基于fpga的高速数据接口的实现

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1、基于FPGA的高速数据接口的实现

2、第1...1概述近些年来，各种电路功能，包括模拟电路和数字电路，越来越多地用单片集成电路来实现。采用单片集成电路不仅可以有效地提高电路可靠性和其它性能，而且也大大地降低了使用难度。许多单片集成电路的信息输人和工作控制是通过数字信号实现的。常用的控制器件为微控制器和可编程逻辑器件。由于微控制器一次只能执行一条指令，因此它的主要局限性是工作速度。采用硬件方案设计的数字系统总是比软件方案的数字系统的工作速度快。对数据的传输速率有较高要求的情况下，采用可编程逻辑器件是一种较好的

3、选择。可编程逻辑器件中的FPGA器件不仅提供通用逻辑单元，而且还提供了可以形成各种存储器的嵌人式阵列块。2nRF2401A无线收发芯片介绍无线收发芯片nRF2401是挪威NORDIC:SRMICONDUC-TOR公司的产品，它把射频收发电路集成在一块芯片上。控制器件与nRF2401芯片之间的数字传输通过串行同步接口实现。nRF2401芯片作为一种单片无线收发芯片，它的射频范围为2.4GHz一2.SCHz，这个频率范围被称作为工业一科学一医疗(Industrial-Scient}c-Medical,ISM

4、)频带，可以自由使用。在正常工作模式下，发送端的nRF2401无线收发芯片可以从控制器件接收数据，然后发射频移键控(FSK)信号;在接收端nRF2401无线收发芯片接收频移键控信号，然后把解调产生的数据送到控制器件。正常工作模式具有2种工作方式:Shock-Burst"'方式和直接方式。ShockBurst方式应用片内FIFO存储器，从而使得控制器件与，}RF'2401芯片之间的数字传输可以采用较低的数据率.nRF2401芯片之间的数字无线电通信采用较高的数据率。这个优点降低了射频功率器件的工作时间，因

5、此降低了电源的功耗，这在使用电池供电的场合非常重要。除此之外，ShockBuist方式对射频传输数据帧的处理也比较简单。射频传输数据帧包括4个部分，它的结构如表1所示。这个结构对于2种工作方式，ShockBurst方式和直接方式，都是一样的。PRE-AMBLE被称为为前置代码，这个部分的宽度为8位。当工作在ShockBurst方式，发射芯片在发送数据时自动把这个部分添加到射频传输数据帧中;接收芯片从接收到的射频传输数据帧中自动取掉这个部分。ADDRESS为用于接收的，nRF2401无线收发芯片的地址，这

6、个部分的最大宽度为40位。当工作在ShockBurst方式，发射芯片在发送数据时，控制器件向nRF2401无线收发芯片传送的数据中必须包含这个部分;接收芯片从接收到的射频传输数据中将自动取掉这个部分。PAYLOAD为实际需要传输的信息。当工作在ShockBurst方式，这个部分包含的数据位数可以由下面公式计算。PAYLOAD=256-ADDRESS-CRCCRC为循环冗余检查，这个部分的宽度可以为8位或者16位。循环冗余检查功能只能在ShockBurst工作方式下使用，在直接工作方式下不能使用这个功能。

7、发射芯片在发送数据时自动把这个部分加到射频传输数据帧中，它的宽度由芯片的配置字来决定;接收芯片从接收到的射频传输数据帧中自动取掉这个部分。射频传输数据帧中包含较长的地址位和循环冗余检查位虽然减少了实际需要传输的信息使用的数据宽度，但是可以降低误码的发生概率。3数字压缩的实现在采用16位接收地址和16位CRC编码，可用于传输遥测数据的位数可由上式计算出，其数值为224位。为保证待传输的测量信息具有足够的动态范围，遥测系统的所有模拟/数字转换都采用12位的模拟/数字转换器。使用无线收发芯片nRF2401传输

8、IZ位的PCM编码，一次只能传输18路测量信号。对于监测的模拟信号，小振幅信号比大振幅信号出现的可能性大，因此采用非线性编码可以用较少的数据位数获得需要的精度，即小振幅信号使用较多的编码，大振幅信号使用较少的编码。这样的非线性编码系统也被称作为压缩扩展系统，数据在传输之前先被压缩，然后在接收端再被扩展。μ律压缩扩展是一种常用的算法，它的压缩特性为:式中，Vmax:最大未压缩模拟输人信号幅度;Vin:当前模拟输人信号幅度;12为12位线性编码，data_pcm8为8位压缩编码。图1给出使用ALTEftA公

9、司的EP1C3T10O17芯片的仿真波形图，完成一次压缩编码只需要不到15ns的时间。