基于FPGA与ARM的遥测数据网络化采集

摘要：现有的遥测接收机为PCI接口，需安装在工控机上使用，为实现设备小型化、便携化，设计实现了小型网络接口遥测解调模块，可配合带有网口的计算机使用。采用FPGA进行遥测数据的帧同步与IRIG-B时码解调，将接收到的遥测数据添加时码后发送给ARM处理器中的Linux系统，并编写Linux 2．6下的FPGA驱动程序，实现FPGA数据的读取，然后通过网卡以TCP／IP格式发给主机，主机实现数据存储与显示。
关键词：FPGA；帧同步；ARM；遥测数据；网络化；Linux

     以太网接口通信速度快，传输可靠，使用和配置方便，对于20 Mb／s以下的码速率，100 Mb／s的网卡可以进行不丢包转发，采用TCP包格式还可使设备小型化，便于数据的转发，因此有必要扩展设备的以太网功能。

1 整体模块设计
1．1 系统设计
     系统设计框图如图1所示。其中，采编器或接收机解调输出的PCM信号及时钟输入到FPGA中进行帧同步，IRIG-B码信息也送到FPGA中进行解调，得到时间信息。数据与时间一起存入SRAM乒乓缓冲区中，达到一定大小后，FPGA向ARM处理器发器中断，ARM中运行的Linux系统，将数据取走，进行TCP／IP打包，发送给接收计算机。
   
   
     在设备开始工作前，需要在计算机端进行参数设置，计算机TCP／IP包将参数发送给ARM处理器，由ARM处理器转发给FPGA。帧同步器的设计中，码速率为100b／s～10Mb／s，帧长为4～4 096Word，帧同步码组为4～32，ARM网卡为100Mb／s。
1．2 硬件实现
     PCB采用6层结构，相邻布线层，水平垂直交叉，电路层与电源层单独分开，提供良好的电磁兼容特性。
1．2．1 FPGA
     FPGA选择EP1C12，为实现乒乓缓冲结构，采用SRAM为IS61LV25616。输入信号使用SMA线缆连接，在传输过程中会引入衰减，信号输入输出易出现阻抗不匹配的情况，选用AD8556构成射随器，对输入信号进行匹配，同时也增大模拟源的输出能力。
1．2．2 ARM
     在此采用S3C2440，内核为ARM920T，最高频率为400 MHz，带MMU支持操作系统。内存采用2×32 MB的SDRAM，存储采用128 MB NAND FLASH，网卡采用DM9000A。
1．2．3 ARM与FPGA的接口连接
     这里采用总线接口，将FPGA作为一个存储设备挂在ARM的存储器总线上，如图2所示。
   
   
     FPGA在ARM中起始地址为0x18000000，以4 B对齐，占用0x80个地址，地址范围为0x18000000～Ox1800007C，中断为EINT0。
     在FPGA内部采用读／写指针来模拟FIFO，用一个地址来读取FPGA数据，其余地址用于配置帧同步器与模拟源的参数。

2 帧同步与B码解调
     FPGA完成PCM数据的帧同步和解调B码，写入到乒乓SRAM缓冲区中，实现如图3所示。
   
   
2．1 帧同步模块
     帧同步器根据帧同步码组的相关性和周期性，经过相关运算将同步码从PCM串行流中识别出来，原理框图如图4所示。
   
   
     PCM数据按时钟进行串／并转换，与本地帧同步码进行同或运算后再与上屏蔽位，由全加网络将相关运算结果按位相加统计结果中1的个数，大于门限值则表示可能接收到了帧同步码。
     为避免虚警和漏检，使帧同步器稳定可靠工作，采用搜索、校核、锁定三态逻辑。
     系统开始时处于搜索态，符合相关器输出，由搜索态转入校核态。在预期检测窗口内没有帧码，从校核返回到搜索态。连续通过校核数α，进入锁定态。为避免帧同步码的漏检，连续漏检超过保护帧数β，帧同步才返回搜索态，否则保持在锁定态，帧脉冲由本地产生。
2．2 IRIG-B码解调
     IRIG时间序列码是一种串行码，共有3种码元，如图5所示。
   
   
     P码元是位置码元，连续2个P码为一帧的开始，第1个P码元定义为P0，第2个P码元为秒脉冲pps，上升沿为该秒的准时刻，时间信息以BCD码依次分布在其后的码元中。解调时先进行pps的提取，再进行秒、分、时、天的信息提取，其流程如图6所示。
   
   
     时钟频率为1 MHz，用计数器对输入信号的脉宽进行计数。8 ms，5 ms，2 ms脉宽计数为8 000，5 000，2 000。输入B码的脉宽会混有干扰，晶振时钟也存在一定的误差，计数器的计时判别应浮动一个范围，设置门限为脉宽的85％～115％，当满足一定范围的数值时，分别输出P码，0码，1码信号。
     FPGA中的时码产生“天：时：分：秒：毫秒：微秒”信息。解调出B码时，FPGA更新内部时间，B码中不含毫秒与微秒信息，由FPGA根据秒脉冲信息的准时刻来生成。

3 FPGA驱动程序开发
     在Linux中，所有的硬件设备都像常规文件一样进行打开、关闭和读／写。把FPGA当作字符设备进行设计，驱动由设备加载与卸载，以及文件操作file_operation结构体中成员函数组成。
3．1 加载与卸栽设备驱动
     FPGA设备驱动程序初始化流程为动态获得主设备号、字符设备注册和申请中断；卸载流程为注销设备，释放设备编号。
     定义一个设备结构体来表示FPGA，如下：   

     当用户程序读FPGA设备时，数据还未准备好，此时驱动程序应该阻塞该进程，将其置入睡眠状态直到条件满足。此时需要初始化一个等待队列头，对读进程的休眠和唤醒时使用：
     
     在卸载函数中，删除一个cdev，完成字符设备的注销，然后释放设备编号：
     
3．2 文件接口操作
     Linux为所有的设备文件都提供了统一的操作函数，FPGA设备驱动。file_operations包含打开函fpga_open、读函数fpga_read、设置参数函数fpga_ioctl和关闭设备函数fpga_release。
3．2．1 打开与关闭FPGA设备
     在打开设备与关闭设备时会调用open函数与release函数，在open函数中，要对设备进行I／O内存资源映射及中断申请。
     设备驱动程序中，需通过内存管理单元MMU将设备的虚拟地址映射到物理地址。根据FPGA在S3C2440中的物理地址，定义如下宏：
     
     使用ioremap()对FPGA的I／O内存资源进行映射，把物理内存地址映射为一个内核指针：

     数据交换采用中断，需先设置硬件中断方式，然后向系统注册中断函数，实现如下：

     FPGA连接在ARM的EINT0上，isr_fpga为中断处理函数指针。当关闭FPGA设备时，需释放I／O内存，释放中断：
     
3．2．2 驱动程序控制接口Ioctl
     Ioctl用来设置FPGA中帧同步器和模拟源的参数，部分设置命令如表1所示。
   
   
     在此，采用统一的命令码方式，包含幻数、序数、传输方向、数据长度，使用宏_IO()，_IOR()，_IOW()和IOWR()辅助生成，如命令0设置如下：
     
     在Ioctl中，采用switeh(cmd)来实现对FPGA参数的设置及FPGA状态的读取。
3．2．3 中断函数及读函数
     当FPGA产生中断时，根据缓冲区的大小，中断函数循环对FPGA映射后的地址读取数据。ARM与FPGA接口为16位，使用inw读取，数据存放在驱动程序的缓冲区中：
     
     应用程序读取数据时，调用read函数，参数buffer为用户空间缓冲区的指针，利用copy_to_user函数将数据从内核空间拷贝到用户空间，当设备中暂时没有数据时，读进程应当被休眠：
      
     flag为一个标志位，当flag被中断函数设置为1时表示设备中有数据，此时读进程可被换醒。
3．2．4 用户程序及测试
     设备驱动实现后，需编写相应的用户程序来进行测试驱动程序和实现数据的网络转发。在用户程序中，读／写FPGA设备使用与普通文件一样的操作函数。移植Linux时配置好网卡的地址，然后使用Socket编程实现数据的TCP／IP转发，用遥测软件接收到的数据测试如图7所示。
   
   
     通过测试可以看到，同步码FDB18450被正确识别，IRIG-B解码为当前时间。

4 结语
     在此，基于FPGA与ARM进行遥测数据的帧同步遥测数据的网络转发，充分地利用了FPGA与ARM各自的特点，它可使FPGA+ARM在数据接收处理中得到广泛应用。