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為降低現(xiàn)代微波測量儀器中硬件的復(fù)雜度及并行總線的干擾，本文設(shè)計了一種以嵌入式PC為核心，利用CPLD實現(xiàn)SPI串行總線通訊的儀器內(nèi)部IO總線，并詳細(xì)闡述了此接口系統(tǒng)中SPI-Master接口的IP核實現(xiàn)。通過SPI總線的主從配置實現(xiàn)儀器硬件模塊的自動識別、參數(shù)配置及功能控制。該設(shè)計簡捷、靈活，軟硬件系統(tǒng)具有較高的可靠性和可擴展性，目前已成功應(yīng)用于噪聲系數(shù)分析儀等測量儀器中。

1.引言

現(xiàn)代微波測量儀器的復(fù)雜度和高性能，使得測量儀器的計算機化、模塊化、集成化成為趨勢（總裝備部司令部通信局，信息產(chǎn)業(yè)部電子41研究所，現(xiàn)代通信測量儀器：軍事科學(xué)出版社，1999）。設(shè)計一種通用、簡捷、模塊化、可擴展的軟硬件總線平臺，在微波測量儀器的研制生產(chǎn)過程中非常重要。面對復(fù)雜繁多的電路控制，串行總線以其較少的總線數(shù)、方便的PCB布線、靈活的編程設(shè)計等特征被越來越多的應(yīng)用到測量儀器中（數(shù)字通信測量儀器：人民郵電出版社，2007），它可以容易地進(jìn)行電路的增減，而不會影響網(wǎng)絡(luò)中的其他器件，大大增加軟硬件系統(tǒng)的可擴展性。利用成熟的計算機技術(shù)，在微波測量儀器中以嵌入式PC為核心，可以方便地進(jìn)行各種接口的設(shè)計和擴展，縮短研制周期。此外，應(yīng)用可編程邏輯器件，對關(guān)鍵技術(shù)和專用電路進(jìn)行功能劃分和設(shè)計，不僅減小了硬件系統(tǒng)的體積（趙曙光，郭萬有，楊頌華，可編程邏輯器件原理、開發(fā)與應(yīng)用：西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001），同時也能夠提高儀器的性能和可靠性，使得軟件系統(tǒng)的可維護(hù)性更強。基于上述思想，本文設(shè)計了微波測量儀器中“嵌入式PC+CPLD+串行總線”的增強型SPI總線結(jié)構(gòu)模式，使用CPLD實現(xiàn)儀器內(nèi)部SPI主從接口控制，優(yōu)化了微波測量儀器電路結(jié)構(gòu)的同時，滿足了儀器對系列化、模塊化的要求。其中基于CPLD的增強型SPI-Master接口IP軟核，接口只需稍作改動即可實現(xiàn)IP資源復(fù)用。

2.串行總線總體設(shè)計

根據(jù)微波測量儀器硬件電路的組成和特點，設(shè)計了一種微波測量儀器內(nèi)部串行總線，其系統(tǒng)框架如圖1所示。整個內(nèi)部串行總線包括核心CPU、串行總線主控制器以及硬件從控總線控制器。串行總線主控制器以SPI總線為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了一種適合微波測量儀器的增強型通信控制方式。增強型SPI主控核與ISA總線相連，在一片CPLD上編程實現(xiàn)。該芯片負(fù)責(zé)完成ISA到SPI總線之間的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)SPIMaster接口模式，通過信號母板，為儀器從控電路板提供實現(xiàn)模塊控制所需的所有控制模式。作為從控設(shè)備，儀器內(nèi)部的每個硬件電路板上，與之對應(yīng)的一片可編程邏輯器件，作為板級IO接口控制器接收、合成來自主控的串行命令。根據(jù)串行總線主控制器發(fā)送的命令信息，各從控板片內(nèi)自動查詢硬件ID，若某個從控電路板被選擇，則繼續(xù)解析接收的數(shù)據(jù)信息直至完成從控板內(nèi)各硬件器件的通信控制。這種主從式識別控制模式，滿足了儀器對系列化、模塊化的要求，可方便的實現(xiàn)未來儀器硬件的擴展要求。

3.SPI總線主控接口的IP軟核設(shè)計

同步外設(shè)接口（SPI）是由摩托羅拉公司開發(fā)的全雙工同步串行總線。該總線通訊基于主-從配置，總線形式靈活簡單，但通過約定的協(xié)議，可以實現(xiàn)復(fù)雜的功能，是很多微處理器、微控制器和外圍設(shè)備之間通訊的一種標(biāo)準(zhǔn)，可以連接許多外圍設(shè)備[4]。SPI總線傳輸串行數(shù)據(jù)時首先傳輸最高位，波特率最高可達(dá)5Mbps，具體速度取決于SPI硬件。總線有4個信號線：SCK、MOSI、MISO、SS（Motorola,Inc，SPIBlockUserGuideV02.06，2002），其中SCK、MOSI、MISO為所有的SPI接口共享。數(shù)據(jù)傳輸采用同步方式進(jìn)行，一次可傳送多個8位數(shù)據(jù)。對于沒有SPI總線接口的處理器來講，要完成對SPI器件的控制，設(shè)計花費相對較大；但如果使用一個可編程邏輯器件則完全可以實現(xiàn)不同總線間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。由于不同的處理器，其外圍總線也相應(yīng)不同，因此，本設(shè)計中的SPI總線主控制器在CPLD上實現(xiàn)，對于不同的外圍總線只需要在接口上作相應(yīng)的改變即可，方式靈活。CPLD中實現(xiàn)的SPIMaster接口設(shè)計框圖如圖2所示。根據(jù)SPI總線協(xié)議，設(shè)計中使用了自定義的4個接口寄存器實現(xiàn)CPU對主控模塊所有命令的數(shù)據(jù)傳送，包括：數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器、控制寄存器、選擇/移位寄存器。考慮到外圍總線的可變性，波特率發(fā)生器的時鐘分頻因子、數(shù)據(jù)傳輸位數(shù)、數(shù)據(jù)交換方式（查詢或中斷），在程序中都可動態(tài)調(diào)整。各寄存器定義如下：數(shù)據(jù)寄存器：8位可讀寫的雙向數(shù)據(jù)寄存器。控制寄存器：SPIE：SPI主控制寄存器中斷使能位，1表示允許中斷，0表示禁止中斷。Div[2..0]：獲得SPI總線時鐘SCK輸出的分頻比，時鐘輸出為系統(tǒng)輸入時鐘的N次分頻，其中分頻比，可實現(xiàn)4~512分頻。例如，Div[2..0]=3，則可實現(xiàn)輸入時鐘的32分頻頻率輸出。CKPHA：時鐘的相位選擇，1表示SCK空閑為高，0表示SCK空閑為低。CKPOL：SPI時鐘極性控制位。MSTENB：SPI主從模式使能位，1選擇為主模式，0為從模式。狀態(tài)寄存器：SPIF：中斷標(biāo)志，主模式傳送結(jié)束后激活設(shè)置此位。OverRun：寫數(shù)據(jù)標(biāo)志；1表示正在寫數(shù)據(jù)寄存器，在此位置高之前向數(shù)據(jù)寄存器中寫的數(shù)據(jù)都被忽略。ColF：主從模式?jīng)_突標(biāo)志；Tx_run：主傳輸查詢標(biāo)志；1表示數(shù)據(jù)正在傳輸，0表示數(shù)據(jù)傳輸完成。Slvsel：從控設(shè)備選擇標(biāo)志；1表示連接從控設(shè)備，0表示無從控設(shè)備。從控選擇寄存器：BitCnt[2..0]：主模式下移位寄存器中數(shù)據(jù)移動的位數(shù)。Slvsel[4..0]：從控選擇位，本設(shè)計中可選擇的從控芯片最多為32個。從控控制寄存器：此寄存器控制從控設(shè)備命令接收模式，可完成從控模塊片選信號的狀態(tài)、HWID配置、主從控制、主控回讀以及器件復(fù)位等功能。本設(shè)計中只用到后三位，提供八種從控命令工作方式，完全滿足從控模塊中各種不同型號器件的使用。靈活的配置可使用戶自定義擴展設(shè)計所需。只有當(dāng)前一個周期傳輸完成以后，數(shù)據(jù)才能寫入到主數(shù)據(jù)寄存器中，每次發(fā)送之間必須有半個SCK周期的最小聲明時間，這個聲明時間是處于空閑狀態(tài)的。如果在連續(xù)的傳輸中不進(jìn)行聲明，那么新的數(shù)據(jù)就不能被傳輸。編程使用VHDL語言，在MaxplusII中進(jìn)行綜合編譯，經(jīng)過仿真與實驗板波形輸出測試，結(jié)果正確符合要求。

4.從控板級設(shè)計

微波測量儀器通常由若干塊功能電路板組成，每個電路板都對應(yīng)唯一的硬件ID（HWID）號，主機通過此HWID選擇相應(yīng)的從控板，完成所需的信號控制和數(shù)據(jù)傳送。從控的CPLD實現(xiàn)框圖如圖3示。根據(jù)各電路板中硬件功能要求的不同，即可在CPLD中進(jìn)行直接裁剪，也可通過主機軟件進(jìn)行配置。圖4為從控芯片的功能仿真波形。從片控制器接口設(shè)計靈活，可連接多個SPI總線或74系列串行總線器件，每個功能板上SPI接口的EEPROM存儲了板級的配置信息和參數(shù)，使軟件系統(tǒng)能夠完成硬件的自動識別、自動配置，極大地方便了儀器的生產(chǎn)、調(diào)試和維護(hù)。此外，當(dāng)板級模塊控制較多而CPLD的IO輸出不能滿足時，還可容易地通過74HC595進(jìn)行控制信號的片外拓?fù)洹１驹O(shè)計中還完成了ISA總線訪問驅(qū)動程序，實現(xiàn)ISA總線接口的直接讀取。在系統(tǒng)軟件中以動態(tài)鏈接庫的形式，通過底層硬件驅(qū)動程序，經(jīng)過不同參數(shù)的宏定義映射得到各電路板級功能模塊的直接讀寫控制，模塊設(shè)計獨立，大大增加了軟件的可靠性。

5.結(jié)束語

經(jīng)過在噪聲系數(shù)分析儀等微波測量儀器中長時間的使用，實踐證明該總線技術(shù)穩(wěn)定、可靠。設(shè)計中采用的分層次、模塊化的設(shè)計思想，大大優(yōu)化了儀器的軟硬件結(jié)構(gòu)。其中WindowsNT下的直接I/O驅(qū)動、用可編程邏輯器件實現(xiàn)的SPI-MasterIP軟核，根據(jù)不同CPU接口只需稍作改動即可實現(xiàn)IP核的復(fù)用，不僅提高了設(shè)計效率和資源利用率，更增強了測量儀器軟硬件方面的延展性和可維護(hù)性。

作者：鄭利穎 單位：中國電子科技集團公司第四十一研究所