基于PC104總線的2FSK調制器的設計與實現

? 嵌入式計算機系統在現代工業控制中發揮著越來越重要的作用，它具有便攜、可靠、低功耗、通用、易擴展等諸多優點。使用嵌入式系統進行工業控制要涉及到計算機數據的傳輸、采集、調制解調等一系列問題。
　本調制器是一種基于PC104總線的嵌入式系統的外圍設備，嵌入式計算機系統通過PC104總線將數據發送到端口，調制器接收數據并進行調制后，將信號輸出到受控設備，從而對相應設備起到控制的功能。在本調制器的硬件電路中使用FPGA，提高了系統的通用性。

　　1總體結構

　　該調制器實現的功能主要包括：識別并接收總線發送的數據；根據不同地址控制信號將數據按路區分(共四路)；每路分別將數據按照連續調制的方式進行2FSK調制；對調制后的信號進行放大整形并發送到端口。

　　因此，該調制器的電路部分分別包括數據接收部分、FPGA及外圍電路(實現數據分路及數字調制功能)、D／A轉換電路、放大濾波電路等。系統總體結構如圖1所示。

　　2 PC104總線及數據接收電路

　　PC104總線是專門為嵌入式系統開發的系統總線，是一種自堆棧式、模塊化的總線，它基于ISA總線發展而來，有16位和8位兩種接口方式(分別為64+40引腳和 64引腳端口結構)，該總線具有結構緊湊、便攜、可靠、功耗低、易擴展等優點。對于工程開發而言，常用的引腳主要有以下幾個：

　　SD0～SD7，SD8～SD15：數據總線，當采用8位接口方式時，只有SD0～SD7工作；

　　SA0～SA19，LA17～LA23：地址信號，對端口進行操作時使用SA0～SA9；

　　AEN：DMA選通信號，為高電平時表示處于DMA模式；

　　IOW，IOR：端口寫、讀信號，低電平有效；

　　SYSCLK：系統提供的基準時鐘信號，是標準的方波信號，約為8 MHz；

　　VCC，GND，+12 V，-12 V：系統提供的電源接口。

　　數據接收電路就是要在正確的時序上將所需的數據進行提取，還要實現將電路工作狀態傳送回總線，以便總線決定是否發送下組數據的功能。由于PC104總線最高支持約8 MHz的時鐘頻率，而受控設備所需的2FSK信號頻率為幾千赫茲，因此這里只用8位數據總線就完全能夠滿足要求。

　　總線接收電路如圖2所示。其中SD0～SD9，SA0～SA9是從總線發來的數據、地址信號，SEL0～SEL3為分路選擇信號， ANSWER0～ANSWER3為FPGA的狀態返回信號，由于總線速度要比2FSK輸出速度高得多，因此，總線要對FPGA數據緩存器是否為空進行查詢，當FPGA沒有完成數據轉換時，總線要等下個周期，直到狀態返回信號顯示FPGA內部為空時，總線才可以發送下組數據到FPGA。74LS273負責將每路的數據分別進行鎖存，4路數據共使用4個。OUT1D0～D7為第一路8位數據輸出，LOCK0為其控制信號，表示數據的更新。

　　3 FPGA及其外圍電路

　　FPGA具有集成度高、設計靈活、易于修改、節省空間、通用性高等優點。本調制器中FPGA采用的是Altera公司的EPF10K20TC144-4器件，該器件具有20 000個典型門，1 153個邏輯單元，144引腳，包括2個全局輸入時鐘，4個全局輸入，86個通用可編程I／O引腳。該芯片采用TQFP封裝，芯片面積較小，功耗低，其輸入、輸出與TTL，與PC104總線電平完全兼容。FPGA電路主要實現的功能為：接收數據提取電路發送的分路數據；以總線上的SYSCLK時鐘為基準，通過分頻產生受控設備能識別的頻率；為每路輸出進行2FSK的數字調制，保證信號的連續性；完成本身的FPGA電路配置。

　　FPGA配置電路如圖3所示。

　　FPGA的配置使用PS和JTAG兩種方式，既能實現JTAG方式下電路在線調試，又能保證調試完成后能夠正確使用相應的配置器件。其中 JP5*2插座為JTAG配置端口，TDI、TDO、TMS、TCK為JTAG配置引腳，該配置方式采用BlasterMV線，通過配置計算機的并口與電路板配置端口進行連接，用于將編寫好的配置數據實時傳送到FPGA，該方式主要用于電路調試；EPC1PC8為FPGA配置器件，采用PS(被動串行)配置方式，由于FPGA內部存儲器屬于易失性RAM存儲，因此每次加電后都要將程序重新寫入FPGA，配置器件本身就是存儲器，其主要作用就是在每次加電后將程序寫入FPGA，保證調試完畢的電路能夠正常單獨進行工作。

　　來自前級電路的數據及控制信號、發到D／A轉換電路的數據都連接到FPGA芯片的通用I／O引腳，通過編程實現所需功能。對FPGA的編程使用 Altera公司的QuartusⅡ軟件，該軟件采用圖形化與VHDL語言混合編程，易于調試修改。編程實現的主要功能為：對輸入數據進行鎖存移位，確保每位數據都能得到正確處理；產生兩組分頻時鐘參與2FSK調制，并使分頻后的時鐘按照時序進入數字調制器；數字調制器負責將不同頻率始終按照順序依次產生連續量化的8位正弦波數字量輸出到端口。

　　本設計中由于采用兩種頻率分時產生，按時序進入調制器，而正弦波數字調制器單獨工作的方法，保證了輸出正弦波具有連續的相位，不會產生相位突變。

　　4 D／A轉換電路

　　D／A轉換共包括四路，其主要功能是將FPGA輸出的已調制好的2FSK數字信號轉換為正弦波信號。由于FPGA在進行數字調制時產生的是連續量化的正弦波形，兩個頻率之間不存在相位的突變，不會存在大量的高頻雜波，因此，后期的信號處理電路使用放大電路與簡單的π型濾波器對信號進行處理即可得到比較理想的2FSK信號。

　　D／A轉換電路如圖4所示。

　　此電路采用AD7524作為D／A轉換器，AD7524屬于T型電阻網絡型DAC，電流輸出，8位數字輸入，輸出建立時間0.2μs／0.15μs，其數字輸入端可采用5 V／15 V兩種輸入，本電路采用兼容TTL電平的5 V輸入。電路中將其輸入控制端CS、WR同時接地，當有來自FPGA的數據AD101～7輸入時無需鎖存，直接進行轉換，因此要求FPGA的輸出要具有鎖存功能，此接法可減少輸出控制線，減少時序干擾。R1AD1和R1AD2為D／A輸出波形調整電阻，主要用于調整波形位置，不致產生失真。D／A輸出采用雙極性接法，通過兩路LM324通用放大器進行電壓放大，輸出2FSK信號。圖5(a)為經過D／A轉換后輸出的波形在示波器上的截圖，由圖中可以看到，數字調制并經D／A轉換后，波形是一種階梯狀正弦波，且波形連續，頻率變換交界處無相位突變。該信號經過雙極性放大器放大并通過π型濾波器后變成如圖5(b)所示的連續正弦波。

　　5結語

　　采用FPGA進行2FSK調制不但能產生連續相位，還能通過軟件直接修改其調制方式、產生頻率等一系列參數，具有很好的通用性。

　　本電路中數據提取電路屬于原理性電路，實際設計中可將該部分電路置于FPGA內部進行設計，而系統參考時鐘SYSCLK可接在FPGA的全局時鐘輸入端，減少延遲差異。