PXI频谱分析仪接口控制系统设计与实现

论文摘要

在电子测量领域,基于PCI总线协议的PXI仪器模块具备小型化、标准化和传输带宽高的显著特点。如今,成熟的PXI总线在民用和军用的高性能电子测量仪器设计中已经被大量地应用。选择PXI总线平台进行测量仪器的开发,接口设计是其中的重点和难点。本文首先对PXI频谱分析仪的设计原理做了介绍,然后详细阐述了其接口控制系统的三部分设计内容:硬件设计、控制器设计和驱动程序的开发。硬件设计的内容主要包括各接口电路的设计和最终的PCB绘制与仿真。控制器是整个系统的核心,设计中使用了单片FPGA的方案,调用了XILINX公司的PCI IP core,该PCI core将复杂的PCI/PXI总线协议桥接为较为简单的本地总线逻辑,接口控制器的设计就在PCI core本地逻辑和本地端硬件接口逻辑的基础上进行。最后设计了基于WDM的驱动程序,驱动程序中根据本地控制器所定义的控制机制对各控制单元进行有序调度,从而实现接口功能。最终,设计出的接口控制系统充分利用了PXI总线的高传输带宽,同时以较高的集成度实现了对PXI总线的分时复用:上层主机读取频谱数据、对主FPGA的在线动态重配置和下发SPI串行控制命令,比起传统的专用接口芯片PLX9056加FPGA的双芯片方案具有更高的集成度和灵活性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 项目需求
• 1.2 发展动态
• 1.2.1 频谱分析仪的发展
• 1.2.2 模块化仪器总线的发展
• 1.2.3 可编程逻辑器件的发展
• 1.2.4 PXI 接口设计的发展
• 1.3 本文研究意义及主要内容
• 第二章 PXI 频谱分析仪接口设计原理
• 2.1 频谱分析仪的基本原理
• 2.1.1 扫频外差式分析仪
• 2.1.2 FFT 式分析仪
• 2.1.3 实时频谱分析仪
• 2.2 PXI 模块设计规范
• 2.2.1 PXI 硬件规范
• 2.2.2 PXI 电气规范
• 2.2.3 PXI 软件规范
• 2.3 PXI 频谱分析仪设计方案
• 2.4 接口控制系统设计方案
• 2.4.1 传统接口设计方案
• 2.4.2 集成化接口设计方案
• 2.5 本章小结
• 第三章 接口控制系统硬件设计
• 3.1 接口芯片的选择
• 3.2 电源转换模块的设计
• 3.3 PXI 接口电路设计
• 3.3.1 PXI 连接器的选用
• 3.3.2 热插拔设计
• 3.3.3 PXI 接口的连接
• 3.4 本地端硬件接口
• 3.4.1 DSP 的HPI 接口
• 3.4.2 主FPGA 的配置接口
• 3.4.3 SPI 接口
• 3.5 PCB 设计及仿真
• 3.5.1 基于Cadence 的高速PCB 设计
• 3.5.2 基于Candence 的PCB 仿真
• 3.6 本章小结
• 第四章 接口控制器的设计
• 4.1 PCI IP core 介绍
• 4.1.1 PCI core 的生成
• 4.1.2 PCI core 的特性
• 4.1.3 设备配置信息
• 4.2 PCI core 控制器的设计
• 4.2.1 从模式读写操作
• 4.2.2 主模式读写控制器
• 4.3 本地端接口控制器的设计
• 4.3.1 HPI 接口控制器
• 4.3.2 重配置控制器
• 4.3.3 SPI 桥接状态机
• 4.4 缓存单元的设计
• 4.4.1 FIFO 的设计
• 4.4.2 RAM 的设计
• 4.5 接口控制机制的设计
• 4.5.1 本地地址空间的寄存器定义
• 4.5.2 命令触发机制
• 4.5.3 中断和状态反馈机制
• 4.6 控制器的数据读写测试
• 4.6.1 控制器RTL 结构
• 4.6.2 数据流测试
• 4.7 本章小结
• 第五章 PXI 驱动程序设计
• 5.1 基于WDM 的驱动开发介绍
• 5.1.1 WDM 驱动模型介绍
• 5.1.2 WDM 驱动开发工具
• 5.2 驱动程序的设计
• 5.2.1 实现接口功能的操作流程
• 5.2.1.1 与DSP 通信流程
• 5.2.1.2 动态重配实现流程
• 5.2.1.3 SPI 数据发送流程
• 5.2.2 驱动程序中的例程设计
• 5.3 驱动程序的调试
• 5.4 应用层软件与驱动程序的通信
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的成果