文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2015)06-0024-03
中文引用格式：蔡曉暉,鄭植,李浩.基于PCIe總線的衛(wèi)星導航信號傳輸系統(tǒng)設計[J].電子技術應用,2015,41(06):24-26+30.
0 引言
近年來，隨著軟件無線電技術的快速發(fā)展，GNSS軟件接收機因其高度的靈活性、通用性、開放性等優(yōu)點，成為GNSS接收機的發(fā)展主流[1]。GNSS數據傳輸系統(tǒng)作為軟件接收機的硬件部分，通過射頻接收、A/D轉換、數字采集與傳輸等模塊為GNSS軟件接收機提供原始的觀察數據，原始數據的質量在一定程度上影響著軟件接收機對原始數據的要求。
目前導航中頻信號的傳輸系統(tǒng)大都基于USB、PCI總線[2-3]，采樣速率、數據傳輸速率都越來越無法滿足高性能軟件接收機的需求，PCIe作為第三代的高性能I/O串行總線，在總線帶寬、傳輸速率、靈活性等方面都有了較大的提升，根據實際系統(tǒng)的不同，它可以靈活配置成X1、X4、X8和X16通道，單通道在每個方向上的發(fā)送與接收速率可以達到2.5 Gb/s，可以滿足各種軟件接收機對原始導航數據的需求。
1 系統(tǒng)組成
本文所設計的導航數字中頻信號傳輸系統(tǒng)由A/D模塊、Xilinx、PCIe IP硬核+PCIe-DMA控制模塊、數據緩存模塊組成，系統(tǒng)基本結構如圖1所示。A/D模塊接收射頻前端產生的模擬中頻型號，對其進行240 MS/s的采樣；FPGA完成A/D的控制邏輯及采樣后信號的數字處理，同時FPGA還產生PCIe硬核的DMA控制邏輯，將最終的導航數據通過PCIe接口傳輸到上位機。
2 系統(tǒng)關鍵模塊設計
2.1 A/D模塊設計
模數轉換器（ADC）是采集系統(tǒng)的關鍵器件之一。系統(tǒng)采用AD9467實現數據轉換功能，AD9467是一款量化精度為16 bit、采樣時鐘頻率高達250 MHz的模數轉換器，具有優(yōu)異的性能。該模塊接收射頻前端模塊經下變頻產生的模擬中頻信號，考慮到GNSS各頻段導航信號(包括GPS、GLONSS、GALILEO以及北斗)為大約210 MHz[4]的帶通信號(見表1)以及整數倍頻率抽取兩個因素，將A/D采樣頻率設置為240 MS/s，采樣后的數據經過FPGA數字處理模塊后變成IQ數據，采樣率變?yōu)?0 Mb/s，通過數據緩存，經PCIe接口傳輸到上位機。
2.2 PCIe-DMA控制模塊設計
本系統(tǒng)采用Xilinx公司的Virtex5-XC5VFX70T芯片，該芯片集成了PCIe硬核，實現了X4通道的PCIe接口。系統(tǒng)的DMA控制邏輯原理框圖如圖2所示，其主要包含PCIe配置空間接口設計、發(fā)送模塊、接收模塊以及中斷控制模塊。
2.2.1 PCIE接口的配置空間
PCI Express配置空間與驅動程序設計密切相關，它是PCI Express傳輸卡與上位機的接口管理部分。配置寄存器空間用來與上位機進行交流，上位機驅動程序主要通過這組寄存器對傳輸卡進行控制。而FPGA端則根據上位機在配置寄存器中的具體參數來完成DMA傳輸。表2列出了這組寄存器的具體名稱及偏移地址。
2.2.2 數據發(fā)送模塊
在本設計中，發(fā)送數據模塊(TX_ENGING)接收經A/D采樣、數字處理后的導航信號，根據上位機的DMA讀請求，將導航數據組織成相應的TLP包[5]發(fā)送至上位機。其幀頭格式如圖3所示。
初始狀態(tài)下狀態(tài)機處于TX_RXT復位狀態(tài)，如圖4所示，其有效轉換狀態(tài)可以概括為以下幾點：
(1)發(fā)送CPLD包：TX端帶數據的完成包主要響應上位機對配置空間的讀請求，當板卡RX端收到上位機的DMA讀請求后，會由開始狀態(tài)進入發(fā)送CPLD包的狀態(tài)，根據讀請求包中的地址信息，將配置空間對應寄存器中數據返回給上位機。
(2)發(fā)送存儲器寫數據包（MWR包）：在配置寄存器中存儲著每次DMA寫操作的相關參數，當DMA寫開始后，TX端會根據上述寄存器參數來組織發(fā)送相應的MWR包。
(3)發(fā)送存儲器讀數據包（MRD包）：該數據包用來讀取上位機的回傳數據，當DMA讀開始后，TX端會根據配置寄存器參數組織發(fā)送相應的MRD包。
2.2.3 數據接收模塊
接收端（RX_ENGING）接收上位機經PCIe IP硬核傳輸過來的TLP包，其狀態(tài)機設計如圖5所示，可以大致分為以下幾種狀態(tài)跳轉：
（1）接收完成包（CPLD包）：當TX端發(fā)出對上位機的讀請求后，RX端會收到上位機發(fā)出的CPLD完成包，其中包內的數據即為所要讀取的PC端數據，此時狀態(tài)機進入CPLD狀態(tài)，開始接收PC端的數據。
（2）接收存儲器寫數據包（MWR包）和存儲器讀數據包（MRD包）：PC端能夠讀寫板卡的范圍只能是配置空間的配置寄存器，并且每次讀寫只能是一個雙字。PC端通過讀寫B(tài)AR空間來實現板卡與上位機的“交流”，大致可以概括為以下兩點：
①對于DMA寫操作：PC端通過MWR包來設置相應寄存器的值，主要包含：WriteDMATLPAddress、WriteDMATLPSize、WriteDMATLPCount、DCSR2、INT。通過MRD包來讀取相應寄存器的值，在DMA寫過程中主要讀取DMA寫結束寄存器來判斷DMA寫是否結束。
②對于DMA讀操作：PC端通過MWR包來設置相應寄存器的值，主要包含：ReadDMATLPAddress、ReadDMATLPSize、WriteDMATLPCount、DCSR2、INT。通過MRD包來讀取相應寄存器的值，在DMA讀過程中主要讀取DMA讀結束寄存器來判斷DMA讀是否結束。
其操作配置空間寄存器流程如圖6所示。
2.2.4 中斷控制模塊
中斷是為計算機處理緊急事件或非預測事件而設計的，也是PCIe傳輸系統(tǒng)設計的重要組成部分[6]，優(yōu)良的中斷設計可以有效提高整個系統(tǒng)的性能。在Xilinx平臺中，發(fā)出中斷主要操作核的4個信號，其時序圖如圖7所示，cfg_interrupt_n為中斷信號，在整個中斷周期內拉低兩次，第一次表示發(fā)出中斷，第二次表示清除中斷。
設置配置空間偏移地址0x50為中斷寄存器，其具體格式如表3所示。當DMA讀或者寫完成后，FPGA發(fā)出相應的讀寫完成中斷到上位機，同時將中斷寄存器中的中斷有效位和讀/寫位置1，上位機驅動收到該中斷后，讀取BAR空間中斷寄存器的值，判斷中斷類型，進入相應中斷處理程序，此后FPGA端發(fā)出清除中斷信號，同時將中斷寄存器各位置0，當上位機收到該信號后，跳出中斷控制程序，數據傳輸結束。
3 實驗與測試
數據采集傳輸卡設計完成后，在基于PCIe的總線的上位機上進行測試，A/D端接入射頻前端的模擬中頻信號，經數據處理、緩存后送入PCIe總線并傳入上位機，FPGA程序使用Verilog語言編寫，在ISE開發(fā)環(huán)境進行設計和測試，上位機驅動采用微軟的驅動開發(fā)環(huán)境WDF（Windows Driver Foundation）。系統(tǒng)集成后首先利用ISE ChipScope工具對硬件邏輯設計部分進行驗證，圖8所示為一次導航數據DMA傳輸的時序圖，為了便于觀察時序，設置一次傳輸DMA的包個數為100。時序分析可知，中斷控制信號cfg_interrupt_n在數據發(fā)送端口trn_td發(fā)送完數據包后，連續(xù)兩次有效，最終完成一次DMA的傳輸。
考慮到上位機對FPGA發(fā)出的PCIe的中斷處理需要一定時間，而這個時間在DMA傳輸數據量較小時對系統(tǒng)性能影響較大，因此在速度測試時參考了3個速度，分別是傳輸卡、設備驅動以及應用程序，傳輸卡速度為PCIe傳輸接口上的總線速度，不考慮上位機的中斷響應時間，測試結果如圖9、圖10所示。結果表明，在傳輸數據較小時由于上位機中斷處理所需時間，驅動層與應用層讀寫速度較慢；當傳輸數據逐漸增大后，三者傳輸速度趨于一致，DMA寫速度為800 MB/s，DMA讀速度為630 MB/s。
4 結論
本文設計了一種基于Virtex-5 FPGA的4通道PCIe導航中頻信號傳輸系統(tǒng)，經過測試與驗證，該系統(tǒng)能夠滿足了高精度軟件接收機對導航原始數據的需求，與目前主流的基于USB、PCI總線的導航中頻信號傳輸系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)在信號采集速率、傳輸速度方面都具有明顯的優(yōu)勢。同時該系統(tǒng)的設計方法也可以推廣到雷達、通信、圖像處理等高速數據傳輸領域。
參考文獻
[1] 謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.
[2] 胡濱，王慶，嚴偉.基于USB和FPGA的GPS中頻信號采集平臺設計[J].艦船電子對抗，2009(9)：63-66.
[3] 賈志宏，崔曉偉.室內GPS的數字化采集設計[J].科學技術與工程，2012(9)：7031-7034.
[4] 鄧仕海，姚錚.全頻段多系統(tǒng)全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)數據采集系統(tǒng)的設計與實現[J].科學技術與工程，2014(1)：191-194.
[5] 候杭呈，王憶文，李輝.一種基于PCI Express總線的DMA高速傳輸系統(tǒng)[J].微電子學，2013(6)：383-386.
[6] 唐雷雷，賀占莊.PCI Express總線中消息中斷的研究[J].微電子學與計算機，2013(7)：137-140.