技 术 创 新 P LD CP LD FP GA 应 用 中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》( 嵌 入 式 与 SOC )2008 年 第 24 卷 第 1-2 期 文章编号:1008- 0570(2008)01- 2- 0214- 02 基于 FPGA 的无线通信收发模块设计方案 Th e Des ig n Pro p o s al o f th e Wireles s Co rres p o n d en ce Lau n ch an d Receiver Mo d u le With FPGA (广西工学院)唐 新 来 TANG XINLAI 摘要:本 文 设 计 了 一 种 采 用 FPGA 实 现 无 线 通 信 发 射 模 块 的 实 现 方 案 , 文 中 充 分 分 析 了 当 前 FPGA 和 ASIC 芯 片 研 究 情 况 和 各 自 特 点 , 结 合 实 际 应 用 情 况 特 点 , 最 终 确 定 实 现 方 案 。 并 以 无 线 通 信 中 最 常 见 的 摩 尔 斯 电 码 为 例 , 给 出 了 具 体 的 FPGA 设 计 流 程 , 并 通 过 仿 真 验 证 , 实 验 结 果 表 明 设 计 方 案 实 现 灵 活 , 稳 定 性 好 。 关键词:FPGA; 无线通信; ASIC; 仿真; 摩尔斯 文献标识码:B 中图分类号:TP302.1 Abstr act:This paper designed one kind of realization proposal of wireless correspondence launch and receiver module with FPGA, in the paper has fully analyzed current FPGA and the ASIC chip research situation and respective characteristic, union practical applica- tion situation characteristic, finally determined the realization plan. And take the most common morse code as the example, has pro- duced the concrete FPGA design flow, and through the simulation, the experimental result indicated that the design proposal realiza- tion is nimble and stability . Key wor d:FPGA, wir eless communication, ASIC ,simulation, mor se 1 前 言 近年来, 随着半导体工艺技术和设计方法的迅速发展, 系统 级芯片 SOC 的设计得以高速发展, 这已成为业界热点。但是, 由 于 SOC 产品设计具有开发周期相对较长、高成本和高风险等特 点 , 对 市 场 的 变 化 非 常 敏 感 , 这 使 得 SOC 在 消 费 电 子 、汽 车 电 子、工业设计领域的发展进程仍然缓慢。与此同时, 当今的制造 工艺能够提供更多更高速的逻辑、更快的 1/O 和更低价位的新 一 代 可 编 程 逻 辑 器 件, 现 场 可 编 程 门 阵 列(FPGA)己 然 进 入 嵌 入 式应用领域, 高性能 FPGA 也不再局限于引进系统粘合逻辑, 也 可作为 SOC 平台, 而在过去, 由于性能缘故, 只有专用集成电路 (ASIC)或专用标准产品(ASSP)才能达到相应的要求。不仅如此, 由于 FPGA 的现场可编程特征, 它己成为更具灵活性和广泛性 发展前景的工业设计平台。 FPGA 可轻易地被修改变更、修复缺陷, 或 在 用 户 需 要 升 级 和配合市场发展时去创制未来的衍生产品。这一趋势在工业无 线通信设计方面更加明显。当考虑到上市时间、实施灵活性及 未来过时等问题时, 采用 FPGA 作为专用芯片设计是一个最佳 的项目实施方案。 基于摩尔斯信号的通信是人类最早的无线通信方式, 它仍 应用在海事移动通信、航 空 移 动 通 信 、广 播 、卫 星 通 信 当 中 。 由 于摩尔斯电码信号通信的传统性、经济性和有效性, 它在海事移 动通信中仍占主导地 位, 特 别 是 船 与 船 、船 与 岸 、岸 与 船 之 间 的 摩尔斯通信更是占据通信业务总量的 80%以上。 基于 PC 机的 MORSE 电码信号自动处理己经实现, 但在海 事移动通信中, 它还是受到一些客观条件的约束, 缺泛方便性和 灵活性。本文从基于 FPGA 平台的专用芯片设计技术入手, 分析 唐新来: 讲师 硕士 基金项目:国家自然科学基金项目(60272018) - 214 - 360元 / 年 邮局订阅号: 82-946 和设计了一种摩尔斯电码的无线通信发射模块设计方案, 并对 设计进行了仿真验证。 2 可 编 程 逻 辑 电 路 设 计 方 法 基于可编程逻辑电路的设计基本方法, 一种是传统的系统 硬件电路设计方法, 它是采 用自下而上(bottom- up)的设计方法。 另 一 种 就 是 20 世 纪 80 年 代 开 始 兴 起 的 EDA(Electronic Design Automation)硬件电路设计方法。 随着大规模专用集成电路的开发和研制, 为了提高开发效 率和增加己有开发成果的可继承性, 以及缩短开发时间, 各种新 兴的 EDA 工具开始出现, 特别是 硬 件 描 述 语 言 HDL(Hardware Description Language)的 出 现 , 使 得 传 统 的 硬 件 电 路 设 计 方 法 发 生了巨大的变革, 新兴的 EDA 设计方法采用了自上而下 (top- down) 的设计方法。所谓自上而下的设计方 法就 是 从 系 统 总 体 要求出发, 自上而下地逐步将设计内容细化, 最后完成系统硬件 的整体设计。利用语言对系统硬件电路的自上而下设计一般分 为三个层次:第一个层次为行为描述, 它是对整个系统的数学模 型 的 描 述 ; 第 二 层 次 是 寄 存 器 传 输 描 述 RTL, 又 称 为 数 据 流 描 述; 第三层是逻辑综合。 图 1 自上而下设计系统硬件的过程 利用逻辑综合工具, 可将 RTL 方式描述的程序转换成为用 基本逻辑元件表示 的 文 件 一 门 级 网 表, 也 可 将 综 合 结 果 以 逻 辑 原理图方式输出, 也 就 是 说 逻 辑 综 合 结 果 相 当 于 在 人 工 设 计 硬 件电路时, 根据系统要求画出了系统的逻辑电原理图。再对逻 《现场总线技术应用 200 例》 

您 的 论 文 得 到 两 院 院 士 关 注 P LD CP LD FP GA 应 用 辑综合结果在门电路级上进行仿真, 并检查定时关系, 如果一切 正常, 那么系统的 硬 件 设 计 基 本 结 束 。 自 上 而 下 设 计 系 统 硬 件 的过程如图 1 所示。 由 逻 辑 综 合 工 具 产 生 门 级 网 表 后 , 在 最 终 完 成 硬 件 设 计 时 , 还 可 以 有 两 种 选 择:一 种 是 由 自 动 布 线 程 序 将 网 表 转 换 成 相 应 的 ASIC 芯 片 的 制 造 工 艺 , 定 制 ASIC 芯 片 ; 第 二 种 是 将 网 表转 换 成 相 应 的 PLD 编 程 码 点, 利 用 PLD 器 件 完 成 硬 件 电 路 的设计。 3 基 于 FPGA 的 摩 尔 斯 码 功 能 结 构 设 计 摩尔斯电 码 被 视 为 一 种 开 关 键 控 的 数 据 模 式, 摩 尔 斯 电 码 中的‘划’比‘点’的时间长 3～4 倍, 不 同的‘点 ’和 ‘划 ’组 合 形 成 长短不一的摩尔斯电 码, 不 同 的 摩 尔 斯 电 码 表 示 不 同 的 电 报 符 号。发信者先将所 要 传 递 的 文 字 翻 译 成 电 报 符 号, 再 利 用 电 报 机 发 送 出 去 , 收 信 者 将 收 到 的 电 报 符 号 翻 译 成 报 文 , 以 此 实 现 无线文字的传播。目前通过微机模拟的方法实现摩尔斯码信号 的自动处理, 使无 线 摩 尔 斯 码 信 号 数 据 进 入 计 算 机 信 息 网 的 方 案已得到解决, 利用 微 机 处 理 摩 尔 斯 的 方 案 是 先 通 过 软 件 编 程 的方法将 ASCLL 码进行摩尔斯编码, 然后通过微机 并口发送摩 尔斯电码信号, 接收时, 先通过声频卡来识别接收摩尔斯电码信 号, 最后通过软件解码成 ASCLL 码, 此方法在成本相对较高, 在 实际应用中缺乏方便性和灵活性。 根 据 海 洋 通 信 业 务 的 要 求 , MORSE 码 处 理 系 统 功 能 定 义 为:其一、根据指令自动编码、串行发送 MORSE 码。即根据指令 可自动提取 ASCLL 码, 再将 ASCLL 码自动编码成摩尔斯 编 码, 将编好的 MORSE 码自动串行发送输出。其二、根据指令自动接 收、解码摩尔斯码, 并将 ASCLL 码送入系统。即根据指令自动接 收摩尔斯码输入, 将接收的摩尔斯码自动解码成 ASCLL 码。将 ASCLL 码存储至目标地址或送入系统处理。 通过对摩 尔 斯 码 特 点 的 研 究 可 知, 在 设 计 摩 尔 斯 码 收 发 模 块 中 必 须 要 有 能 接 收 和 发 送 摩 尔 斯 码 信 息 帧 的 串 行 异 步 通 信 模块。首先, 该串行通信模块在指令的控制下, 要具有摩尔斯码 的自动发送能力, 同时具有 MORSE 码的识别接收能力, 因 为 摩 尔 斯 码 串 行 异 步 帧 的 起 始 位 和 停 止 位 都 不 同 于 ASCLL 码 串 行 异步帧, 并且不同的 摩 尔 斯 码 串 行 帧 长 度 也 不 一 样 。 二 是 摩 尔 斯码的解码和编码问题, 因为计算机内核是以 ASCLL 码为信息 交换码的。 就成为可能。据此分析, 可以得出摩尔斯码收发模块的设计要 求 , 一 方 面 能 从 串 行 接 收 端 将 摩 尔 斯 码 解 码 成 并 行 的 ASCLL 码, 另一方面能将并行的 ASCLL 码编码成串行摩尔斯码。由此, 本文设计的基于 FPGA 的摩尔斯码收发模块内部组成框图如图 二所示。 该处理系统的主要功能模块有: * 核心控制模块 * 总线控制模块 * 可编程中断处理模块 * 可编程并行 I/O 接口(P0、P1、P2、P3) * 可编程串行接口单元(SIU) * 可编程定时计数器 0～3(Timer0~Timer3) * 可编程摩尔斯码异步收发模块 中 断 处 理 模 块 有 4 个 外 中 断 源(int0~int3)和 6 个 内 中 断 源 (TF0~TF3、T1/R1、mT1/mR1), SIU 是系统的通用串行接口, 它有 4 种工作模式, 工作模 式 1～3 是 通 用 串 行 异 步 接 收 发 送 USART (Universal Serial Asynchronous Receiver/Transmitter)工作方式。当 SIU 工作于工作模式 1 或 3 时, Timer1 是其波特率发生器。 4 仿 真 与 验 证 设计的验证包括功能仿真、时序仿真和电路验证。仿真验证 往 往 是 借 助 第 3 方 提 供 的 EDA 开 发 工 具 软 件 包 或 专 用 仿 真 工 具软件来实现的。电路验证还需要开发验证平台, 对于系统级 芯片验证平台的设计也是一项艰巨而不能回避的任务。 本 文 选 用 的 是 Altera 公 司 的 MaxPlusII 作 EDA 开 发 工 具 , MaxPlusII 编译器支持功能仿真(前仿真)和时序仿真(后仿真)。完 成源代码(VHDL)设计输入之后, 若要 进 行 功 能 仿 真, 则 在 Max- plusII/Compile 下, 通 过 选 择 Processing 菜 单 下 的 Functional SNF Extractor 命 令 , 打 开 功 能 仿 真 器 网 表 文 件(SNF)提 取 器 , 再 进 行 编 译 仿 真 ; 若 要 进 行 定 时 模 拟 (时 序 )仿 真 , 则 须 在 MaxPlusII/ Compile 下 , 选 择 Processing 菜 单 中 的 Timing SNF Extractor 命 令, 打开定时模拟器网表文件提取器来进行编译仿真。 电路验证就是器件编程测试过程。对于常规的芯片设计, 时序仿 真结束后, 仿真软件就可以产生供器件编程使用的数据文件。对 EPLD/CPLD 来 说, 是 产 生 熔 丝 图 文 件, 即 JED 文 件, 对 于 FPGA 来说, 是产生位流数据文件(Bitstream Generation), 然后将编程数 据下载到对应的具体可编程器件中去, 然后对其进行实际环境 的电路测试。 技 术 创 新 图 2 基于 FPGA 的摩尔斯码收发模块内部组成框图 由此而来, 只要设计出具有接收和发送 MORSE 码 串 行 信 息帧功能, 并且具有 解 码 和 编 码 摩 尔 斯 码 功 能 的 串 行 通 信 子 模 块, 并将其嵌入在系统总线上, 则用计算机直接处理 MORSE 码 《PLC 技术应用 200 例》 图 3 仿真验证数据 本 文 选 择 CLK 频 率 为 25MHZ, 波 特 率 为 25M/16 = 1562500bps。当发送字符‘7’, 执行发送命令后, 将启动数据发送 的 进 程 , 将 字 符 ‘7’的 ASCLL 码 值 送 入 ASCLL 码 发 送 缓 存 器 , 通过 MaxPlusII 的 Simulator 仿真器, 进行时序仿真验证, 研 究 结 果如图 3 所示。 (下转第 104 页) 邮局订阅号: 82-946 360 元 / 年 - 215 - 

单 片 机 开 发 与 应 用 中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》( 嵌 入 式 与 SOC )2008 年 第 24 卷 第 1-2 期 技 术 创 新 为空则将缓冲中的转动量加 1, 若为空则发送旋钮编号给主机, 等待主机响应, 此时旋钮继续转动, 转动量不断增加, 主机响应后 再将发送缓冲里的转动量发送给主机, 发送完成后清空缓冲。 3 结 论 完成硬件和软 件 设 计 之 后, 仿 真 调 试, 烧 录 单 片 机, 将 电 路 板与 PC 机连接, 操作电路板上的 按钮和旋钮, 结果表 明 按 钮 和 旋钮识别及时准确, 完 全 符 合 实 时 操 作 的 要 求 。 并 已 应 用 于 课 题组的数字存储大功率半导体管特性曲线图示仪中。 本文采用的面 板 设 计 具 有 成 本 低 、周 期 短 、可 扩 展 、设 计 灵 活、安全可靠等优点。可以根据实际需要增加功能按键, 而不需 要重做软件设计。可以为相关领域研究人员提供一种可供参考 的面板设计方法。 本文作者创新点: 设计了鉴相电路检测旋钮的正旋和反旋, 巧妙地将旋钮扫描和按键扫描统一起来, 按键和旋钮便于扩展, 充分考虑与主机间的通信, 而且电路简单, 仅用单 片机的一个 8 位端口进行读写, Flash 单片机可反复擦写, 成本低, 周期短。 参考文献 [1]旷辉, 刘建群, 黄建新, 刘绿山. 基于单片机的电脑弹簧机按 键板的设计与实现[J]微计算机信息,2006,2:96- 98 [2]李德兵. 旋钮式键盘及其与 AT89C52 的接口技术[J]. 2003,6: 73- 80 [3]方飞, 谢丽春. 利用 Keil Cx51 实现 T0 的精确定时[J],2006,1: 64- 66 作 者 简 介: 谢 秋 云 , 女 , 1983 年 9 月 , 汉 族 , 江 苏 大 学 硕 士 研 究 生, 主要研究方向:嵌入式计算及系统。韩晓茹, 女, 1976 年 8 月 生, 汉族, 江苏大学讲师, 主要研究方向:嵌入式计算及系统。肖 铁 军 , 男 , 1963 年 9 月 生 , 汉 族 , 江 苏 大 学 教 授 , 主 要 研 究 方 向: 嵌入式计算及系统。 Biogr aphy:Xie Qiu - yun:female,born in Sep.1983,the Han na- tionality,postgraduate student of jiangsu university,major in em- bedded computing and system.HAN Xiao- ru:female,born in Aug. 1976, the Han nationality, lectuer of jiangsu university, major in embedded computing and system. (212013 江苏镇江 江苏大学计算机学院)谢秋云 韩晓茹 肖铁军 (School of Computer Science and Telecommunications Engi- neer ing,J iangsu 212013,China) Xie QiuYun Han XiaoRu Xiao TieJ un 通讯地址:(212013 江 苏 省 镇江 市 江 苏大 学(校 本部)计 算 机学 院)谢秋云 univer sity,Zhenjiang,jiangsu (收稿日期:2007.10.13)(修稿日期:2007.12.15) (上接第 215 页) 从图中可看出, 串行信号端子输出的“2 长划”, “3 点”, 经查 表对应的就是摩尔斯数字‘7’, 证明数据发送是正确的。另外当 数据输出结束后, 立刻置高电平, 即 产 生 中 断 信 号 mTI,字 符 ‘7’ 的发送用时大约 10us。 5 创 新 点 总 结 本文的创新点在于提出了一种基于 FPGA 的无线通信收发 模块, 并以当今海事 通 信 中 占 重 要 地 位 的 摩 尔 斯 电 码 为 例, 研 究了摩尔斯电码的数 字 化 编 码 方 法, 并 通 过 大 量 的 分 析 设 计 和 实验仿真, 实现了基于 FPGA 处理摩尔斯电码的收发模块, 仿真 结果也验证了本文所设计的摩尔斯电码数字化编码方法正确可 行, 工作运行可靠。 参考文献: [1]段吉海，黄智伟 数字通信系统建模与设计[M].电子工业出版 社，2004 [2]曾繁泰，侯亚宁，崔元明 可编程器件应用导论[M].清华大学 出版社，2001 [3]晏磊 基于 FPGA 曼彻斯特码数据传输系统的实现[J]微计算 机信息，2006,1- 2:p169- 170,p22 作者简介:唐新来(1972- ), 男, 湖南邵阳人, 广西工学院计算机工 程系讲师, 硕士, 研究方向:计算机网络技术 Biogr aphy:Tang XinLai, male, born in 1972, master, instructor of Dept. of Computer Engineering, Guangxi University of Tech- nology, researchful aspert: computer network technology。 (545006 柳州 广西工学院计算机工程系)唐新来 (Dept. Technology, Liuzhou 545006,China)Tang XinLai 通 讯 地 址:(545006 广 西 柳 州 市 东 环 路 268 号 广 西 工 学 院 计 算机工程系)唐新来 of Computer Engineer ing, Guangxi Univer sity of (收稿日期:2007.10.13)(修稿日期:2007.12.15) (上接第 217 页) 图 4 系统仿真波形 本 文 作 者 创 新 点:依 据 冲 量 不 变 理 论 , 提 出 了 采 用 直 接 面 积 等 效 法 计 算 三 相 SPWM 波 的 方 法 , 并 基 于 FPGA 设 计 了 SPWM 发 生 器 。对 新 一 代 高 性 能 变 频 器 的 开 发 等 方 面 具 有 一 定 的 参 考 价 值 。 参考文献 [1]陈国呈.《PWM 变频调速及软开关电力变换技术》[M].北京:机 械工业出版社,2001.7。 [2]梁玉红.新型全数字 SPWM 波形发生器的设计与实现[J]微计 算机信息,2003,11:69- 70+91。 作者简介:王春侠(1970- ), 女(汉族), 陕西省工业自动化重点实验 室 副 教 授,研 究 方 向 为 控 制 理 论 及 计 算 机 控 制 ; 聂 翔(1968- ), 男 (汉族), 陕西理工学院电信工程系副教授。 Biogr aphy:Wang chunxia (1970 - female (Han nationality), associate professor of Shaanxi provincial key laboratory of indus- trial automation, theory and computer control; Nie, xiang (1968 - ), male (Han nationality), associate professor of department of electronic and information engineering of Shaanxi university of technology. (723000 陕西省 工业自动化重点实验室)王春侠 (723000 陕西省 陕西理工学院电信工程系)聂翔 通讯地址:(723000 陕西省 汉中市明珠小区 281# 信箱)王春侠 (收稿日期:2007.10.13)(修稿日期:2007.12.15) research area is control ), - 104 - 360元 / 年 邮局订阅号: 82-946 《现场总线技术应用 200 例》