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采用PCI9052及GP2010實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)采集
摘要：PCI9052是PLX公司推出的一種PCI總線從屬接口芯片（不具有DMA功能）。它提供了方便的本地總線與PCI總線的接口，避免用戶直接面對(duì)復(fù)雜的PCI總線協(xié)議。GP2010是通用電器公司Plessey半導(dǎo)體機(jī)構(gòu)為全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機(jī)設(shè)計(jì)的第二代射頻高頻端器件。它將GPS射頻信號(hào)下變頻到4.309MHz的中頻（IF）后進(jìn)行5.714MHz的2bit（A/D）量化。文中主要介紹如何利用PCI9052和GP2010實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的量化存儲(chǔ)。關(guān)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(shí)時(shí)的定位、速度和時(shí)間信息�，F(xiàn)在的GPS接收機(jī)大多采用硬件電路進(jìn)行碼相關(guān)運(yùn)算，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更新升級(jí)比較困難；而基于軟件無線電的GPS接收機(jī)受電路限制較少，更新?lián)Q代只需調(diào)整相應(yīng)軟件，十分靈活。該數(shù)據(jù)采集卡就是基于以上考慮設(shè)計(jì)的。
1 PCI9052的特點(diǎn)與功能
PCI9052（以下簡稱9052）提供高性能的從目標(biāo)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(dá)132 (范文先生網(wǎng)www.qkfawen.com收集整理)MB/s的傳輸速率。對(duì)9052編程可實(shí)現(xiàn)復(fù)用/非復(fù)用的8位、16位、32位的本地總線接口。9052還有內(nèi)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(zhuǎn)換為PCI卡；
②支持從目標(biāo)傳輸模式，可以對(duì)存儲(chǔ)器空間進(jìn)行突發(fā)讀/寫，對(duì)I/O空間單次訪問；
③2個(gè)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(gè)本地片選引腳，5個(gè)本地空間；
⑦多種本地讀/寫操作模式，方便地實(shí)現(xiàn)PCI與本地的接口。
圖1給出了9052內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
2 GP2010射頻前端器件
GP2010（以下簡稱2010）是為GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)的射頻前端器件，它接收GPS（L1）調(diào)制信號(hào)。L1是50位/Hz的信息碼速率經(jīng)過1.023MHz的偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻后以BPSK方式調(diào)制在1575.42MHz的載波上形成的擴(kuò)頻信號(hào)。信號(hào)電平在進(jìn)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(jīng)過內(nèi)部鎖相環(huán)頻率綜合器產(chǎn)生1.4GHz、140MHz、與31.11MHz的三級(jí)時(shí)鐘分別與射頻輸入的L1信號(hào)進(jìn)行混頻，其中還經(jīng)過3級(jí)濾波抑制帶外干擾，最后將其變換到4.309MHz的中頻，然后進(jìn)行5.714MHz的采樣實(shí)現(xiàn)A/D變換（2位量化，符號(hào)位SIGN和數(shù)據(jù)位MAG）。根據(jù)奈奎斯特定律對(duì)帶通信號(hào)要以高于兩倍的信號(hào)帶寬進(jìn)行采樣才可無失真的恢復(fù)，用5.714MHz的速率采樣也要考慮到信號(hào)傳播過程中由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)使信號(hào)帶寬變寬的緣故。量化數(shù)據(jù)在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿輸出。圖2給出2010的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
圖2 GP2010內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
3 數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
GPS信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)基本的一路GPS衛(wèi)星信號(hào)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(shù)據(jù)進(jìn)行串并變換，使其每滿32位后進(jìn)行一次傳輸存儲(chǔ)，這樣存儲(chǔ)速率就變?yōu)?57.12kHz。緩存選用4片18k×16位的FIFO,這樣就可以省略地址產(chǎn)生邏輯。在程序設(shè)計(jì)中，采樣數(shù)據(jù)首先存入FIFO（A），待滿后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷，中斷服務(wù)程序?qū)⒆x取其中的數(shù)據(jù)。在讀過程中，采樣數(shù)據(jù)會(huì)繼續(xù)寫入FIFO（B），如此反復(fù)可將數(shù)據(jù)采入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。選用緩存時(shí)，建議在可行的情況下，容量越大越好。因?yàn)镻CI總線上，除了設(shè)計(jì)的采集卡在不斷地申請占用總線外，還會(huì)有其余的設(shè)備占用，如果緩存不夠大將會(huì)丟失采樣數(shù)據(jù)。FPGA的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串行變換、控制采樣過程和與FIFO的接口邏輯。圖3是該數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)框圖。
4 9052使用中應(yīng)該注意的問題
9052內(nèi)部的配置寄存器是通過外部串行E2PROM上電加載的。9052會(huì)自動(dòng)根據(jù)該E2PROM的狀態(tài)來決定其內(nèi)部寄存器的值。如果E2PROM不存在（此時(shí)E2PROM和9052連接的數(shù)據(jù)引腳應(yīng)加上拉電阻）或其內(nèi)部無有效值，9052會(huì)將其內(nèi)部寄存器配置為缺省值。值得一提的是，如果E2PROM內(nèi)部沒有燒寫為有效值時(shí)，應(yīng)保證其開始48位為全“1”；否則，系統(tǒng)上電時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。
9052有5個(gè)本地空間，用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)的配置。當(dāng)將本地空間配置成I/O時(shí)，對(duì)該空間的讀/寫操作只能單次進(jìn)行。利用PLXMon來開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序（調(diào)用其提供的API函數(shù)）進(jìn)行I/O讀/寫，速度會(huì)十分慢（一般不會(huì)超過500kHz）；而如配置成存儲(chǔ)器空間，用戶會(huì)
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(shè)計(jì)的。在該模式期間，9052只提供一次傳輸開始和終止信號(hào)。開始信號(hào)有效后，地址將以本地時(shí)鐘的頻率（最高可達(dá)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(gè)口地址，在設(shè)計(jì)中為了利用其快速的存儲(chǔ)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(nèi)FIFO的片選始終有效。圖4是一次突發(fā)讀時(shí)序。其中LCLK是本地時(shí)鐘，ADS有效表示一次傳輸?shù)拈_始，BLAST有效表示本次傳輸?shù)慕K止。
在此須澄清一個(gè)概念：Pentium系列計(jì)算機(jī)（指CPU），不支持突發(fā)讀操作，只可能產(chǎn)生單次讀操作。用戶若想在PCI總線上實(shí)現(xiàn)突發(fā)操作（FRAME信號(hào)有效，多余一個(gè)PCI時(shí)鐘周期），應(yīng)使用支持DMA傳輸?shù)男酒�，如PLX9054。但9052會(huì)將PCI總線上的多次單次讀操作轉(zhuǎn)化為本地空間上的突發(fā)操作。
5 PLXMon及PLX器件驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)
PLXMon是PLX公司專為其產(chǎn)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(qū)動(dòng)程序后，啟動(dòng)該軟件就可以觀察和修改芯片內(nèi)部寄存器的值，并可以對(duì)存儲(chǔ)器空間進(jìn)行測試。
Windows下的驅(qū)動(dòng)程序包括硬件物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)等非物理設(shè)備的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，我們所編寫的是硬件物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)用程序訪問硬件資源加以限制，用戶需要對(duì)系統(tǒng)硬件及操作系統(tǒng)軟件有詳細(xì)的了解才可開發(fā)出高效的驅(qū)動(dòng)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(shí)間，但效率不一定高，尤其對(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的程序顯得有些無力。
①Device Developer Kit(DDK)。該軟件中包括了有關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)的文檔、編譯需要的頭文件和庫文件、調(diào)試工具和程序范例；但是由于DDK主要是使用匯編語言進(jìn)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(hù)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
④PLXMon。PLX公司專為其芯片提供的驅(qū)動(dòng)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(shí)序
在開發(fā)程序時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)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(qū)動(dòng)程序?qū)o法使用。所以建立使用PLXMon，只需包括相應(yīng)的頭文件，用戶便可以方便地調(diào)用其提供的API函數(shù)，對(duì)板卡上的資源進(jìn)行訪問。以下的程序片段是在調(diào)試電路板時(shí)編寫的基本查詢中斷是否有效來讀取緩存的。所調(diào)用的函數(shù)均為PLXMon提供的API函數(shù)。其中：PlxPciBaseAddressesGet（）是得到板卡上存儲(chǔ)空間的物理地址，而*（Data+i）=*(U32*)(va.Va3)是將該空間的值裝入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。
圖5是驅(qū)動(dòng)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;i<FIFO_Size;i++)
*(Sample_Data+i)=*(U32*)(va.Va3);
*(U32*)(va.Va0+0x4c)=Clear_Flag;
break；
}
}
結(jié)語
由于PCI總線的高速特性，使其被廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有效地解決了實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等問題。而PCI總線控制器專用芯片的出現(xiàn)則
縮短了PCI總線硬件設(shè)備的開發(fā)周期，使得硬件設(shè)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(xiàn)要想有高效率的操作特性，使用第三方提供的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)包總是不太理想，尤其對(duì)于高速采樣及實(shí)時(shí)嚴(yán)格的系統(tǒng)。用戶還是要利用DDK開發(fā)符合自己要求的驅(qū)動(dòng)程序。該數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)了一路GPS信號(hào)的采集工作，為今后利用通用PC機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的捕獲、跟蹤及解調(diào)，初步實(shí)現(xiàn)軟件無線電GPS接收機(jī)打下基礎(chǔ)。
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