(shuō)，其可靠性和精準(zhǔn)性非常重要。時(shí)統(tǒng)模塊的功能就是保證整個(gè)系統(tǒng)處在統(tǒng)一時(shí)間的基準(zhǔn)上，它接收時(shí)統(tǒng)站發(fā)來(lái)的時(shí)間信號(hào)，完成與時(shí)統(tǒng)站送來(lái)時(shí)間信號(hào)的同步，同時(shí)回送一路供時(shí)統(tǒng)站延時(shí)檢查和解調(diào)檢查用，并向測(cè)控設(shè)備發(fā)送所需要的各種頻率信號(hào)、時(shí)間信息和各種采樣脈沖信號(hào)，來(lái)確保測(cè)控設(shè)備的定時(shí)與靶場(chǎng)的時(shí)間基準(zhǔn)保持一致。
時(shí)統(tǒng)信號(hào)對(duì)信號(hào)噪聲非常敏感，因此時(shí)統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的技術(shù)就是抗干擾技術(shù)。本系統(tǒng)采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?shí)現(xiàn)修時(shí)、分頻、產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)和各種同步信號(hào)，以使時(shí)統(tǒng)接口模塊集成度更高、可維護(hù)性增強(qiáng)；還充分考慮了EMC設(shè)計(jì)、時(shí)統(tǒng)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸；并且進(jìn)行了
PCB仿真設(shè)計(jì)。

1 FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波抗干擾
大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?FPGA)的出現(xiàn)，為解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)抗干擾問(wèn)題開(kāi)辟了新的途徑，運(yùn)用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的濾波是一種高效可靠的方法，解決了傳統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)中，濾波部分要占用較多的軟件資源和硬件資源的問(wèn)題。而且FGPA具有編程方便、集成度高、速度快等特性，可反復(fù)編程、擦除、運(yùn)用，在不改動(dòng)硬件設(shè)計(jì)的情況下，可實(shí)現(xiàn)不同的功能需求。該時(shí)統(tǒng)模塊在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了同步脈沖的提取、對(duì)時(shí)功能、自守時(shí)、脈寬調(diào)制等功能。
1．1 脈沖的提取
脈沖的提取主要包括脈沖識(shí)別、中斷源判斷等。為保證時(shí)統(tǒng)信號(hào)的精確識(shí)別，防止丟幀、誤判，須要對(duì)信號(hào)整形，適當(dāng)展寬。在FPGA中運(yùn)用反相器對(duì)信號(hào)整形，運(yùn)用信號(hào)上升沿觸發(fā)D觸發(fā)器輸出高電平去提起中斷，在CPU主板響應(yīng)中斷后，通過(guò)控制D觸發(fā)器清零端將輸出的高電平拉低。以此防止非正常情況的出現(xiàn)。通用時(shí)統(tǒng)接收處理模塊設(shè)計(jì)了多路時(shí)統(tǒng)接收電路，可同時(shí)采集多路外部授時(shí)信號(hào)，在同時(shí)工作的情況下，系統(tǒng)可得到多種不同的時(shí)間信息。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要能精確地識(shí)別這幾路不同的中斷源。CPCI系統(tǒng)只能分配給每個(gè)CPCI設(shè)備一個(gè)中斷號(hào)，使得各路中斷源都要通過(guò)這一個(gè)中斷號(hào)向CPU主板提起中斷。設(shè)計(jì)流程中可以運(yùn)用FPGA內(nèi)部寄存器來(lái)識(shí)別各路中斷源。如圖1所示。4路信號(hào)用寄存器74373的低啦識(shí)別，在系統(tǒng)響應(yīng)中斷后，隨即讀取寄存器，根據(jù)寄存器位的值，判斷是由哪路信號(hào)源提起的中斷。屏蔽信號(hào)用于系統(tǒng)關(guān)斷任一路中斷信號(hào)源，根據(jù)需要，可用軟件屏蔽一路或多路信號(hào)源，未被屏蔽的信號(hào)進(jìn)入中斷產(chǎn)生器，輸出中斷信號(hào)，發(fā)起中斷申請(qǐng)。 CPU主板收到時(shí)統(tǒng)模塊的中斷請(qǐng)求后，做出響應(yīng)，系統(tǒng)軟件根據(jù)中斷響應(yīng)輸出時(shí)間信息。

1．2 信號(hào)內(nèi)部調(diào)理
信號(hào)在FPGA器件內(nèi)部通過(guò)連線和邏輯單元時(shí)，都有一定的延時(shí)。延時(shí)的大小與連線的長(zhǎng)短和邏輯單元的數(shù)目有關(guān)，同時(shí)還受器件的制造工藝、工作電壓、溫度等條件的影響。信號(hào)的高低電平轉(zhuǎn)換也需要一定的過(guò)渡時(shí)間。
由于存在這兩方面因素，當(dāng)多路信號(hào)的電平值發(fā)生變化時(shí)，在信號(hào)變化的瞬間，組合邏輯的輸出有先后順序，并不是同時(shí)變化，往往會(huì)出現(xiàn)一些不正確的尖峰信號(hào)，這些尖峰信號(hào)稱為“毛刺”。在本時(shí)統(tǒng)接收處理模塊處理單元的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)中，采用格雷碼計(jì)數(shù)器取代普通的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，這是因?yàn)楦窭状a計(jì)數(shù)器的輸出每次只有一位跳變，消除了競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)的發(fā)生條件，避免了毛刺的生。毛刺并不是對(duì)所有的輸入都有危害，例如D觸發(fā)器的D輸入端，只要毛刺不出現(xiàn)在時(shí)鐘的上升沿并且滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時(shí)間，就不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成危害，我們可以說(shuō)D觸發(fā)器的D輸入端對(duì)毛刺不敏感。根據(jù)這個(gè)特性，在本時(shí)統(tǒng)模塊處理單元設(shè)計(jì)中盡可能采用同步電路，這是因?yàn)橥诫娐沸盘?hào)的變化都發(fā)生在時(shí)鐘上升沿，只要毛刺
不出現(xiàn)在時(shí)鐘的上升沿，并且不滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時(shí)間，就不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成危害(由于毛刺很短，多為幾ns，基本上都不可能滿足數(shù)據(jù)的建立和保持時(shí)間)。在本設(shè)計(jì)中，將有毛刺的外部輸入時(shí)統(tǒng)信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次D觸發(fā)器觸發(fā)，利用其對(duì)毛刺不敏感的特性，兩次經(jīng)過(guò)同步觸發(fā)，將毛刺消除，亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的機(jī)率變得特別低，不過(guò)信號(hào)將要延遲兩個(gè)時(shí)鐘周期，即40ns，兩個(gè)時(shí)鐘周期相對(duì)于一般時(shí)統(tǒng)模塊μs級(jí)的精度要求來(lái)說(shuō)是微不足道的，因而該方法對(duì)同步時(shí)鐘精度可以認(rèn)為無(wú)影響。
1．3 自守時(shí)設(shè)計(jì)
守時(shí)是指外部授時(shí)信號(hào)中斷或受阻時(shí)，模塊可以自行產(chǎn)生頻率相同且脈沖沿一致的信號(hào)維持系統(tǒng)時(shí)間信息。在外部授時(shí)信號(hào)正常時(shí)，由其發(fā)起中斷取得系統(tǒng)時(shí)間信息，無(wú)外部授時(shí)信號(hào)時(shí)，需由模塊自行產(chǎn)生的信號(hào)自動(dòng)接替外部授時(shí)信號(hào)的工作，同時(shí)用來(lái)維持時(shí)統(tǒng)信號(hào)輸出，保證全系統(tǒng)的時(shí)間不中斷。對(duì)于外部時(shí)統(tǒng)輸入的時(shí)鐘，為了定時(shí)精確，在FPGA處理單元設(shè)置5個(gè)狀態(tài)，包括空閑態(tài)、A1、A、B1、B等狀態(tài)，A和B分別為接收到的時(shí)統(tǒng)信號(hào)低和高，A1、B1分別為接收到的時(shí)統(tǒng)信號(hào)的第一個(gè)低和高。