基于FPGA的多路脉冲重复频率跟踪器

２ 系统实现

系统框图如图４所示，整个系统由ＤＳＰ和ＦＰＧＡ组成，在 ＦＰＧＡ中设计了８路跟踪器，最多可同时对８路信号进行跟踪。ＤＳＰ负责控制各路跟踪器的工作，包括对各路跟踪器装载参数和使能，同时通过ＨＰＩ（上位机接口）与弹上主控计算机传递数据。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

由于各路跟踪器都是采用纯硬件方式实现的，所以占用的ＤＳＰ处理时间很少，ＤＳＰ只需将主控计算机传递的信号参数装载到跟踪器中，并发出启动命令即可，余下的工作由跟踪器自动完成，无需ＤＳＰ干预，使ＤＳＰ有大量的时间执行其它计算任务。

２．１ ＦＰＧＡ器件选择

本设计采用Ａｌｔｅｒａ公司的ＡＰＥＸ系列ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片。ＡＰＥＸ系列ＦＰＧＡ是Ａｌｔｅｒａ公司的高端产品，是工业界第一块整合了ＳＯＰＣ（ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－ａ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ

－ｃｈｉｐ）集成电路的可编程逻辑器件。其集成度高，最多能提供２５０万个门电路、５万个逻辑单元，并且在不减少逻辑单元的情况下可提供４４万位ＲＡＭ。低功耗设计，采用双电压体系，核心电压１．８Ｖ，Ｉ／Ｏ电压３．３Ｖ，与多种接口标准兼容。

ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片属于工业级芯片，采用２４０针ＰＱＦＰ封装，用户Ｉ／Ｏ管脚数为１６８个，提供８３２０个逻辑单元，芯片面积却仅为３４．５ｍｍ×３４．５ｍｍ。本设计中每路跟踪器占用的逻辑单元为７％，８路跟踪器外加一些辅助电路总共占用的逻辑单元为６０％，芯片资源尚有剩余，为将来系统功能改进留了余地。

２．２ ＦＰＧＡ芯片的配置

ＡＰＥＸ系列ＦＰＧＡ芯片是基于ＳＲＡＭ技术的器件，由于ＳＲＡＭ的易失性，掉电以后芯片中的配置信息将丢失，所以每次系统上电时都要重新加载配置数据。Ａｌｔｅｒａ公司提供了一系列的配置器件用于储存配置数据并且在上电时加载ＦＰＧＡ。本设计选用Ａｌｔｅｒａ公司的ＥＰＣ２，最大的优势在于ＥＰＣ２是ＦＬＡＳＨ器件，可以多次重复编程，改掉了以前的ＰＲＯＭ配置器件只能写入一次的缺点，极大地方便了系统调试和产品升级。当设计完成的产品需要改进时，只需将ＥＰＣ２中的内容重写一遍即可，缩短了产品的研发周期。

在设计中需要注意的是ＥＰＣ２的容量是１．６Ｍｂ，根据ＦＰＧＡ芯片的容量大小需要的配置芯片的数目是不等的。本设计中采用的ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片的容量是１．９Ｍｂ，所以需要两片ＥＰＣ２。图５是用两片ＥＰＣ２配置ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片的连线图，通过ＥＰＣ２芯片的ｎＣＡＳＣ管脚，可以方便地实现多片级联。系统上电后， ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片检测到ｎＣＯＮＦＩＧ管脚电平由低到高的跳变时，启动配置流程。首先ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片驱动ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ管脚为低，将第一片ＥＰＣ２的ｎＣＳ管脚拉低，选通该芯片。经过一段延时以后ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片释放ｎＳＴＡＴＵＳ管脚，上拉电阻将ＥＰＣ２的ＯＥ管脚拉成高电平将其使能。ＥＰＣ２用其内部振荡器将配置数据串行输出到ＦＰＧＡ芯片中。当第一片ＥＰＣ２的全部数据输出完后，它驱动ｎＣＡＳＣ管脚为低，按顺序驱动第二个ＥＰＣ２的ｎＣＳ为低，启动第二个ＥＰＣ２输出数据。前一个ＥＰＣ２启动下一个ＥＰＣ２的过程在一个时钟周期内就可以完成，所以输送给ＦＰＧＡ芯片的数据流是连续的。

２．３ ＦＰＧＡ芯片的在线编程

ＡＰＥＸ系列ＦＰＧＡ芯片在边界扫描模式（ＪＴＡＧ模式）下可以对其进行在线的配置重构，系统无需重新上电就可以修改ＦＰＧＡ芯片的配置，极大地方便了调试。ＪＴＡＧ模式也可以对ＥＰＣ２进行在线编程。在系统设计时，可以把多个器件组成一个ＪＴＡＧ器件链，用一个ＪＴＡＧ兼容头（例如Ａｌｔｅｒａ的ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒＭＶ并口下载电缆）把所有的器件连接起来。ＪＴＡＧ器件链方式特别适合电路板上有多个器件的情况，用一个ＪＴＡＧ头就可以对多个器件进行在线编程。本设计中电路板上有三个ＪＴＡＧ器件，包括两片ＥＰＣ２和一片ＦＰＧＡ，设计的ＪＴＡＧ器件链如图６所示。

图5 EPC2配置FPGA

    在ＪＴＡＧ器件链中，两个ＥＰＣ２是第一和第二个器件，ＦＰＧＡ是第三个器件，ＪＴＡＧ按顺序对器件编程。当对ＦＰＧＡ编程时，通过软件将两个ＥＰＣ２设置成ＢＹＰＡＳＳ模式，编程数据从ＥＰＣ２的ＴＤＩ管脚直接输出到ＴＤＯ管脚直达ＦＰＧＡ芯片，实现了对ＦＰＧＡ芯片的在线编程。采用这种ＪＴＡＧ器件链方式，方便了系统调试，缩短了产品的开发周期。

３ ＦＰＧＡ应用系统设计中应注意的问题

为了提高ＦＰＧＡ应用系统的抗干扰性能，应尽量采用多层印刷电路板，并有完整的ＧＮＤ层和电源层，从而提供几乎无限的电流吸收能力，起到防止噪声和为逻辑信号提供屏蔽的作用。由于ＡＰＥＸ ＥＰ２０ＫＥ系列ＦＰＧＡ采用双电压体系，最好采用两个电源层，一个作为核心电源层，一个作为Ｉ／Ｏ电源层。本设计采用了八层电路板工艺，其中有两个ＧＮＤ层、一个核心电压层、一个Ｉ／Ｏ电压层以及四个信号层，在实际调试中抗干扰性能明显强于以前的双面板系统。如果在实际应用中对价格敏感，也可采用四层板工艺，其中应有一个完整的ＧＮＤ层，一个分割的电源层。

ＦＰＧＡ器件的每一个电源和ＧＮＤ引脚都应当直接连接到电源和ＧＮＤ平面上，每一对电源和ＧＮＤ引脚都应当接上一个电源去耦电容器，而且尽可能靠近ＦＰＧＡ器件。对于ＰＱＦＰ封装的器件，应当把去耦电容器集中在器件正下方电路板焊接面上，这样既达到了靠近器件的目的，又可以减少电路板的面积。

在电源线进入电路板的地方一般都放置一个１００μＦ的大容量电容器，以稳定电源电压，但是这个电容器有时也会成为导致ＦＰＧＡ器件配置失败的隐患。Ａｌｔｅｒａ器件在上电初始化时，首先实行一个ＰＯＲ（上电复位）延迟以等待电源稳定。如果电源电压上升时间较长，超过了ＰＯＲ延迟时间，可能造成器件初始化不正确，导致功能失效。当用ＥＰＣ２配置ＡＰＥＸ ＥＰ２０ＫＥ系列ＦＰＧＡ时，ＰＯＲ延迟最大为２００ｍｓ，所以电源电压上升时间不能超过这个时间。如果出现系统上电时ＦＰＧＡ器件配置失败的情况，应当考虑是否由于大容量电容器致使电源电压上升太慢，这时可以更换一个小容量的电容器。尤其是在单块电路板上调试成功，而多块电路板连在一起调试时出现这种情况更应考虑这个原因。因为多块电路板连在一起时电源滤波电容是并联的，此时容量相加导致更大容量的电容出现在电源入口处，致使电压上升过慢。本系统在调试时就曾遇见这种情况，将电源滤波电容从１００μＦ调整为２２μＦ便解决了问题。

图6 JTAG器件链

   

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