（电路与系统专业论文）不停车收费系统中dsrc综合测试仪的实现.pdf

t h er e a l i z a t i o no fds r c c o m p r e h e n s i v et e s t i n g i n s t r u m e n ti nt h ee t c at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h em s 。d e g r e ei nc i r c u i t s y s t e m b y j i al n o p o s t g r a d u a t ep r o g r a m c o l l e g eo fp h y s i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：y i n g q i n g x i a a c a d e m i ct i t l e ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r s i g n a t u r e 翌垦 a p p r o v e d m a y 2 0 11 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：岁芦 日期：知- ，年了月z ，日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和 借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：罗售 日期：7 纠，年s 月z 弓日 导师签名： 日期：y f f 年夕月3 ，日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人 的学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的规定享受相关权益。回童诠塞握交卮溢卮! 旦圭生；旦= 生；旦三生筮壶! 作者签名：罗篷 日期：? ，f 年岁月；3 日 抑签名：么m 日期：伊f 年歹月j 穸日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 在e t c ( e l e c t r o n i et o l lc o l l e c t i o n ) 行业中，随着d s r c ( d e d i c a t e ds h o r tr a n g e c o m m u n i c a t i o n s ) 设备的产线规模迅猛扩张，提升产品品质具有重要而深远的意 义。我国尚处于智能交通领域的初级发展阶段，还没有一款专用于e t c 行业的高 效率d s r c 设备测试仪器。本文基于这一应用背景，研究和开发了专用于电子不 停车收费系统中d s r c 设备综合性能测试仪。 论文的主要内容为本人在项目中所承担的工作，分为以下几点： 分析了系统的功能需求，提出总体设计方案； 根据需求分析，完成硬件详细设计，包括射频模块、信号处理模块、信号 采集模块和p c i 0 4 模块； 简要的介绍了软件框架，并详细阐述固件程序的设计方法； 通过软硬件联调，分析系统所实现功能。 本系统主要实现三大功能：应用于e t c 系统中的d s r c 设备模拟、链路通信 测试和d s r c 设备间交易协议分析。在不停车收费系统中，具备广泛的应用性， 对提升d s r c 产品的品质和产品升级改进起着重要的作用。 制 关键词：e t c ；d s r c ；u s b 2 0 ；信号采集；协议分析；p c i 0 4 ；闭环增益控 a b s t r a c t i nt h ee t c ( e 1 e c t r o r l i ct o l lc o l l e c t i o n ) i n d u s t r y , a st h ed s r c ( d e d i c a t e ds h o r t r a n g ec o m m u n i c a t i o n s ) e q u i p m e n tp r o d u c t i o ne x p a n d e ds h a r p l y , i th a si m p o r t a n ta n d p r o f o u n dm e a n i n gt oi m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y o u rc o u n t r yi ss t i l l i nt h ep r i m a r ys t a g e o ft h ed e v e l o p m e n ti nt h ei n t e l l i g e n c et r a n s p o r t a t i o nr e a l m ，b u tt h e r e i ss t i l ln o ta h i g h e f f i c i e n c vt e s te q u i p m e n tt h a td e d i c a t e dt o t h ed s r ce q u i p m e n t b a s e do nt h i s a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to i lt h ed s r c c o m r i r e h e n s i v ep e r f o r m a n c et e s t i n g i n s t r u m e n t st h a td e d i c a t e dt o t h ee l e c t r o n i c 1 1 0 一w a i t i n gt o l lc o l l e c t i o ns y s t e m t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： a n a l y z et h e f u n c t i o n sa n ds y s t e mr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，a n dt h e n p r o p o s et h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m e ； t h i s p a p e rf i r s t l yg i v e sad e e p l yr e s e a r c ho n t h eh a r d w a r ed e s i g na c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，w h i c hi n c l u d e s ：t h er fm o d u l e ，t h es i g n a l p r o c e s s i n gm o d u l e ，t h ed a t at r a n s m i s s i o nm o d u l ea n d t h ep c10 4m o d u l e ； i i l t r o d u c et h es o f t w a r ef r a m e w o r kb r i e f l ya n dt h e ne x p l a i nt h ef i r m w a r ed e s i g n m e t h o do ft h eu s bi n t e r f a c ec h i pi nd e t a i l ； a n a l y z et h er e a l i z a t i o n o ft h es y s t e mf u n c t i o n st h r o u g ht h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ea l i g n m e n t t h i sd e s i g nm a i n l yr e a l i z et h r e ef u n c t i o n s ：s i m u l a t i n gt h ed s r ce q u i p m e n tu s e di n t h ee t cs y s t e m ，l i n kc o r r e s p o n d e n c et e s ta n dt r a n s a c t i o na g r e e m e n ta n a l y s i sb e t w e e n r s ua n do b u t h i st e s t i n gi n s t r u m e n th a sw i d e l ya p p l i c a t i o n si nt h ee t cs y s t e ma n d i ta l s op l a y sa l li m p o r t a n tr o l eo l lt h eq u a l i t yo ft h eu p d a t ea n di m p r o v e m e n to f t h e d s r c p r o d u c t s k e yw o r d s ：e t c ；d s r ce q u i p m e n t ；u s b 2 0 ；a c q u i s i t i o no fs i g n a l ；a g r e e m e n t a n a l y s i s ；p c 10 4 ；c l o s e d l o o pg a i nc o n t r o l i i 硕士学位论文 m a s t e r st i t e s i s 目录 摘要i a b s t r a c t 第一章绪论l 1 1 课题的背景1 1 2 课题的意义2 1 3 论文内容安排3 第二章系统总体方案设计4 2 1d s r c 设备应用背景简介4 2 2 系统功能需求一5 2 3 硬件总体设计。7 2 3 1 硬件总体框架7 2 3 2u s b 接口通信7 2 3 3c p u 的选型9 2 3 4c p l d 的优势1 0 2 3 5p c i 0 4 模块简介1 1 2 4 软件总体设计1 2 2 4 1 软件系统的框架1 2 2 4 2 应用软件平台选择1 3 2 4 3 操作系统平台的选择13 2 4 4 固件程序平台选择1 4 2 4 5c p l d 程序平台选择1 4 2 4 6s t r 7 1 程序平台选择1 5 2 5 本章小结1 5 第三章硬件详细设计1 6 3 1 引言1 6 3 2 射频模块设计1 9 3 2 1 射频模块性能指标1 9 3 2 2 射频信号接收与发射方案2 0 3 2 3 闭环增益控制。2 3 3 3 信号调理及采样2 7 3 3 1 发射信号调理。2 7 3 3 2 接收信号调理2 8 3 3 3 信号采样2 9 3 4 数据传输模块3 0 3 4 1 数据发送模块3 0 3 4 2 数据接收模块3 2 3 5p c i 0 4 模块及其外围设备3 4 3 5 1p c i 0 4 模块选型3 4 3 5 2 显示模块选型3 5 3 6 电源模块3 6 3 6 1 电源需求分析。3 6 3 6 2 电源实现方案3 6 3 7 本章小结3 7 第四章软件详细设计3 8 4 1 引言3 8 4 2 固件程序3 8 4 2 1 固件程序框架3 9 4 2 2 描述符表4 2 4 2 3 用户自定义请求4 2 4 2 4 固件程序的下载4 3 4 3 驱动程序4 4 4 4c p l d 程序4 4 4 4 1 从f i f o 模式控制4 5 4 4 2 配置系统时序4 5 4 4 3 其它时序控制4 5 4 5 应用程序4 6 4 6 本章小结4 7 第五章总结与展望4 8 5 1 设计总结4 8 5 1 1 硬件设计总结4 8 5 1 2 软件设计总结5 0 5 2 未来展望5 l 攻读硕士期间发表的学术论文5 2 参考文献5 3 鸳| 谢。5 6 1 1 课题的背景 第一章绪论 在2 0 1 0 年，我国高速公路通车里程超过7 万公里，而在这一年，全年汽车销 量也超过1 6 0 0 万台，已经连续第二年超越美国成为全球第一大的汽车消费国。在 交通运输行业和汽车产业持续飞速发展的同时，也带来了交通拥堵的负面影响。 交通拥堵随之而造成能源的巨大浪费和环境污染的问题，和“低碳经济”背道而 驰。随着我国各大城市的交通恶化，自二十一世纪初，我国逐步鼓励和推动电子 不停车收费系统的发展，有效的缓解了收费的交通压力，实现车辆快速通过收费 站，减少传统的人工收费。我国不停车收费行业尚处于起步阶段，各大 e t c ( e l e c t r o n i ct 0 1 1c o l l e c t i o n ) 厂商d s r c ( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n s ) 设备在使用中频频出现故障，甚至被召回返修，不仅耗费了大量的人力和财力， 同时给各省市用户带来许多麻烦，严重滞碍了e t c 行业的发展。在2 0 1 0 年1 2 月，由交通运输部和国家发改委、财政部联合出台的关于促进高速公路应用联 网电子不停车收费技术的若干意见提出，力争到2 0 1 1 年年末，全国高速公路 e t c 车道数达到2 5 0 0 条，e t c 用户达到2 0 0 刀【。显然，随着e t c 行业快速发 展，对d s r c 设备巨大的需求增长量与目前我国的d s r c 设备产品质量出现了激 烈的冲突。 细究其因，国内的e t c 厂家所研制开发的e t c 产品虽然已经在国内各省份 投入使用，并且具有国内完全自主的知识产权，但是，技术体系设计上仅参照国 标或者广东省应用而定制，由于各厂商对标准的理解不一或不透彻，在通信速率、 体系化、开放性、安全性、互连性、兼容性、扩展性以及多应用支持等方面，均 存在着诸多缺陷与不足，严重滞碍e t c 系统的长远发展。 综上所述，纵观整个e t c 产业市场、应用和技术的发展，可以清晰的看到： e t c 的真正产业化发展，急切的需要一个统一的、标准的、互连的、兼容互换的 开放市场。业内迫切需要一个专业而高测试效率的仪器，提升d s r c 产品的品质、 保障d s r c 设备产线的高效与顺畅，使各厂商的e t c 设备体系化、兼容化，不仅 有标准可依，且对标准有所监督，真正实现整个e t c 产业的标准化，推进e t c 产业的发展与升级。 硕士学位论文 m a s t e r st i t e s i s 1 2 课题的意义 开发国内首款专用于e t c 系统、具有高测试效率的d s r c 设备综合性能测试 仪器，不仅弥补了国内e t c 行业测试系统技术盲点和空白，而且在实际的应用过 程中，能够帮助各大厂商节约大量开发、维修成本，对于d s r c 产品的升级也起 着积极的推动作用。 e t c 系统中d s r c 设备主要分为路测单元和车载单元。两种产品的设计工程 师在实际开发过程中，如果遇到r s u ( r o a d s i d eu n i t s ) 和o b u ( o nb o a r du n i t ) 交易 失败或者不交易的情况，往往只能凭借理论分析和以往经验猜测问题所在。反复 更改硬件设计和调试软件b u g ，直到r s u 和o b u 交易正常，这种经验主义的产 品开发方法不利于e t c 行业的普及和发展，工程师也无法通过深入地了解实际 d s r c 产品综合性能去有效的解决设计缺陷，给d s r c 产品开发和升级带来巨大 的阻碍。 在r s u 或o b u 投入产线时，操作员只能在几万甚至几十万的产品中抽出极 少量的样品进行测试，且测试方法复杂低效。传统的测试方法一般是将样品拿到 户外，模拟搭建实际的交易平台，专业的操作员在测试过程中需要不断的更换测 试程序和改变测试环境，通过观测交易成功率判断产品的优劣。显然，这种低效 而不科学的测试方法受人为因素影响很大，只能满足少数d s r c 产品部分功能的 测试。而使用专业的d s r c 设备综合性能测试仪器，测试过程受人为因素影响极 小，普通的操作员仅需通过简单的仪器操作和读取其中测试数据，便可随时完成 d s r c 产品专业而复杂的性能测试，发现使用传统方法无法测试的产品缺陷，解 决制造过程中可能出现的其它问题。 由于目前我国各省市大部分e t c 系统的不稳定，各厂商需要经常派出技术支 持人员进行大范围的d s r c 设备巡检。传统的r s u 交易范围检测方法便是人工 站在e t c 车道各个位置，拿着o b u 和频谱测试仪，往往还需要一个记录人员， 最后通过判断o b u 是否交易和接收信号强度的汇总，才能完成交易范围这一项 指标的粗略测试。而完成一个省份1 5 条e t c 车道设备抽检工作往往需要耗费一 个月时间，这种低效的测试方法耗费了各大厂商大量的劳力和财力资源。 为了满足d s r c 设备综合性能测试的要求，综合测试仪器需要具备多种功能， 包括标准d s r c 设备的模拟、e t c 交易链路通信测试和协议分析。此外，由于各 省市的不停车收费系统通信协议存在着差异性，综合测试仪应支持各地区的通信 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 协议标准。 在e t c 行业起步发展阶段，开发业内专用的d s r c 设备综合测试仪，打破了 传统的测试方法，使得测试过程具有高度科学性和一致性，有利于我们深入的了 解d s r c 产品各项性能，实现e t c 行业更多高端人才的引进和技术创新。不仅在 技术层面上有利于推动e t c 行业的快速发展，也迎合了国家大力推广发展e t c 产业的政策。 1 3 论文内容安排 在第一章，已论述本课题的研究背景和意义； 第二章从d s r c 综合测试仪的功能需求出发，提出系统的硬件总体设计方案， 论述硬件方案选型的优势，软件方面提出其系统框架，并就系统涉及软件平台选 型： 第三章详细地阐述了硬件系统各模块的工作原理，再在其基础上提出具体的 实现方案，并对开发过程中遇到的技术疑难点提出实际解决方案； 第四章介绍了系统所需软件，系统各部分软件分层清晰，功能完整，本文重 点针对固件程序做详细的阐述；第五章通过软硬件联调，验证综合测试仪的 各功能是否满足开发需求。对全文进行总结，并对d s r c 设备专用综合测试仪在 e t c 行业的应用前景做出展望。 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章系统总体方案设计 2 1d s r c 设备应用背景简介 图2 1 电子不停车收费系统通信模型 不停车收费系统的工作方式如图2 1 所示：当e t c 系统检测到车辆进入e t c 车道的时候，安装在龙门架上的微波天线与安装在汽车挡风玻璃上的“电子标签” 自动进行信息交换，与微波天线相连接的e t c 车道计算机根据电子标签中存储的 信息识别出车辆信息，并根据车主的使用情况从其银行帐号中扣除通行费。交易 成功后，车道栏杆自动升起，放行车辆；车辆通过后，栏杆自动降下。整个收费 过程无需人工干预，用户可不停车快速通过e t c 收费车道。电子不停车收费系统 是专用短程通信技术的第一大应用领域，也是首先在世界各国形成产业化的智能 交通( i t s ) 应用方向。应用于不停车收费系统中的d s r c 设备主要包括r s u ( 路 测单元) 和o b u ( 车载单元，也称为电子标签) 1 2 j 。 电子不停车收费一方面通过自动化处理可提高道路通行效率、改善用户驾车 环境和减少对收费站周边环境污染；另一方面电子化的收费过程可以大大提高收 费管理水平和效率、减少作弊和不规范的操作，符合国家关于产业信息化的国策 方针。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 2 系统功能需求 d s r c 综合测试仪应用于d s r c 设备( 主要为r s u 、o b u 设备) 的开发、 生产和售后检修过程中，可用于d s r c 设备的测试、检修和故障定位等。本系统 主要完成d s r c 设备的功能模拟、链路通信测试、协议分析三大功能： 标准d s r c 设备功能模拟 电子收费国家标准的出台，决定了我国e t c 行业发展的技术路线，即采 用国内自主研发的、具有完整自主知识产权的创新一代5 8 g h z 组合式电子 收费技术。在d s r c 设备开发过程中，由于技术创新的风险性和批量生产中 突显的其它技术缺陷导致设备不稳定。在问题出现时，d s r c 综合测试仪可 完全替代r s u 或o b u 的其中的一种设备，锁定故障源； 从技术指标上看，d s r c 综合测试仪同时满足了o b u 和r s u 的参数要 求；从功能上看，d s r c 综合测试仪可以用作一个标准r s u 或者o b u ，但 对设备一致性和可重复性提出了更高的要求。 链路通信测试功能 所谓链路，就是从一个节点到相邻节点的一段物理线路，中间没有任何 其他的交换节点。从传输通道类型来分包括无线电链路、同轴链路、宽频带 链路。我国不停车收费的媒介采用5 8 g h z 的微波通信，属于无线链路。以 国标为例，链路层主要参数如下表所示： 表2 1 链路层主要参数 参数参数定义 t l下行链路帧与后面相邻的上行链路帧的最短间隔时间 t 2上行链路帧与后面相邻下行链路帧的最短间隔时间 t 3 下行链路帧与后面相邻下行链路帧的最短间隔时间 t u时间单位 n 1专用链路建立请求延时计数器 n 2第二层帧的最长八位位组数 由于各厂商对国标的理解不一样，所生产的不停车收费设备存在不兼容 现象。d s r c 综合测试仪的任务就是基于各地区协议标准，测试r s u 和o b u 的交易通信链路。 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 协议分析功能 目前存在的通信协议框架有日本和欧洲三层o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t ) 架构协议方式以及美国的七层o s i 架构协议方式，后者更适于图 像等大数据量传输，是更符合未来方向的架构【3 j 。但相对于目前而言成本较 高，因此在我国不停车收费系统应用中，采用三层o s i 架构协议更符合目前 e t c 行业的发展。 自1 9 9 9 年，广东省率先推进网络环境下的电子不停车收费系统应用及 d s r c 核心技术的研究，研发了一套实现组合式电子收费技术方案的d s r c 核心产品；在基于这套产品技术的基础上，在2 0 0 2 年，广东省正式发布国内 第一套涵盖联网收费和e t c 技术的完整技术标准体系广东省公路联网 收费系统( d b 4 4 1 2 7 ) 【4 】；2 0 0 9 年起，武汉市加速推进e t c 系统的建设， 并发布地方标准武汉市城市路桥e t c 收费技术规范( w h t 1 2 0 0 9 ) 【5 j 。 目前，广东省e t c 车道已超过3 0 0 余条，电子标签用户已达7 0 万以上， 随着e t c 行业的快速发展，其它省份在引入不停车收费系统的同时，也会相 应的推出地区协议。因此，不可能在短期内实现不停车收费系统广东省标准 或者其它地区标准到国家标准的转变；而武汉市推出的国内首个不停车收费 自由流概念，有别于国内传统e t c 系统，简单地从其结构上看系统没有栏杆， 即交易时间等关键参数明显不能照搬国标，其协议也无法完全兼容国家标准。 因此，综合测试仪在工作时应支持各地区的协议标准，就不同的协议解码并 作出正确的帧分析，以满足各地区标准协议的不同需求。 综合以上三点，可归纳出d s r c 综合测试仪的总体功能框图，如下图所 示： 图2 2d s r c 综合测试仪总体功能框图 6 由上图可知，d s r c 综合测试仪实现的三大功能又可分为“d s r c 设备信号 源”和“侦听器 。“d s r c 设备信号源 主要完成d s r c 信号的发送，即模拟标 准d s r c 设备功能；“侦听器”完成接收信号的分析，即链路通信测试和协议分 析。 2 3 硬件总体设计 2 3 1 硬件总体框架 本系统硬件设计采用自顶向下的设计方法，首先分析系统的总体功能需求， 再对总体功能进行分解，即将复杂的问题分解成若干个功能较为简单的局部模块 【6 1 。结合d s r c 综合测试仪应用场景的具体需求及其总体功能，在设计中及时调 整设计方案，既满足设计的功能需求，又保证系统的性能优越性。系统的硬件架 构如图2 3 所示： ，、r 上层p c i 0 4 模块下层子单元模块 多 丰富的接口资源，如4 8 个i o 口，5 个定时器，4 通道1 2 位模数转换器， 4 个串口，2 个i i c 接口等； 高级数据链路控制器( h d l c ) 支持全双工操作和f m 0 或曼彻斯特协议， 同时兼容电子收费国家标准规定的a 类和b 类编码方式，采用硬件编解 码的方式大大减小了软件的复杂度； 内部嵌入1 8 v 的电源稳压器，减少了外围电路； 本设计s t r 7 1 0 主要完成h d l c 编解码及一些实时中断处理，它与 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 间通过双口r a m 实现数据交换。 r s u 和o b u 交互的所有信息均为按照h d l c 协议传输的帧数据。h d l c 协 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 议将r s u 和o b u 交易数据组织成数据块，即以帧的形式进行传送，采用帧为传 输单位，能更好地利用信道，也便于实现差错控制、流量控制等功能。图2 - 4 为 h d l c 标准帧格式： l 最多1 6 位i0 1 1 1 1 1 1 0 3 2 位in 字节l1 6 位l0 1 l1 11 1 0i 最多1 6 位i 前导码开始标志地址域字节数据f c s 域结束标志后导码 图2 4 h d l c 帧格式 如图2 4 所示，前导码、后导码主要用来进行帧同步和信道检测；开始和结 束标志是帧的边界，以及确定帧的每个域的位置的参考，一个标志可同时作为一 个帧的结束标志和下一个帧的开始标志。d s r c 综合测试仪要对接收信号进行时 序分析，必须精确的确定接收到的数据帧的时间标，这些时间标的确定可以通过 对前导码和标志的解析中得到。d s r c 综合测试仪采用s t r 7 1 0 作为主控芯片也 充分利用了这款c p u 内部集成的h d l c 模块，采用硬件编解码的方式减小了软 件复杂程度，提高了软件执行效率。 2 3 4c p l d 的优势 在数字系统设计中，中小规模器件得到充分利用，这些逻辑器件可用于实现 复杂的时序和组合逻辑功能1 1 4 1 。而在一个比较复杂数字系统中，用这些中小规模 器件时存在很多局限性，比如因电路板面积大，芯片数量多而导致功耗大，电路 修改麻烦。随着集成电路技术的发展，对数字系统复杂性和集成度要求不断提高， 而计算机技术的发展也使得e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 技术得到广泛应 用。 目前，e d a 技术发展不断成熟，并且得到政府重视，已经渗透到各行各业。 因此，可编程逻辑器件也应运而生，更新了传统的数字设计观念，它的出现给数 字系统设计带来革命性的变化。可编程逻辑器件集成度极高，普通的一片可编程 逻辑器件相当于多达几千片通用集成芯片，因此可以极大减少电路面积及系统功 耗，系统稳定性得以提高；可编程器件便于反复地擦除、编程，因此用户可随时 根据需求做设计进行修改和升级【1 5 j 。 p l d 允许用户灵活的定义管脚功能，用户可根据自己的需求用编程的方法改 变器件的功能，大大缩短了系统的开发时间【l 引。而c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) ，即复杂可编程逻辑器件，就是从p l a 器件中发展而来的高集成度 可编程逻辑器件。应用c p l d 作为逻辑控制器件具有很高的灵活性，特别是在开 发初期，无需改动p c b 上的电路连接，通过修改程序，就可以达到改变逻辑的要 1 0 求，这样大大缩短了开发周期，减少了开发成本。系统中使用c p l d 器件，可采 用自顶向下的设计方法，通过对各个子模块设计、仿真及软件调试，为设计提供 前期的理论基础。 与c p l d 相比，m c u 低价低功耗，有些m c u 还集成了a d 、d a 转换，但 其结构简单，不能实现复杂控制，其计算速度和性能都有限。c p l d 支持复杂的 编程逻辑控制，在抗干扰和速度上c p l d 较单片机有很大优势。c p l d 还具有处 理极高运算量的能力，允许构建高度并行的器件结构，使采样速率与时钟频率可 达到相等，从而构建极快速的数据传输通道。在本系统中，应用c p l d 作为逻辑 控制芯片，不仅可以实现高速数据采集和复杂的逻辑控制，同时，为满足系统高 速数据传输的要求，设计采用了u s b 接口芯片的从f i f o 数据传输模式。采用 c p l d 的另一个重要原因在于充分利用c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的从f i f o 自动工作模式， 从f i f o 工作模式无需其核内c p u 参与数据传输工作【l 引。如果让其5 l 核参与数 据传输，单片机在每包数据传输时都会翻译一遍机器指令，这样传输的速度必定 很低。而c p l d 不像单片机一样要翻译指令，因此它的执行速度很快，足以满足 高速传输的设计要求【l7 。 目前主要的c p l d 厂家有a l t e r a 、x i l i n x 和l a t t i c e 公司，a l t e r a 公司的主要 产品有m a x i i 、c y c l o n e 、s t r a t i x 等，本设计选用m a x i i 系列的e p m 5 7 0 作为逻 辑控制芯片。 2 3 5p c i 0 4 模块简介 随着芯片集成度的提高、p c b 制作工艺的提升和元器件封装的技术发展，出 现了模块化的新型设计方法，并发展成为嵌入式系统的设计趋势。多个模块间采 用插针和插座的方式连接的小型p c 机结构紧凑、外观小巧，这种嵌入式p c 机有 两个总线插头，p 1 有6 4 个引脚，p 2 有4 0 个引脚，共1 0 4 个引脚，即p c i0 4 名 称的由来。p c i 0 4 总线的1 0 4 根线大致分为地址线、数据线、控制线、时钟线和 电源线5 类【l 引。 最早的p c i 0 4 产于1 9 8 7 年，在其标准出现之前，p c i 0 4 一直是一种非法定 标准，直到1 9 9 2 年，i e e e 开始为p c 和p c a t 总线制定一个精简的i e e e p 9 9 6 标准，广泛满足了嵌入式领域的要求，因此，p c i 0 4 是一种专门为嵌入式应用而 定义的工业控制总线。p c i 0 4 模块以其集成性高的特点和可模块化的结构适用于 各种嵌入式产品，使用p c i 0 4 模块的优势在于l l 州： 体较小。通常的p c 或p c a t 扩展卡尺寸大约在1 2 5 x 4 8 英寸，而p c i 0 4 1 1 硕士学位论文 m a s t e r st h ：e s i s 标准的尺寸仅为3 6 x 3 8 英寸，约9 6 x 9 0 m m ； 堆栈式结构。p c i 0 4 模块的总线以“针”和“孔的层叠形式连接，多个 模块之间通过直接栈接的形式连接，上层的“针 和下层“孔 相互咬合 具有良好的抗震性； 灵活性高。基于p c i 0 4 的模块化结构，用户可以根据自己的需求组合不 同的控制和接口模块，灵活的实现产品特定的功能； 大大缩短开发周期。应用技术成熟的功能模块，大大减小了硬件开发的复 杂度，用户仅通过选择和配置已有的功能模块、外设及相应的接口，即可 避免对已有的成熟技术再次开发，同时也减小了开发的风险性，缩减了 d s r c 综合测试仪的开发周期。 在d s r c 综合测试仪中，为了完成后台管理、人机界面、系统设置、数据存 储和功能管理等任务，在开发中引入p c i 0 4 模块，可以帮助用户根据自身的特定 需求更加快速、有目的地整合产品，大大缩短了项目开发周期，降低开发成本。 本设计选用了研华工控的p c m 一3 3 6 3 d 1 g s 8 a 1 e 作为系统的p c i 0 4 模块，它 采用了功能强大的i n t e l a t o md 5 2 5 双核心四线程c p u ，主频高达1 8 0 g h z 【2 。 2 4 软件总体设计 2 4 1 软件系统的框架 图2 5 软件系统框架 如图2 5 所示，d s r c 综合测试仪软件系统主要分为上位机程序和下位机程 序。而上位机又包括应用程序和u s b 驱动程序，下位机包括u s b 接口芯片的固 件程序、c p l d 程序和s t r 7 1 0 主控程序，其主要功能如下： 根据d s r c 综合测试仪对界面设计的要求和应用需求，应用程序主要实现的 功能包括高速数据采集、基带信号及解析帧信息显示、发送命令请求以及对设备 的不同功能进行参数配置等； 综合测试仪中u s b 设备的使用需要提供驱动程序的支持，驱动程序主要为公 共u s b 设备请求和数据传输与上层应用程序提供接口； 固件程序是指c y 7 c 6 8 0 1 3 a 内嵌增强8 0 5 1 核的单片机程序，它的操作与硬 件有着密切联系，其框架主要包括u s b 设备连接、中断处理、u s b 协议等，其 中最主要的目的之一就是为了在连接时能让计算机识别和检测到设备【2 l 】。在综合 测试仪系统中主要用于实现高速数据传输、用户白定义请求和标准设备请求； 通过编写c p l d 程序可以灵活地控制硬件逻辑，利于硬件的开发、调试与升 级。在本系统中c p l d 程序还可以控制系统时序，另外，c p l d 作为主控芯片， 与c y c 7 6 8 0 1 3 a 通过从f i f o 方式进行高速数据传输； s t r 7 1 0 主控程序主要实现硬件控制、h d l c 帧的编解码等。 2 4 2 应用软件平台选择 上位机应用程序是软件的控制核心，其开发平台分为图形化的编程语言和文 本式的编程语言。图形化编程语言具有简单、直观、效率高的特点，编程者不需 要进行繁琐的编程就可以实现应用软件功能，但是其开发成本高，如典型的虚拟 仪器开发平台l a b v i e w 。而采用通用的文本编程语言虽然需要编写代码，但是具 有很高的灵活性。 本系统应用软件采用文本式编程语言，目前常用的文本式编程语言有v i s u a l c + + c h ) 和b o r l a n dc + + b u i l d e r ( c + + b u i l d e r ) 。v c + + 采用m f c ( m i c r o s o f t f o u n d a t i o nc l a s s e s ) 的框架，而c + + b u i l d e r 具有极强的兼容性，同时支持o w l ( w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ) 、v c l ( v i s u a lc o m p o n e n tl i b r a r y ) 、m f c 。本系统选用 c + + b u i l d e r 来开发应用软件，不仅能缩减开发成本，还可以增强软件开发的灵活 性。c + + b u i l d e r 是一款高性能的可视化集成开发工具，程序员只需要把控件 ( c o m p o n e n t ) 拖到窗体( f o r m ) 上，然后定义其属性和设置外观，即可快速地完成应 用程序界面设计i l 列。 2 4 3 操作系统平台的选择 根据硬件p c i 0 4 模块的选型，p c m 3 3 6 3 支持常用的w i n d o w sc e 、w i n d o w s 1 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s x p e 、w i n d o w s 7 等操作系统。其中，w i n d o w sc e 和w i n d o w s 操作系统具有良好 的兼容性，可裁剪、实时反映能力强，是一个开放、可模块化升级的3 2 位嵌入式 操作系统，w e c 7 ( w i n d o w se m b e d d e dc o m p a c t7 ) 是其最新开发功能更为强大的 操作系统。而本系统选用的w i n d o w sx p e 是基于w i n d o w sx pe m b e d d e