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引言 本設計主要用于石油勘探儀器車與外部設備連接電纜的通信可靠性測試。誤碼率測試儀主要由測試信號發生模塊、收發模塊、誤碼統計模塊以及鍵盤和液晶顯示模塊等部分組成。通過對測量參數的設置，該設備可以對通信線路進行不同速率、不同碼元的誤碼率閉環測量，并通過圖形點陣顯示屏進行實時顯示，以供評估使用。 常見的誤碼率測試儀多數專用于測試各種標準高速信道，不便于測試實際應用中大量的專用信道，并且價格高，搭建測試平臺復雜。隨著大規模集成電路的迅速發展，FPGA在保持其集成度高、體積小、功耗低、性價比高等特點的同時，能夠實現越來越復雜的功能，廣泛應用于通信設備的設計實現。本設計采用 Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EPlCl2，內嵌Nios II軟核CPU，并利用SOPC技術進行了整體設計，在保證具有良好性能的同時，更有利于后期的優化和升級。接口采用ECL(電流開關型邏輯電路)電平，可以直接鏈接測試電纜，方便現場測試。 1 SOPC和Nios II概述 SOPC(System On Programmable Chip，可編程片上系統)是基于大規模FPGA的單片系統，是美國Altera公司于2000年提出的(同時推出了相應的開發軟件 QuartusII)。SOPC的設計技術是現代計算機輔助設計技術、EDA技術和大規模集成電路技術高度發展的產物。SOPCBuilder是 Altera公司為硬件設計人員開發的一套系統級硬件設計工具，通過它可以方便地創建Nios II CPU系統級設計項目，從而為設計人員提供SOPC設計必需的軟硬件設計平臺。 Nios II嵌入式處理器是FPGA生產廠商Altera公司推出的軟核CPU，是一種面向用戶的、可以靈活定制的通用精簡指令集架構(RISC)32位高性能嵌入式CPU。NiosII以軟核的方式提供給用戶，并專門為在Altera的FPGA上實現做了優化，用于SOPC集成，最后在FPGA上實現。Nios II IDE是SOPC系統的軟件開發環境，在Nios II IDE中可以進行軟件的編寫、下載和調試等工作。 2 誤碼率測試儀功能概述 誤碼率測試儀分別設有2個通信測試端口——輸出端口和輸入端口，分別連接到待測試電纜的兩端，構成數據傳輸回路。FPGA內部有一個Nios II軟核CPU，負責初始化和管理該系統；用VHDL語言編寫了收發芯片AM7968和AM7969的控制器接口模塊，完成測試碼發送、接收、誤碼率統計的任務；系統還設有4×4的矩陣掃描鍵盤和128×64分辨率的0LED圖像點陣顯示屏作為人機接口，如圖1所示。 
用戶通過矩陣鍵盤輸入并設置測試代碼、通信速率以及測量模式(定時測量、定量測量)。確認開始測量后，Nios配置AM7968和AM7969，并通過 AM7968發送測試代碼，經待測試電纜及AM7969接收到數據后，將接收的代碼與原始數據比較。如果發現不等，即認為是誤碼，統計誤碼個數的計數器加 1。當測量停止時，0LED顯示屏輸出誤碼率數值及其他測量信息。 3 硬件設計 3. 1 收發模塊設計 誤碼率測試儀的收發芯片采用的是美國AMD公司的AM7968和AM7969。 AM7968發送端芯片和AM7969接收端芯片提供通過同軸電纜或者光線傳輸的一般通用接口，通信速率在40～175 Mbps的范圍內可以調節。AM7968／AM7969為并行TTL總線接口，一共有12位的數據和控制總線，可以靈活配置成8～10位數據總線，對應 4～2位控制總線的接口形式。 (1)發送端設計 如圖2所示，芯片AM7968是信號的發送端。根據功能設置，測試代碼的發送模式有固定代碼模式、循環碼模式和自定義代碼模式3種。故設置控制寄存器 (mode_reg)位寬為2：OO為初始狀態，系統位于初始化狀態；01為固定代碼模式，發送系統預設的代碼；lO為循環代碼模式，測試代碼從 00h～FFh連續循環發送；11為自定義代碼模式，發送用戶自定義的代碼。
發送頻率的設置，是通過AM7968的輸入時鐘(50MHz)直接分頻實現的。在AM7968的控制器中，設有時鐘分頻寄存器 (clk_div_reg)。該寄存器位寬為8。也就是說，用戶可以在40～175 Mbps范圍之內，設定256種不同頻率，進行誤碼率的測試工作，盡可能地滿足用戶的測試頻率要求。
設備上電后進入模式選擇，用戶根據需要設定模式，確認后，mode_reg設置完畢。隨后進入速率選擇，設置時鐘分頻器的數值，用以設置代碼發送速率。 Control_reg提供了AM7968其他端口的設置。參數設置完畢后，設置好的代碼就配合設定好的時鐘頻率，通過通信端口發送出去了。 需要特別說明的是循環代碼的發送過程。因為，在其他模式下，數據自發送開始就一直在數據總線上有效，只要控制好數據的發送脈沖信號即可；而循環代碼模式下，數據需要實時更新，且不能有遺漏和跳躍，因此特別設計了循環碼發生模塊。它以AM7968芯片的ACK信號作為循環代碼遞增的觸發信號。這是因為 ACK信號是AM7968在數據發送完畢后立即發送的反饋信號。所以利用這個信號，就很好地保證了循環代碼的可靠性。 (2)接收端設計 如圖3所示，芯片AM7969是信號的接收端。在用戶設定了代碼模式后，AM7969的控制寄存器被配置為相應模式。之后設置誤碼計算模式，并將誤碼計數器復位，且設置好對應的對照代碼。
AM7969芯片中的鎖相環時鐘生成器(PLL clockgenerator)，可以從接收到的數據流中分離出時鐘信號和數據信號。 由于線路傳輸存在延時問題，會使AM7969分離的時鐘相對于發送端AM7968的時鐘滯后。對比較器兩端的輸入來說，出現了不同步的情況。如果 AM7969也利用本地系統時鐘，那么其接收到的數據就會紊亂。這種方法不可取。 本系統采取發送同步序列的方式來進行同步。在測量開始后，發送端發送同步序列。在10 ms內(此時間閾值可進行設置)，如果接收端沒有收到同步序列，則判定線路故障，無法正常測量；如果在時間閾值內收到同步序列，則立刻進入測試狀態。例如，當發送代碼A0后，接收端如果在時限內(時間閾值)收到信號，則進行比較，之后發送1個反饋信號Dstrb和1個數據A1，依此類推；如果接收端沒有收到信號，則系統將認為是誤碼丟失，記為誤碼，同時自行發送1個偽Dstrb，繼續測量。 3．2 顯示模塊設計 顯示部分采用了Visionox公司的VGGl2864E—S002、128×64點陣的單色圖形顯示模塊。該模塊有以下特點：亮度高，對比度高，視角寬，響應速度快，溫度范圍寬，功耗低；8位并行數據接口，讀、寫操作時序；模塊內藏64×64顯示數據RAM(RAM中每位數據對應OLED屏上一個點的亮、暗狀態)；接口電路簡單，使用方便。 本設計通過VHDL語言編寫接口時序IP核控制器oled．VHD，使其作為Slave device連接到Avalon總線上，實現了數據顯示功能。 3．3 誤碼率測試儀的SOPC設計 圖4為在SOPC Builder工作窗口中的該誤碼率測試儀的SOPC系統。
其中，cpu_0為主Nios II處理器，cfi_flash_bridge_O為Avalon三態橋用來連接Flash IP核控制器cfi_flash_O，sdram是SDRAM IP核控制器，timer_O是Nios II內部定時器，oled_O是OLED IP核控制器，pio_0是按鍵外部引腳，am7968_2_O和am7969_2_0分別是用VHDL語言編寫的收發芯片AM7968和AM7969的 1P核控制器。 3．4 用SignalTap嵌入式邏輯分析儀驗證設計 SignalTap允許設計者在FPGA運行期間同時監視內部信號。通過下載電纜或傳統的分析設備連接到用戶PC機上，便可以在用戶的PC機上觀察到這些信號的波形。使用SignalTap類似于使用邏輯分析儀，用戶能夠設置初始化、觸發(內部或外部)和顯示條件并觀察內部信號，以此研究運行狀態。用戶的分析參數可以被編譯為嵌入式邏輯分析儀(ELA)，它和設計的其他數據一起配置FPGA。 圖5是將誤碼率測試儀硬件邏輯下載到FPGA中，用SignalTap看到的系統實際運行時的波形截圖。它顯示的是當測試代碼設定為循環代碼模式時，測試代碼從0OH到FFH之間循環發送的波形情況。信號am_clk是系統時鐘；to_7969clk是信號接收端AM7969的輸入時鐘；am_ack是信號發送端AM7968的發送反饋信號，每返回一個am_ack表示有一個數據已經發送出去；to_7969_clk是指AM7969從接收到的信號中分離出來的時鐘信號，從SignalTap可以看出有一定的延時；am_data信號是發送端AM7968發出的數據；to_7969_data是信號接收端 AM7969收到的數據，可以看出，線路上有一定的延時；am_strb和tO_7969_dstrb分別是AM7968和AM7969的數據發送和接收的同步脈沖信號，本測試儀就是利用這個信號來統計測試碼發送個數和測試碼接收個數的。
4 軟件設計 在軟件設計方面，本著簡單易用的原則進行，在盡可能滿足實際使用需求的同時，提供友好的人機交互接口。下面分別介紹一下軟件的開發環境(Nios II IDE)和軟件開發設計。 Nios II集成開發環境(IDE)是Nios II系列嵌入式處理器的基本軟件開發工具。所有軟件開發任務都可以在Nios IIIDE下完成，包括編輯、編譯和調試程序。Nios II IDE提供了一個統一的開發平臺，用于所有Nios II處理器系統。僅僅通過1臺PC機、1片A1tera公司的FPGA以及1根JTAG下載電纜，軟件開發人員就能夠往Nios II處理器系統寫入程序，并與Nios II處理器系統進行通信。Nios II IDE為軟件開發提供4個主要功能：工程管理器、編輯器和編譯器、調試器、閃存編程器。 為了便于大批量地測量線路的誤碼率，方便用戶使用，設計了“自動測量”模式。該模式的各種參數是用戶預先設置好的，其中包括測試模式、測試速率、測試代碼以及時間閾值或者數量閾值。這樣，用戶在檢測大批量的通信電纜時，就不需要重復進行繁瑣的參數設置了。表1是需要用戶設置的參數，圖6為主程序流程。
5 結論 本文結合石油勘探儀器車與外部設備連接電纜測試的實際，提出了一種采用SOPC技術的誤碼率測試儀整體設計實現方案。能夠較好地滿足測量要求，接口友好，并且在誤碼率上給予用戶比較客觀的評價。設備具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、性能高、易于軟硬件升級等優點。比起其他專業誤碼率測試設備，在經濟性、實用性方面表現得尤為突出。 參考文獻 1. 潘松.黃繼業 EDA 技術與VHDL 2005 2. 李蘭英 Nios II嵌入式軟核SOPC設計原理及應用 2006 3. 潘松.黃繼業.曾毓 SOPC 技術實用教程 2005 4. 吳繼華.王誠 Altera FPGA/CPLD設計(高級篇) 2005 作者：中國海洋大學 王建國 李紹光 來源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (2) |
