采用PCI9052及GP2010實(shí)現GPS信號采集

摘要：PCI9052是PLX公司推出的一種PCI總線(xiàn)從屬接口芯片（不具有DMA功能）。它提供了方便的本地總線(xiàn)與PCI總線(xiàn)的接口，避免用戶(hù)直接面對復雜的PCI總線(xiàn)協(xié)議。GP2010是通用電器公司Plessey半導體機構為全球定位系統（GPS）接收機設計的第二代射頻高頻端器件。它將GPS射頻信號下變頻到4.309MHz的中頻（IF）后進(jìn)行5.714MHz的2bit（A/D）量化。文中主要介紹如何利用PCI9052和GP2010實(shí)現GPS信號的量化存儲。

引言

全球定位系統GPS（Global Position System），可以給用戶(hù)提供實(shí)時(shí)的定位、速度和時(shí)間信息�，F在的GPS接收機大多采用硬件電路進(jìn)行碼相關(guān)運算，結構復雜，更新升級比較困難；而基于軟件無(wú)線(xiàn)電的GPS接收機受電路限制較少，更新?lián)Q代只需調整相應軟件，十分靈活。該數據采集卡就是基于以上考慮設計的。

1 PCI9052的特點(diǎn)與功能

PCI9052（以下簡(jiǎn)稱(chēng)9052）提供高性能的從目標PCI接口板卡與PCI總線(xiàn)的連接，支持寬范圍速率的本地總線(xiàn)，最高可達132 MB/s的傳輸速率。對9052編程可實(shí)現復用/非復用的8位、16位、32位的本地總線(xiàn)接口。9052還有內部FIFO可以加速本地總線(xiàn)的操作，此外它還有以下功能：

①支持PCI r2.1版本，可以方便地將ISA卡轉換為PCI卡；

②支持從目標傳輸模式，可以對存儲器空間進(jìn)行突發(fā)讀/寫(xiě)，對I/O空間單次訪(fǎng)問(wèn)；

③2個(gè)本地中斷總線(xiàn)配置；

④可編程的本地總線(xiàn)配置；

⑤串行E2PROM配置；

⑥4個(gè)本地片選引腳，5個(gè)本地空間；

⑦多種本地讀/寫(xiě)操作模式，方便地實(shí)現PCI與本地的接口。

圖1給出了9052內部結構。

2 GP2010射頻前端器件

GP2010（以下簡(jiǎn)稱(chēng)2010）是為GPS接收機設計的射頻前端器件，它接收GPS（L1）調制信號。L1是50位/Hz的信息碼速率經(jīng)過(guò)1.023MHz的偽隨機碼擴頻后以BPSK方式調制在1575.42MHz的載波上形成的擴頻信號。信號電平在進(jìn)入天線(xiàn)之前大約只有-130dB，帶寬為2.046MHz，所以L(fǎng)1基本上被噪聲所掩蓋。2010經(jīng)過(guò)內部鎖相環(huán)頻率綜合器產(chǎn)生1.4GHz、140MHz、與31.11MHz的三級時(shí)鐘分別與射頻輸入的L1信號進(jìn)行混頻，其中還經(jīng)過(guò)3級濾波抑制帶外干擾，最后將其變換到4.309MHz的中頻，然后進(jìn)行5.714MHz的采樣實(shí)現A/D變換（2位量化，符號位SIGN和數據位MAG）。根據奈奎斯特定律對帶通信號要以高于兩倍的信號帶寬進(jìn)行采樣才可無(wú)失真的恢復，用5.714MHz的速率采樣也要考慮到信號傳播過(guò)程中由于相對運動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒效應使信號帶寬變寬的緣故。量化數據在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿輸出。圖2給出2010的內部結構圖。

圖2 GP2010內部結構圖

3 數據采集卡系統結構

GPS信號數據采集卡實(shí)現基本的一路GPS衛星信號的采集工作。由于2010為2位、5.714MHz的采樣速率，我們在FPGA中首先將2位數據進(jìn)行串并變換，使其每滿(mǎn)32位后進(jìn)行一次傳輸存儲，這樣存儲速率就變?yōu)?57.12kHz。緩存選用4片18k×16位的FIFO,這樣就可以省略地址產(chǎn)生邏輯。在程序設計中，采樣數據首先存入FIFO（A），待滿(mǎn)后會(huì )產(chǎn)生相應的中斷，中斷服務(wù)程序將讀取其中的數據。在讀過(guò)程中，采樣數據會(huì )繼續寫(xiě)入FIFO（B），如此反復可將數據采入計算機內存。選用緩存時(shí)，建議在可行的情況下，容量越大越好。因為PCI總線(xiàn)上，除了設計的采集卡在不斷地申請占用總線(xiàn)外，還會(huì )有其余的設備占用，如果緩存不夠大將會(huì )丟失采樣數據。FPGA的主要功能是實(shí)現數據串行變換、控制采樣過(guò)程和與FIFO的接口邏輯。圖3是該數據采集卡的系統框圖。

4 9052使用中應該注意的問(wèn)題

9052內部的配置寄存器是通過(guò)外部串行E2PROM上電加載的。9052會(huì )自動(dòng)根據該E2PROM的狀態(tài)來(lái)決定其內部寄存器的值。如果E2PROM不存在（此時(shí)E2PROM和9052連接的數據引腳應加上拉電阻）或其內部無(wú)有效值，9052會(huì )將其內部寄存器配置為缺省值。值得一提的是，如果E2PROM內部沒(méi)有燒寫(xiě)為有效值時(shí)，應保證其開(kāi)始48位為全“1”；否則，系統上電時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生錯誤。

9052有5個(gè)本地空間，用戶(hù)可根據實(shí)際需要進(jìn)行相應的配置。當將本地空間配置成I/O時(shí)，對該空間的讀/寫(xiě)操作只能單次進(jìn)行。利用PLXMon來(lái)開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序（調用其提供的API函數）進(jìn)行I/O讀/寫(xiě)，速度會(huì )十分慢（一般不會(huì )超過(guò)500kHz）；而如配置成存儲器空間，用戶(hù)會(huì )有多種接入模式，可大大提高接入速度。突發(fā)模式是為提高本地總線(xiàn)操作速度而設計的。在該模式期間，9052只提供一次傳輸開(kāi)始和終止信號。開(kāi)始信號有效后，地址將以本地時(shí)鐘的頻率（最高可達40MHz）遞增，可以利用Bterm#引腳是否有效來(lái)終止突發(fā)操作。由于FIFO只需要一個(gè)口地址，在設計中為了利用其快速的存儲器訪(fǎng)問(wèn)（突發(fā)訪(fǎng)問(wèn)）特性，我們還是為其分配了36KB的地址空間，以保證在該范圍內FIFO的片選始終有效。圖4是一次突發(fā)讀時(shí)序。其中LCLK是本地時(shí)鐘，ADS有效表示一次傳輸的開(kāi)始，BLAST有效表示本次傳輸的終止。

在此須澄清一個(gè)概念：Pentium系列計算機（指CPU），不支持突發(fā)讀操作，只可能產(chǎn)生單次讀操作。用戶(hù)若想在PCI總線(xiàn)上實(shí)現突發(fā)操作（FRAME信號有效，多余一個(gè)PCI時(shí)鐘周期），應使用支持DMA傳輸的芯片，如PLX9054。但9052會(huì )將PCI總線(xiàn)上的多次單次讀操作轉化為本地空間上的突發(fā)操作。

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