基于FPGA的基带64×64数据分配矩阵设计方案 - 全文

　　本文采用FPGA作为实现控制逻辑的核心部件，提出了基于FPGA的基带64×64 数据分配矩阵设计方案，并介绍了上位机的软件设计思路和FPGA的内部编程实现及仿真。经验证该方案具有规模大、成本低、高速等特点，可广泛应用于大规模基带数字系统测试及信号程控分配调度中。

　　0 引言

　　数据分配矩阵即矩阵开关，顾名思义，指结构为行列交叉排布的开关产品，其特点为每个节点连接一个行 /列，每个节点可以单独操作，通过设置节点的不同组合可以实现信号的路由。矩阵开关的主要优势在于其简化的部线，整个测试系统可轻松地动态改变其内部连接路径而无须外部手动干预。矩阵开关的使用非常灵活方便，是目前程控开关产品中品种最多的产品，在汽车电子、半导体测试、航空航天等领域得到了广泛的应用。

　　FPGA具有运行速度快，内部逻辑资源丰富，外围I/O口数量多等优点，因此本设计选用FPGA作为核心器件。

　　1 系统结构及功能

　　本设计是为了实现64位输入信号到64位输出的任意无交叉的切换，即输入与输出是一一对应的。由于本设计是针对基带数字信号，而设计中选用的晶振频率为25 MHz，因此根本不用考虑FPGA处理异步时钟域数据传输的问题，只需直接将对应的输入信号经电平转换后，经译码后直接输出到相应的某路输出接口即可。

　　上位机ARM 通过串口向FPGA 发送接口的连接信息，FPGA根据接收到的数据进行译码，将对应的输入与对应的输出连接起来，实现规定链路的连接。考虑到所含资源以及管脚数量，本设计方案选用Altera公司Cyclone Ⅲ系列EP3C25F256型FPGA.选用了4块32路的电平转换芯片实现5 V 信号向FPGA 能够识别的TTL 信号的转换。

　　其结构框图如图1所示。

　　

　　2 上位机设计

　　上位机的界面如图2 所示。在相应的输入通道文本框里输入0~64，点击“确定”按钮后，首先对文本框里所有的数据进行比较判断，如出现重复则进行报错，提示重新输入。无误后，通过串口按输出接口顺序依次向FPGA发送64条接口的连接指令。每一条指令包含3 B，第一个字节为信息头“AA”，若FPGA接收到的某条指令的头字节不是“AA”，则无返回信息，上位机将重新发送这条指令直到正确为止。第二个字节为输入端口字节，即对应文本框中的数字，如没有输入数字则默认发送0，所以如需端口某条链路断开只要在相应的文本框中输入0，点击确定即可。第三个字节为输出端口对应的数据，按1到64顺序发送。图2中的“远控”按钮为预留的用作计算机远控使用。

　　

　　3 下位机设计

　　3.1 串口通信协议

　　串行通信是一种可以将接收到的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接收的串行数据流转换为并行的数据字符发送出去的通信协议。

　　其数据帧主要包括1位起始位，8位数据位，1位奇偶校验位，1/2位停止位。

　　3.2 FPGA内部编程

　　FPGA模块的主要功能是实现串口收发和译码，相应地在用Verilog HDL实现时也分为串口收发和译码2个电路模块，经综合后其RTL级视图如图3所示。开发工具采用Altera公司推出的集成EDA 开发工具Quartus Ⅱ，可以完成Altera公司所有的FPGA /CPLD产品开发的设计输入、综合、实现等环节。

　　

　　3.2.1 串口收发模块设计

　　串口收发模块就是图3中的uart_top模块，主要负责串行数据的接收与发送，并将接收到的数据送入下一级。

　　该模块的功能已通过串口调试工具调试成功。该模块由4个子模块构成，分别为控制接收波特率的speed_rx模块、控制发送波特率的speed_tx 模块、数据接收模块my_uart_rx、数据发送模块my_uart_tx.

　　接收、发送波特率的控制可以引用同一模块的发送来实现。其模块化框图如图4所示，当检测到输入信号 bps_start出现一个上升沿后，则该模块通过计数来实现分频，例如时钟频率为25 MHz，波特率为9 600，则计数周期的25 000 000/9 600≈2 604，该模块部分代码如下：

　　

　　数据接收模块的模块化框图如图5所示，它是通过移位运算来接收串行数据，如检测到rs232_rx 由高电平变为低电平则开始移位接收数据，每次接收3 B 的数据，将第二、第三个字节输入下一级，若检测到第一个字节为10101010（即16进制的AA），标志信号flag就将维持一个周期的高电平输出，否则flag一直维持高电平，那么后级将无法锁存第二、第三字节。部分代码如下：

　　

　　数据发送模块是用来返回接收数据让上位机进行纠错的，其模块化框图如图6所示。如检测到flag变为高电平时，锁存输入的两个字节返回给上位机，部分代码如下：

　　

　　3.2.2 译码模块设计

　　译码模块的模块化框图如图7所示，其功能是对上位机发送的输入输出端口编号进行译码，使相应的输入端口和输出端口连通，如检测到flag 有效的情况下，rx_data_in为2，rx_data_out为3，则该模块会将din［2］通道的输入信号经dout［3］输出通道输出。部分代码如下［10］：

　　

　　3.2.3 译码模块仿真

　　由于64×64的仿真很繁琐且不易操作，所以对4×4的译码模块进行仿真，仿真结果如图8所示，输出1与输入3相连，输出2与输入4相连，输出3悬空，输出4与输入2相连。

　　

　　4 结语

　　本文采用FPGA作为实现控制逻辑的核心部件，提出了基于FPGA的基带64×64 数据分配矩阵设计方案，并介绍了上位机的软件设计思路和FPGA的内部编程实现及仿真。经验证本系统基本能实现基带数字信号的分配路由，从而证实了该方案具有规模大、成本低、高速等特点，可广泛应用于大规模基带数字系统测试及信号程控分配调度中。