基于PCI遥测解调及遥控注入测试卡设计与实现

本文中的测控系统是某型号无人机电子系统中的一个重要部分。为了对测控系统的改进优化设计进行验证，需要对软件进行长期运行考核，对该分系统进行单机验收与联试，验证其与其它分系统接口的匹配性；同时还要为测控系统提供真实的物理连接接口、动态输入参数，进而提供与无人机同步的仿真运行环境。遥测解调及遥控注入测试卡是根据验证测控系统工作的需要而设计开发的，它能为其提供遥测解调、遥控数据注入、直接指令注入、触点信号和40kHz时钟等接口信号。能对原测控系统进行测试的遥测解调及遥控注入测试卡是ISA插卡，使用分离器件来实现。随着计算机硬件的发展，PCI总线已经成为当今高性能微型计算机事实上的总线标准，PCI总线的性能远远高于ISA总线，因此基于PCI的遥测解调及遥控注入测试卡更符合实际应用的需要。FPGA技术的应用日益成熟和广泛，用FPGA芯片替代分离器件将大大提高测试卡的可靠性。本文论述了基于Altera公司的AcexlK系列芯片(如ACEK1K30QC208等)，采用PCI局部总线标准，设计基于PCI的遥测解调及遥控注入测试卡的一些关键技术。           

１ PCI局部总线

以Intel公司为首的PCI SIG小组推出的PCI总线标准是一种高端现代局部总线它具有符合工业标准、性能高、成本低、独立于处理器、允许灵活配置、使用寿命长、可操作性强和软件兼容性好等优点，因此在嵌入式计算机和工业控制计算机领域具有广阔的应用前景。PCI总线与传统ISA总线、现代的EISA总线的性能比较如表１所示。

PCI局部总线是微型计算机中处理器／存储器与外围控制部件、扩展卡之间的互连接口。PCI总线规范是互连机构的协议及电气和机械配置的规范，其用途是在高度集成的外设控制器器件、扩展板和处理器之间提供一种内部联结机制。本文中的基于PCI的遥测解调及遥控注入测试卡是由PCI总线完成测试卡和处理器／存储器的连接，其在PCI总线微型计算机系统中的位置如图１所示。

２ FPGA技术

在现代电子系统领域，EDA技术已经逐渐成为电子系统的主要设计手段。FPGA(现场可编程门阵列)是EDA技术中的一种重要应用。FPGA器件在结构上由逻辑功能块排列为阵列，并由可编程的内部连线连接这些功能块，来实现一定的逻辑功能。设计遥测解调及遥控注入测试卡的数字和逻辑电路部分均由FPGA器件来完成。

考虑到遥测解调及遥控注入测试卡逻辑功能的需要，本设计采用Altera公司的FPGA芯片ACEK1K50QC208。该芯片具有５万门可编程逻辑单元，属于Sram型的FPGA芯片，逻辑信息保存在专门的静态存储器中(本设计中使用ＥＰＣ１ＰＣ８EPC1PC8芯片作为静态储存器)，上电时动态加载。这种类型的器件在验证期间可以使用下载工具将逻辑加载到芯片中，验证完毕后需要将逻辑信息烧写在静态存储器中，以后系统上电时，FPGA从静态存储器中自动加载逻辑。

使用FPGA进行电路设计的步骤为：首先采用目前流行的硬件描述语言Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ设计输入，即将设计的逻辑、时序关系输入计算机；之后，使用Ｍａｘｐｌｕｓ ＩＩ软件进行前仿真、综合、布局布线和后仿真，即验证输入的硬件描述语言的逻辑关系是否正确，若正确则用抽象语言将逻辑描述分解为具体的逻辑单元，在FPGA器件中实现，并验证布局布线后仿真是否正确；最后，进行硬件验证，将计算机上布局布线之后生成的文件加载到FPGA中，以验证它的实际工作情况同设计是否一致。

３ 遥测解调及遥控注入测试卡的设计

３．１ 测试卡的测试接口信号要求

测试卡要根据测试的需要提供测试接口信号。这些测试接口信号共包括五类：

(１)遥测解调信号：测试卡集成了两路遥测解调器的功能。其中每一路遥测解调器都能够输出帧同步信号、路同步信号和数据时钟信号。被测系统根据解调器卡输出的上述三个信号，按照一定的时序关系输出串行的遥测数据。

(２)遥控数据注入：测试卡集成了两路遥控数据注入单元。其中每一路遥控数据注入单元都能够提供数据有效信号、时钟信号和数据信号。 (３)遥控指令：测试卡提供１套２４路直接遥控指令输出。每路指令处于工作状态时，集电极开路门接通(低电平)；处于非工作状态时，集电极开路门不接通(高电平)。

(４)触点信号：测试卡提供１套１１路(共２２根引脚)触点输出信号。每路触点信号为开关闭合有效，断开无效。

(５)时钟输出：测试卡提供１路４０ｋＨｚ的时钟输出信号。

３．２ 测试卡硬件系统的实现

在该测试卡的电路系统中，由FPGA芯片提供测试接口信号