基于并口通訊的雙路高速可編程數(shù)字及模擬信號(hào)源設(shè)計(jì)

摘要：應(yīng)用EPP模式的并口通訊實(shí)現(xiàn)了一種可同時(shí)輸出數(shù)字和模擬信號(hào)的雙路可編程信號(hào)源；使用一片CPLD實(shí)現(xiàn)所有的接口邏輯和控制邏輯，并給出了相應(yīng)的PCB布線技巧。可廣播應(yīng)用于各種DSP系統(tǒng)的調(diào)試。

關(guān)鍵詞：EPP 數(shù)字信號(hào)處理（DSP） 信號(hào)源 可編程 虛擬儀器

大多數(shù)DSP應(yīng)用系統(tǒng)都包括一個(gè)前端的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）。在測(cè)試高速數(shù)字信號(hào)處理（DSP）系統(tǒng)時(shí)，通常是做一個(gè)專用的模擬信號(hào)源（如雷達(dá)中頻模擬信號(hào)源等），加上一個(gè)為實(shí)際應(yīng)用特制的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC），以獲取與實(shí)際應(yīng)用相當(dāng)?shù)膶Ｓ眯盘?hào)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)試該DSP系統(tǒng)。通常，模擬信號(hào)源、ADC及DSP系統(tǒng)是由不同的開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)制作的。為了調(diào)試DSP系統(tǒng)，需要各方人員協(xié)作，調(diào)試任務(wù)相當(dāng)繁雜。且不同的DSP系統(tǒng)調(diào)試需要不同的信號(hào)源和ADC，也是系統(tǒng)研發(fā)階段的難點(diǎn)。

在多種調(diào)試DSP系統(tǒng)之后，設(shè)計(jì)并制作了一種高速雙路可編程信號(hào)源。它的輸出具有數(shù)字和模擬兩種形式；信號(hào)的內(nèi)容、輸出速率、數(shù)據(jù)托度等都可以通過(guò)PC機(jī)并口來(lái)進(jìn)行設(shè)置和控制；數(shù)據(jù)輸出速率可高達(dá)75M字/s，相應(yīng)的模擬輸出信號(hào)最大頻率為37.5MHz，數(shù)據(jù)重復(fù)長(zhǎng)度最大為128K字；可廣泛應(yīng)用于各類DSP系統(tǒng)的調(diào)試。由于該信號(hào)源運(yùn)用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生所需的數(shù)據(jù)和控制信息，因此它也屬于通常所稱的虛擬儀器范疇。其應(yīng)用形式有兩種：①利用輸出的模擬信號(hào)替代專用的模擬信號(hào)源；②利用直接輸出的數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)源和ADC。兩種應(yīng)用分別如圖1和圖2所示。

1 可編程信號(hào)源電路原理

該信號(hào)源的基本設(shè)計(jì)思路是，由計(jì)算機(jī)編程產(chǎn)生所需的兩路信號(hào)數(shù)據(jù)（包括加噪數(shù)據(jù)）。通過(guò)計(jì)算機(jī)并口（EPP模式）將數(shù)據(jù)分別傳到信號(hào)源的兩個(gè)高速數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（兩個(gè)128K×8的SRAM），在信號(hào)源的內(nèi)部時(shí)鐘推動(dòng)下將數(shù)據(jù)高速輸出；同時(shí)將相應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)兩路高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）電路轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)同步輸出。其中數(shù)據(jù)輸出的長(zhǎng)度以及輸出速率是可以設(shè)置的。

信號(hào)源的所有邏輯及時(shí)序功能由一片CPLD（MACH4-128/64）完成，包括EPP模式并口的接口控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址及讀寫信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)緩沖隔離控制、DAC控制、內(nèi)部時(shí)鐘控制、數(shù)據(jù)時(shí)鐘同步的產(chǎn)生。整個(gè)電路的原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.1 EPP模式并口邏輯設(shè)計(jì)

EPP模式的并口I/O空間除了標(biāo)準(zhǔn)接口（SPP）用到的3個(gè)端口以外，還增設(shè)了兩個(gè)雙向的8位端口，即地址端口和數(shù)據(jù)端口，它們分別占用基地址（通常為378H）的偏移量3和4處。正是這兩個(gè)新增的雙向端口使得并口EPP模式被廣泛開(kāi)發(fā)應(yīng)用。這兩個(gè)端口從時(shí)序上是一樣的，由各自的選通脈沖信號(hào)來(lái)區(qū)分。在本信號(hào)源設(shè)計(jì)中，采用地址端口鎖存數(shù)據(jù)作為控制命令，數(shù)據(jù)端口用于傳送數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)內(nèi)容、長(zhǎng)度和輸出數(shù)率選擇。在EPP并口通訊協(xié)議中，地址寫周期時(shí)序如圖4所示。

為正確完成一個(gè)EPP地址或數(shù)字的讀寫周期，需要正確產(chǎn)生一個(gè)等待信號(hào)（Waite#）。在EPP協(xié)議時(shí)序圖上，它比地址選通信號(hào)要推遲一些（如圖4）。如何產(chǎn)生這個(gè)等待信號(hào)是經(jīng)常困惑設(shè)計(jì)人員的問(wèn)題。通過(guò)仔細(xì)研究協(xié)議規(guī)則，發(fā)現(xiàn)一個(gè)正常的讀寫周期是由等待信號(hào)來(lái)推動(dòng)的。比如當(dāng)計(jì)算機(jī)向地址端口寫數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算機(jī)的EPP接口邏輯首先使寫信號(hào)有效，然后監(jiān)視等待信號(hào)，如果為低，才施加選通信號(hào)（AddrStrobe#），之后繼續(xù)監(jiān)視等待信號(hào)，如果等待信號(hào)為高表明終端設(shè)備已取得數(shù)據(jù)，從而撤消選通信號(hào)并結(jié)束寫周期。數(shù)據(jù)周期與地址周期類似。了解這一點(diǎn)之后，在讀寫數(shù)據(jù)或地址端口時(shí)，等待信號(hào)可以直接用選通信號(hào)取反來(lái)產(chǎn)生，只要速度上能保證在選通信號(hào)結(jié)束時(shí)可以正確讀出或者保存數(shù)據(jù)；由于存在地址和數(shù)據(jù)兩個(gè)選通信號(hào)（Addr Strobe#和Data Strobe#），用它們的與非來(lái)產(chǎn)生該等待信號(hào)即可。

1.2 地址產(chǎn)生

本信號(hào)源的地址產(chǎn)生邏輯實(shí)際上是一個(gè)同步加計(jì)數(shù)器，用以產(chǎn)生順序加1的地址，只是它的同步時(shí)鐘有兩個(gè)來(lái)源。當(dāng)計(jì)算機(jī)通過(guò)并口寫數(shù)據(jù)時(shí)，它的計(jì)數(shù)時(shí)鐘由數(shù)據(jù)選通信號(hào)（Data Strobe#）來(lái)驅(qū)動(dòng)，保證計(jì)算機(jī)每寫一個(gè)數(shù)據(jù)使得高速緩存器的地址加1；而當(dāng)信號(hào)源高速輸出數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘由信號(hào)源的內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。它們的切換是由CPLD內(nèi)的控制寄存器來(lái)控制的。每次在計(jì)算機(jī)寫數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)由計(jì)算機(jī)通過(guò)控制寄存器給計(jì)數(shù)器清零；而在信號(hào)源輸出數(shù)據(jù)時(shí)，清零信號(hào)由數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器和當(dāng)前地址值的比較結(jié)果來(lái)確定，一旦地址值與數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器相等，立即產(chǎn)生一個(gè)清零信號(hào)，以使數(shù)據(jù)從零地址處周期性重復(fù)輸出。該地址產(chǎn)生器的邏輯原理如圖5所示。

1.3 內(nèi)部時(shí)鐘控制

對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘的控制決定了最終輸出的數(shù)據(jù)的速率?；緯r(shí)鐘由一個(gè)有源晶振產(chǎn)生，可以通過(guò)更換晶振來(lái)取得特定的輸出時(shí)鐘速率。同時(shí)提供對(duì)該時(shí)鐘的分頻選擇。該分頻器實(shí)際上是一個(gè)7位同步2進(jìn)制計(jì)數(shù)器，輸出晶振時(shí)鐘的2/4/8...128分頻量，由此提供一種有限但卻簡(jiǎn)單的時(shí)鐘選擇。對(duì)時(shí)鐘的選擇可以用簡(jiǎn)單的AHDL語(yǔ)言來(lái)完成設(shè)計(jì)。假設(shè)分頻器的輸出為Q6～Q0，時(shí)鐘為JTCLK，分頻選擇控制位為F2～F0，輸出時(shí)鐘為OUTCLK，相應(yīng)AHDL語(yǔ)言的Equations段如下：

[Q6..Q0]:=[Q6..Q0]+1; 設(shè)計(jì)7位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

[Q6..Q0].clk=JTCLK; 計(jì)數(shù)器時(shí)鐘為晶振輸出

WHEN[F2..F0]=^b 000) THEN OUTCLK=JTCLK;不分頻

WHEN([F2..F0]=^b001) THEN OUTCLK=Q0;1/2分頻

WHEN（[F2..F0]=^b010） THEN OUTCLK=Q1;1/4分頻

WHEN （[F2..F0]=^b011） THEN OUTCLK=Q2;1/8分頻

WHEN （[F2..F0]=^b100） THEN OUTCLK=Q3;1/16分頻

WHEN （[F2..F0]=^b101） THEN OUTCLK=Q4;1/32分頻

WHEN （[F2..F0]=^b110） THEN OUTCLK=Q5;1/64分頻

WHEN （[F2..F0]=^b111） THEN OUTCLK=Q6;1/128分頻

輸出時(shí)鐘OUTCLK分別用于地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、DAC的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)以及產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘（包括正、反兩種相位）。

2 信號(hào)源PCB板設(shè)計(jì)

由于該信號(hào)源PCB板含有數(shù)字及模擬兩種電路，使得PCB板的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。如PCB設(shè)計(jì)不當(dāng)，將使DAC電路輸出的模擬信號(hào)噪聲增大，從而影響信號(hào)源的性能。

在該P(yáng)CB設(shè)計(jì)中，主要考慮兩個(gè)因素，一是電源濾波，另一個(gè)是接地。

在電源入口處，應(yīng)當(dāng)接入一個(gè)幾十微法的鉭電解電容和一個(gè)0.1μF的獨(dú)石電容。數(shù)字電路部分的電源濾波一般只需在數(shù)字IC的電源端用一只0.1μF或0.01μF的獨(dú)石電容進(jìn)行旁路濾波。該電容必須盡量靠近數(shù)字IC的電源引腳處，并且接地端要直接接入大面積的地線，否則收效甚微（見(jiàn)圖6）。模擬電路的5V電源應(yīng)當(dāng)和數(shù)字電路的5V電源分開(kāi)走線，中間用磁珠加以隔離，以消除數(shù)字電路引起電源波動(dòng)對(duì)模擬電路的影響。DAC電路的運(yùn)放要同時(shí)進(jìn)行高頻低頻濾波，即在各運(yùn)放在正負(fù)電源端同時(shí)采用數(shù)微法的鉭電解和0.1μF的獨(dú)石電容進(jìn)行旁路。如果使用開(kāi)關(guān)電源，則運(yùn)放的正負(fù)12V電源都要用磁珠串聯(lián)以減輕開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)輸出信號(hào)的影響。

相對(duì)于電源濾波，接地問(wèn)題尤為重要。接地問(wèn)題的關(guān)鍵是采用單點(diǎn)共地技術(shù)，即數(shù)字電路和模擬電路兩部分的地線在PCB板上嚴(yán)格分開(kāi)，只在一點(diǎn)進(jìn)行共地連接，該點(diǎn)稱為星點(diǎn)（STAR POINT）。該技術(shù)能抑制大部分模數(shù)混合電路中特有的數(shù)字噪聲對(duì)模擬電路的影響。而且根據(jù)理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，模擬部分應(yīng)當(dāng)置于靠近電源入口的一端。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用專為虛擬儀器設(shè)計(jì)的LabWindows/CVI來(lái)完成程序的主體及界面設(shè)計(jì)，使得該信號(hào)源的軟件界面具有真實(shí)儀器的面板風(fēng)格。由于計(jì)算機(jī)并口只使用I/O空間，并且多數(shù)操作系統(tǒng)（如WINDOWS9X）都沒(méi)有對(duì)I/O端口進(jìn)行屏蔽，軟件的控制和數(shù)據(jù)傳輸部分就非常簡(jiǎn)單，直接使用I/O函數(shù)即可（LabWindows/CVI提供相應(yīng)函數(shù)支持）。軟件的主要工作是產(chǎn)生所需特定信號(hào)的數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，可以產(chǎn)生兩路8位或單路16位的信號(hào)數(shù)據(jù)，其中16位的數(shù)據(jù)信號(hào)要分為高低8位兩部分?jǐn)?shù)據(jù)分別傳送。需要注意的是，如果信號(hào)數(shù)據(jù)是16位，則DAC電路輸出的兩路模擬信號(hào)與輸出數(shù)據(jù)是不一致的，只有其中一路可以粗略地觀察到該信號(hào)波形（數(shù)據(jù)高8位的波形）。為了使用多種工具（如Matlab等）產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)據(jù)，軟件在產(chǎn)生常用信號(hào)的基礎(chǔ)上，可選擇讀取數(shù)據(jù)文件的方式，從而可以更快更靈活地得到各種特定信號(hào)的輸出。