基于FPGA的恒溫晶振頻率校準系統(tǒng)的設計

　　1.5 PicoBlaze軟核設計

　　PicoBlaze是XILINX公司設計的8位微控制器軟核，可以嵌入到Cool Runner II、Virtex-E、Virtex-II(Pro) 和 Spartan3(E)的CPLD以及FPGA中,設計靈活方便。PicoBlaze的端口總線提供8位地址（PORT_ID）和讀寫選通信號，最多可以實現(xiàn)256個輸入和輸出端口。接口設計如圖6所示，PicoBlaze用來接收延遲線模塊和計數(shù)器模塊輸出的結(jié)果，同時讀取異步串行控制器（UART）的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。其中異步串行控制器直接調(diào)用XILINX的IP核，與外部GPS模塊進行串行通信。

　　此外，為了實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的存儲以方便數(shù)據(jù)處理，PicoBlaze連接了一個FIFO數(shù)據(jù)緩沖，用于暫存未處理的測量數(shù)據(jù)。如圖7所示，PicoBlaze每個讀寫操作需要兩個時鐘周期，此期間地址總線一直處于有效狀態(tài)，而讀寫使能信號僅在第二個時鐘周期開始有效，所以地址總線上可以連接適當?shù)倪壿嬰娐愤M行地址解碼。

　　設計中使用四路選通器分別連接計數(shù)器模塊、延遲線模塊和FIFO緩沖的輸出，其中因計數(shù)器模塊中采用16位的計數(shù)器循環(huán)計數(shù)，為了與PicoBlaze輸入匹配，須將計數(shù)值分兩部分接到選通器。異步串行控制器的輸出和狀態(tài)信息分別接到三路選通器，剩余一路連接四路選通器的輸出。由于UART和PicoBlaze使用的時鐘頻率和測量部分不同，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在選通器之間增加了流水線寄存器。

　　系統(tǒng)運行時PicoBlaze將對UART狀態(tài)進行查詢，當檢測到有GPS串碼數(shù)據(jù)時便開始讀取其串碼信息。GPS串碼信息用于分析當前GPS的狀態(tài)，如果檢測GPS模塊已經(jīng)鎖定衛(wèi)星，則系統(tǒng)開始進行測量和校準工作。

　　2 測量數(shù)據(jù)處理

　　根據(jù)測量到的時間間隔數(shù)據(jù)，按照公式:

　　可以計算出晶振信號相對于GPS的頻率偏差，其中T1和T2分別是測量部分相隔采樣時間τ前后輸出的時間間隔測量值。根據(jù)頻率偏差的大小，再結(jié)合晶振的壓控靈敏度，便可以實現(xiàn)對晶振的輸出頻率進行控制和修正。但GPS信號在傳輸過程中容易受到外界影響，GPS模塊輸出的1-pps信號是一個波動信號，其短期穩(wěn)定性較差。圖8的黑色曲線是使用本系統(tǒng)測量得到的本地晶振相對于GPS系統(tǒng)的時間間隔曲線，使用這些數(shù)據(jù)計算得到的頻率偏差也會受到影響而發(fā)生波動，所以不能直接使用。

　　從式(4)可以看出，計算頻率偏差僅僅需要窗口的端點處的測量值而不受窗口內(nèi)的測量值影響。在實際應用時，計算量很小而且簡單，方便使用PicoBlaze軟核處理器來實現(xiàn)。PicoBlaze連接的FIFO數(shù)據(jù)緩沖用來存儲滑動窗口中的測量數(shù)據(jù)。當存儲達到預設的窗口長度時，將從FIFO中順序讀取出先前的測量值，配合當前測量值，根據(jù)式(3)計算出頻率偏差。圖8的白色曲線是添加濾波處理后系統(tǒng)輸出的時間間隔，對比可以看出濾波對抖動和較大的跳變點都有很好的抑制作用。

　　本文介紹的晶振頻率校準系統(tǒng)利用GPS模塊輸出的標準秒脈沖信號對本地晶振頻率進行校準。本設計基于FPGA內(nèi)部進位邏輯資源實現(xiàn)了高分辨率的時間間隔測量單元，并配合滑動平均濾波法利用PicoBlaze處理器對測量的時間間隔數(shù)據(jù)進行實時處理。不僅能夠準確地測量本地晶振分頻信號與GPS秒脈沖信號之間的時間間隔，而且降低了GPS秒脈沖波動對測量結(jié)果的干擾，為校準晶振頻率提供可靠的修正數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)測控部分完全在FPGA中實現(xiàn)，利于提高測量分辨率，減小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)不僅可以用于大地電磁三維采集站，還可以在其他對頻率準確度有要求的儀器中使用。