基于CPLD的聲發(fā)射信號傳輸系統(tǒng)設(shè)計

　　聲發(fā)射技術(shù)是光纖傳感技術(shù)和聲發(fā)射技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是目前聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展趨勢。它將高靈敏度聲發(fā)射傳感器安裝于受力構(gòu)件表面以形成一定數(shù)目的傳感器陣列，實(shí)時接收和采集來自于材料缺陷的聲發(fā)射信號，進(jìn)而通過對這些聲發(fā)射信號的識別、判斷和分析來對材料損傷缺陷進(jìn)行檢測研究并對構(gòu)件強(qiáng)度、損傷、壽命等進(jìn)行分析和研究。

　　在實(shí)際的構(gòu)件檢測中，現(xiàn)場聲源信號通常是在100～800 khz之間的微弱高頻信號，而且材料損傷檢測、聲發(fā)射源定位往往需要多個傳感器形成傳感器陣列，而聲發(fā)射信號的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)必須達(dá)到640 mbps以上的數(shù)據(jù)傳輸能力;并應(yīng)具有應(yīng)付突發(fā)或長時間數(shù)據(jù)接收和存儲能力。本文就是利用CPLD來實(shí)現(xiàn)對聲發(fā)射信號的采集，從而有效解決了數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和存儲問題。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計

　　本方案采用fifo存儲器構(gòu)成外部大容量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，而使用pci總線的dma傳輸方式與微機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)場聲發(fā)射信號經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換和驅(qū)動電路驅(qū)動后進(jìn)入pci板卡，然后將部分?jǐn)?shù)據(jù)鎖存，同時將并行信號轉(zhuǎn)換為串并行信號，通過cpld控制邏輯電路存入fifo。當(dāng)fifo存儲器中的數(shù)據(jù)到達(dá)一定狀態(tài)時，cpld控制邏輯會產(chǎn)生中斷信號給pci9054總線控制器，之后由后者啟動dma傳輸將數(shù)據(jù)傳人計算機(jī)內(nèi)存中。dma傳輸完成后，pci9054產(chǎn)生通道中斷，并由計算機(jī)將數(shù)據(jù)從內(nèi)存取出存入硬盤。該數(shù)據(jù)存儲傳輸模塊的總體框圖如圖1所示。

　　2 fifo數(shù)據(jù)存儲電路設(shè)計

　　fifo是一個先人先出的雙口緩沖器，為保證整個系統(tǒng)正常工作，fifo存儲器允許系統(tǒng)進(jìn)行dma操作，以提高數(shù)據(jù)的傳輸速度。否則，數(shù)據(jù)傳輸將達(dá)不到傳輸要求，而且會大大增加cpu的負(fù)擔(dān)，甚至無法同時完成數(shù)據(jù)的存儲。

　　本設(shè)計在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中采用了六片idt72281芯片來緩存數(shù)據(jù)，并將其分成兩組，其中由三片fifo進(jìn)行字寬擴(kuò)展，圖2所示是其緩存?zhèn)鬏斒疽鈭D。按照這種設(shè)計，其字寬可達(dá)27位，可以傳輸24位數(shù)據(jù)和兩個otr位。

　　3 cpld邏輯控制

　　本系統(tǒng)中由于要對高速信號進(jìn)行處理，因此，對控制信號的時序要求比較嚴(yán)格。在控制芯片的選擇上要盡量選用時延小、速度快的芯片。本設(shè)計采用美國altera公司的max7000s系列可編程邏輯器件epm7128slc84-15，并采用max+plusⅱ來完成系統(tǒng)的輸入、編譯、驗證及編程，進(jìn)而完成向量測試及仿真.最后的數(shù)據(jù)可通過下載線傳輸?shù)叫酒衼硗瓿尚酒呐渲谩?/p>

　　3.1 cpld邏輯控制電路

　　cpld為采樣控制器的核心，數(shù)據(jù)傳輸所要求的嚴(yán)格時序控制關(guān)系就由cpld負(fù)責(zé)處理。它在本系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生與pci9054的握手信號、數(shù)據(jù)存儲器的片選信號和讀寫控制信號。cpld的外圍信號接口如圖3所示。

　　cpld可根據(jù)fifo存儲器的時序控制要求產(chǎn)生控制信號，并在第一個時鐘周期中將數(shù)據(jù)分別存入fifo和數(shù)據(jù)鎖存器74ls373中，而在第二個時鐘周期將鎖存器中的數(shù)據(jù)再存入fifo，從而完成并行數(shù)據(jù)向串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。同時根據(jù)存儲器的相關(guān)信號向pci9054控制器發(fā)出中斷請求，并在pci9054讀取數(shù)據(jù)時產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯。

　　3.2 cpld控制邏輯

　　當(dāng)并行數(shù)據(jù)進(jìn)入板卡后，cpld首先將一部分?jǐn)?shù)據(jù)存入鎖存器，而將另一部分?jǐn)?shù)據(jù)直接存入fifo。但此時必須將寫時鐘信號wclk進(jìn)行二分頻，以便在一個ad轉(zhuǎn)換周期內(nèi)完成兩次fifo寫操作。當(dāng)fifo數(shù)據(jù)到達(dá)半滿時，cpld便向pci9054發(fā)出中斷申請，并由pci9054將該申請傳入計算機(jī)。若系統(tǒng)響應(yīng)該中請，則在中斷響應(yīng)程序內(nèi)發(fā)出讀命令，以讀取字節(jié)數(shù)和地址信號等。

　　pci9054通過lhold申請local總線控制權(quán)，而cpld則通過lholda響應(yīng)，以使pci9054能得到局部總線的控制權(quán)。pci9054首先將pci地址窄間映射到本地地址空間，接著啟動本地總線的散聚dma周期。cpld收到讀信號(lw/r)、地址選通信號(ads)和地址(la16、la17)后便開始傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)la16位為0，la17位為1時，系統(tǒng)將使能后三片fifo的讀使能端(ren2)，以使后三片fifo數(shù)據(jù)線上的q0～q31有效而同時也使pci9054的準(zhǔn)備好信號(ready)有效，開始數(shù)據(jù)傳送。在最后一個數(shù)據(jù)傳送之前，blast信號有效，之后，cpld將在一個時鐘周期后使fifo的讀使能(ren1或ren2)無效，從而完成一次數(shù)據(jù)傳送過程。

　　3.3 控制程序設(shè)計

　　pci9054單周期讀、寫和dma讀的vhdl語言時序控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計如圖4所示。圖中，s0為空閑狀態(tài)。當(dāng)本地總線請求信號lhold被置1時轉(zhuǎn)到s1，否則留在s0。s1為總線保持狀態(tài)，此狀態(tài)下應(yīng)將本地總線響應(yīng)信號lholda置1。如ads信號為0且lw/r為1則轉(zhuǎn)到s3，如ads信號為1且lw/r和blast為0則轉(zhuǎn)到s4，這種狀態(tài)表明此次讀操作為單周期讀。s2為dma讀狀態(tài)，在此狀態(tài)下應(yīng)將ready信號和fifo讀使能信號ren1置0。如blast為1，則表明此次dma讀取還未完成，應(yīng)繼續(xù)留在s2，如blast為0，則表明此次dma讀取完成，可轉(zhuǎn)到s4。s3為單周期寫狀態(tài)，此狀態(tài)下也要置ready信號為0以表示寫數(shù)據(jù)有效，并在blast為0時轉(zhuǎn)到s4。s4為讀寫操作完成狀態(tài)，當(dāng)lhold被置0時，表明pci9054不再請求本地總線，此時應(yīng)轉(zhuǎn)到s0，當(dāng)blast為0且lhold為1時，表明pci9054還要進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，故應(yīng)轉(zhuǎn)到s1繼續(xù)操作。

　　3.4 控制程序邏輯的仿真結(jié)果

　　max+plusⅱ是開發(fā)aletra公司的fpga/CPLD系列產(chǎn)品的軟件工具，本設(shè)計利用此工具提供的設(shè)計環(huán)境和設(shè)計工具來對cpld控制程序進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試。其功能時序如圖5所示。

　　cpld的設(shè)計是用vhdl編程實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計的操作代碼都已經(jīng)過仿真，并在實(shí)際調(diào)試中得到應(yīng)用。

　　4 系統(tǒng)驅(qū)動程序設(shè)計

　　本設(shè)計使用driv erworks的driverwizard來創(chuàng)建wdm框架程序?？筛鶕?jù)設(shè)計需求添加程序代碼，從而完成pci設(shè)備的dma傳輸系統(tǒng)驅(qū)動程序，以執(zhí)行dma操作、訪問i/o端口和存儲器空間、處理器中斷和訪問pci。根據(jù)系統(tǒng)需要，驅(qū)動程序的關(guān)鍵是三個方面：硬件訪問、中斷處理和dma傳輸。

　　kdmaadapter類可用于建立一個dma適配器，以標(biāo)明一個dma通道的特性和提供串行化訪問服務(wù);kdmatransfer類則用于控制dma的傳輸和啟動dma傳輸，以傳輸dma數(shù)據(jù)緩沖區(qū)物理地址和字節(jié)數(shù)，dma傳輸結(jié)束后，數(shù)據(jù)將由公用緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用數(shù)據(jù)緩沖區(qū);kcommon dmabuffer用于實(shí)現(xiàn)公用緩沖區(qū)的操作。對于dma操作，本系統(tǒng)還提供了一個特殊的內(nèi)存，即公用緩沖區(qū)。應(yīng)當(dāng)說明的是，公用緩沖區(qū)是稀有的系統(tǒng)資源，應(yīng)該避免浪費(fèi)使用。

　　5 結(jié)束語

　　本文給出了數(shù)據(jù)緩存、傳輸模塊控制電路的設(shè)計，并采用vhdl語言和cpld很好的完成邏輯控制任務(wù)和系統(tǒng)驅(qū)動程序的編寫與調(diào)試。實(shí)驗結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)存儲傳輸模塊的硬件、軟件工作十分可靠、穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)640 mbps(80 mbyte/s)以上實(shí)時數(shù)據(jù)的存儲與傳輸，完全能滿足聲發(fā)射信號采集的要求。