摘 要： 为了提高航空航天领域对信号处理、传输的实时性及可靠性，以Cyclone III系列EP3C40F324I7为核心处理器，设计了一种基于CPCI总线的多功能通信卡。结合高效的FPGA算法，设计出一款实时性强、可靠性高的多功能通信卡。经测试使用，该多功能通信卡各项性能指标均达到要求，已投入实际应用中。
0引言
CPCI总线[1]是由PCI总线发展而来的一种紧凑型32/64 bit局部总线，最高带宽可达512 MB/s。因其具有高开放性、高可靠性、可热插拔等优点，被广泛应用于航空航天、信息通信、工业控制、数据采集等领域。相对于传统的以单片机、MCU为核心的数据处理系统，现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）以其高速、灵活、高集成度、高性能、抗干扰、现场可编程等优点，在上述领域中得到了广泛应用[2]。本设计将CPCI总线技术与FPGA技术巧妙结合，以Altera公司的高性能芯片EP3C40F324I7为核心处理器，根据应用需求，研制开发了一款实时性强、可靠性高的多功能通信卡。
1 多功能通信卡总体方案
FPGA核心处理器EP3C40F324I7通过CPCI总线与主机进行信息交互，主要实现各模块信号采集、处理、传输等功能。主机通过CPCI总线发送命令、数据，FPGA微处理器接到指令后，对相关信号进行处理，将处理结果通过CPCI总线反馈给主机，并通过标准的通信接口外接引出，从而进行分析、计算。该多功能通信卡总体方案如图1所示。
 
2 硬件设计
2.1 FPGA芯片选型与设计
本设计中FPGA微处理器通过CPCI总线实现RS232串行通信、RS422串行通信、脉冲计数、数字输出等多种功能，综合考虑FPGA内部存储单元数量、I/O引脚数量等因素，选择Altera公司的EP3C40F324用于功能模块开发。EP3C40F324为FPGA封装，内部LE 39 600个，M9K 126个，RAM总量为1 161 216 bit，18×18的乘法器126个，锁相环4个，全局时钟网络20个，可用I/O口195个，可用差分通道61个，可以满足系统开发需求。
EP3C40F324需3种供电电压，I/O供电电压为+3.3 V，PLL的模拟供电电压为+2.5 V，内核及PLL的数字供电电压均为+1.2 V。其中，+3.3 V由背板经CPCI J1直接供给，+2.5 V通过电源芯片LT1963AES8由+3.3 V转换而得，+1.2 V通过电源芯片TPS74401由+3.3 V转换而得。设计中，充分考虑到芯片功耗问题，内核及PLL的数字供电特采用TI公司的TPS74401电源芯片将+3.3 V转换为+1.2 V，其输出电流为3 A，保证了电源功率。
FPGA的输入时钟由背板经CPCI J1提供，使CPCI总线频率稳定在33 MHz。FPGA的上电复位模式选择AS Standard POR。采用增强型配置芯片EPCS16对FPGA进行了主动串行（AS）配置，同时利用微处理器本身进行了基于JTAG的配置。两种配置方案，保证了FPGA程序烧录的可靠性、稳定性。FPGA芯片设计如图2所示。
 
2.2 总线接口设计
本设计中采用32 bit/33 MHz CPCI总线接口，其传输率可达133 MB/s，实现了设备之间的高速通信。通过CPCI连接器，CPCI总线信号与FPGA的I/O口互连。
FPGA微处理器通过地址和数据信号AD[31..00]、总线命令和字节使能信号C/BE[3..0]#与主机进行I/O地址的选择，以及数据、命令的传输。FRAME#、TRDY#、IRDY#、STOP#、DEVSEL#、IDSEL等接口控制信号用于设备选择、读写控制。FPGA微处理器如需占用总线，则需向主机发出总线占用请求信号REQ#，主机收到总线占用请求信号后，通过仲裁向FPGA微处理器发送总线占用允许信号GNT#。由于总线上没有挂接其他设备，故总线的使用由FPGA微处理器独占。INTA#用于向总线进行中断请求，以实现中断功能。通信过程中如有错误发生，则FPGA微处理器通过PERR#、SERR#与主机进行错误报告，以保证数据传输可靠、完整[3]。
2.3 脉冲信号处理电路设计
被测设备的脉冲信号通过CPCI J4连接器进入板卡。利用光电耦合器GH137对脉冲进行光电隔离，以减少板上其他信号的干扰，提高脉冲数字信号的抗干扰能力。经过光耦隔离的脉冲数字信号，由TI公司的SN54AHC14W进行波形整形。SN54AHC14W是带有施密特触发的6路反相器。施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。故经过SN54AHC14W整形的脉冲数字信号波形更加理想，易于FPGA微处理器进行处理、计数。
高稳定度温度补偿晶体振荡器Osc-TCXO4产生的1 024 kHz时钟脉冲，经SN54AHC14W整形后送入FPGA，供脉冲计数使用。由于本板卡应用于军工、国防领域，需要非常稳定的晶振，故采用温度补偿晶体振荡器。TCXO温度补偿通过改变振荡回路中负载电容，使其随温度变化来补偿由于环境温度变化产生的频率漂移，从而产生精度非常高的时钟，提 ......

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