基于RapidIO的相控陣短波發信系統交換單元設計*

鄧 冉，高 俊，屈曉旭

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

基于RapidIO的相控陣短波發信系統交換單元設計*

鄧 冉，高 俊，屈曉旭

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

傳統總線技術成為了制約短波通信系統性能進一步提升的瓶頸。RapidIO總線是一種新型嵌入式總線，具有傳輸效率高、系統成本低、系統穩定性好等特點。基于RapidIO技術設計了相控陣短波發信系統的交換單元，硬件上進行了系統供電電路、時鐘電路和交換芯片端口電路設計；軟件上主要介紹了RapidIO初始化和交換芯片的遠程配置兩個方面。在實際應用中實現了系統中各模塊間信號的高速交換。

RapidIO；短波通信；交換單元；TSI578

0 引 言

短波通信被廣泛的應用于軍事、商業、氣象等領域用來傳輸文字、語音、圖像等數據信息。隨著數字信號處理技術和微電子技術的飛速發展，短波通信的重要作用日益凸顯出來。數字信號處理器(DSP)的發展和廣泛應用使短波通信的數字化程度得到極大提升[1]。隨著新的短波通信技術的應用，通信速率不斷提高，對數字化通信系統的性能要求也越來越高。數字處理器件的處理速度平均翻一番需要18個月，而總線速率提升一倍需要三年，因此總線的速度也成為了制約短波通信系統性能增長的瓶頸[2]。相控陣短波發信系統模塊多并且復雜程度高，因此要求總線盡可能的簡單管腳盡可能的少。同時由于涉及到天線組陣時多路信號的交換，這務必要求總線傳輸速率足夠高。RapidIO總線是一種新型嵌入式總線，采用差分串行傳輸，相對傳統總線具有引腳少的優勢，使得系統硬件設計時更加簡單，資源利用率更高，成本更低，穩定性更好。該總線采用交換結構，支持點到點或點到多點的串行傳輸，運用8B/10B編碼將時鐘嵌入數據中。基于以上這些特點本文設計的相控陣短波發信系統交換單元選擇RapidIO總線為板間信息傳輸總線，以實現系統中信號串行速率達1.25 Gb/s的高速信號交換。

1 RapidIO技術簡介

RapidIO技術是由Motorola和Mereury Computer公司共同開發的一項高速互聯技術。RapidIO是國際標準組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)一致通過的互連規范。RapidIO協議分為物理層、傳輸層和邏輯層。物理層是這個協議的最底層，它定義了并行和串行兩種協議。并行LVDS協議能夠使系統的內部緊密耦合在一起，能夠支持250 MHz、500 MHz、750 MHz及1 GHz工作頻率；串行協議則在對于引腳數目限制和長距離傳輸的系統中得到運用，支持1.25G、2.5G、3.125G、5G、6.25G 等5種比特率，傳輸性能可從1 Gb/s到20 Gb/s[3]。邏輯層是協議的最高層，它定義了消息傳遞協議、數據流協議、I/O邏輯操作協議、流量控制協議以及全局共享存儲協議。中間的傳輸層能夠實現用統一包格式來傳輸數據，既支持點到點的傳輸也支持廣播的傳輸方式[4]。

2 系統整體框架設計

相控陣短波發信系統按照各自功能可以分為5個單元，分別為調制解調單元、相位檢測單元、波束控制單元、交換單元和上變頻單元。調制解調單元主要進行基帶信號的處理；相位檢測單元主要進行射頻信號相位的檢測，并把檢測結果交予波束控制單元；波束控制單元進行多路射頻信號相位的控制；上變頻單元進行頻率搬移使信號能發射出去。各個單元通過光纖連接交換單元，在交換單元中進行信號的交換與傳輸。每個單元各自完成自己的功能，相互之間沒有影響，這樣分工明確，結構清晰方便系統的維護以及問題的排查[5]。系統框架見圖1。

圖1 系統框架

3 交換單元硬件設計

由于DSP編程方式靈活，具有很強大的數字處理功能同時能進行靈活的控制。因此交換單元采用的DSP芯片是TI公司的TMS320C6416芯片。DSP芯片在本系統中的主要作用是對交換芯片進行初始化、復位和配置，同時對各個單元發過來的數據進行解析然后進行相應操作。交換單元中的FPGA芯片采用的是StratixⅡ GX系列芯片，它的功能是提供與RapidIO相連的接口。交換單元硬件框見圖2。

圖2 交換單元硬件框

交換單元選擇Tsi578芯片完成RapidIO協議的交換。Tundra公司開發的第三代RapidIO交換芯片Tsi578目前在市面上應用廣泛。它支持全雙工串行RapidIO交換，支持符合開放式標準及第1.3版串行RapidIO互連規范[6]。根據系統方案需求，將Tsi578配置為16個1x端口模式，串行速率為1.25 Gb/s。

3.1 供電電路設計

外部給系統統一提供的電源為5 V。5 V 電壓在交換單元中通過電壓轉換芯片轉變為DSP和FPGA需要的工作電源。DSP和FPGA需要的工作電源是1.2 V和3.3 V。1.2 V是用于DSP和FPGA的邏輯處理，3.3 V用于提供DSP和FPGA內部鎖相環(PLL)的驅動電壓以及FPGA相關管腳上的邏輯1電平。

DSP和FPGA的3.3 V電壓供電電路相同。由外部統一提供的5 V電源經過LC電路，最后通過TOS0605SM電源轉換芯片得到3.3 V電壓。再由并聯電路把電壓送到各個芯片。在轉換得到的電壓與最終輸出的電壓之間有一個過流保護電阻，用來防止電路電流過大，起到保護芯片的作用。

3.2 時鐘電路設計

DSP的時鐘供給電路如圖4所示。DSP的時鐘由本地晶振產生50 MHz的時鐘，經過一個過流保護電阻和DSP需要的三個時鐘，BECLKIN、DSPCLK、AECLKIN對應的引腳相連。

FPGA的時鐘供給電路如圖5所示。

外部輸入一個400 MHz時鐘，通過時鐘芯片SY89202U轉化成兩路100 MHz，經過兩個電容隔去直流后，作為FPGA的兩個時鐘輸入CLKp和CLKn。

圖4 DSP時鐘電路

圖5 FPGA時鐘電路

3.3 Tsi578芯片端口電路設計

Tsi578芯片端口電路圖如圖6所示。在短波通信系統中，我們采用串行協議，需要將芯片配置工作在1x模式下。Tsi578芯片共有16組1x模式端口，圖6中顯示有8組，另外8組與之相同。

圖6 578芯片端口電路

4 交換單元軟件設計

交換單元中軟件設計包括DSP和FPGA兩個方面。FPGA中軟件設計核心是利用Quartus已有的IP核實現RapidIO協議，利用SOPC(可編程片上系統)[7]編程將DMA和RAM等資源有機地結合在一起，實現RapidIO接口，此外還提供接口轉換功能為DSP管理RapidIO和交換芯片提供通路。DSP只需要完成命令和數據的接收與解析，對本地和遠程的RapidIO系統的維護，門鈴的發送，交換芯片的配置等功能。

交換單元DSP空間分配如表1所示。

表1 DSP空間分配

RIO模塊接口如圖7所示。

圖7 RIO接口

交換及控制單元中遠程終端通過RapidIO模塊接口與Tsi578進行交互。RapidIO模塊接口由RapidIO IP核[8]、RAM、DMA控制器、并行總線接口轉換器子單元經特定的邏輯相互連接構成。在交換及控制單元中，RapidIO模塊只需完成主控命令的接收與維護交換芯片的信息的發送，不需要進行基帶數據的發送和接收。

RapidIO初始化軟件流程如圖8所示。系統收到RapidIO初始化命令，然后通過一系列信號的變化判斷RIO是否正常。即首先置GXB_powerdown=‘1’，等待2 ms，置GXB_powerdown=‘0’，再置SOPC reset=‘0’，等待2 ms，置SOPC reset=‘1’。之后判斷RapidIO狀態寄存器中RapidIO狀態標志，如果RapidIO狀態非正常，置RapidIO失常標志并返回；如果RapidIO狀態正常，則配置RapidIO控制寄存器，并置RapidIO成功標志并返回。

圖8 RIO初始化

遠程配置是交換單元中特殊功能，其流程如圖9所示。主控下達配置Tsi578的命令，DSP首先判斷本地RapidIO接口是否正常，如果不正常，則置RapidIO失敗標志返回；如果正常則將Tsi578復位，并判Tsi578寄存器是否正常，如果不正常則置失敗標志返回；如果正常則打開Tsi578的通道，配置其LUT表，并置配置成功表示返回。

圖9 578芯片遠程配置

5 RapidIO數據傳輸速率測試

系統配置完畢以后，由DSP不斷向RapidIO口寫入1,0，DSP向FPGA發起DMA操作傳輸數據是通過EMIFA口，數據大小為128Byte。系統在RapidIO口為1的時候為空閑狀態，在RapidIO口為0的時候傳輸數據。

由圖10可知低電平的持續時間是1.1 μs，高電平是200 ns，即在低電平的持續時間內完成了128 byte的數據傳輸。又由于物理層采用8B/10B編碼，因此可以算出實際的傳輸速率：

圖10 RapidIO口時序

通過與理論值比較可以看出，本文設計的交換單元基本能夠達到設計的速率要求。

6 結 語

隨著科學技術的發展，短波通信系統數字化程度越來越高，使用的技術越來越復雜，這對數據的傳輸速度和性能有了更高的要求。RapidIO總線技術在短波通信系統中的應用越來越廣泛。本文設計的相控陣短波發信系統的交換單元在實際應用中能夠實現多路信號的高速交換，下面的研究就嘗試著把RapidIO總線技術應用到收發一體化的相控陣短波通信系統中。著重解決交換速度和性能的進一步提高，同時嘗試使用578交換芯片更高速的交換模式。

[1] 廖娜．DSP應用技術綜述[J].IT技術論壇，2008(32)：78． LIAO Na.DSP Application Technology Summary[J].IT Technology Forum, 2008 (32):78.

[2] 李少龍，高俊，婁景藝．基于SRIO總線的數字信號處理系統的實現[J]．通信技術，2012，45(05)：101-103． LI Shao-long, GAO Jun, LOU Jing-yi. Implementation of Bigital Signal Processing System based on SRIO Bus[J].Communication Technology, 2012，45 (05):101-103.

[3] Copyright RapidIO Trade Association．RapidIOTM Interconnect Specification Part 6: LP-Serial Physical Layer Specification [EB/OL]．12343 Hymeadow, Suite 2-R (non-US mail deliveries to Suite 3-E) Austin, TX 78750 ,2011．

[4] 鄧豹，趙小東.基于串行RapidIO的嵌入式互聯研究[J]．航空計算技術，2008(05):123-126. DENG Bao, ZHAO Xiao-dong. Research on Embedded on Interconnection of air based on serial RapidIO[J].Aviation Computing Technology,2008(05):123-126.

[5] 楊春順.基于RapidIO總線通信系統交換單元的設計與實現[J]．計算機與數字工程，2014(06):1003-1006.YANG Chun-shun. and the realization of Design of RapidIO Bus Communication System based on Switching Unit[J].Computer and Digital Engineering, 2014 (06): 1003-1006.

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[7] 周立功．SOPC嵌入式系統基礎教程[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2006． ZHOU Li-gong. the Basis of.SOPC Embedded Systems Tutorial [M]. Beijing: Beihang University Press, 2006．

[8] Altera Corporation.RapidIO MegaCore Function User Guide [EB/OL]．101 Innovation DriveSan Jose, CA 95134,2009．

Design on Exchange Unit of Phased-Array Shortwave Transmitting System based on RapidIO Bus

DENG Ran，GAO Jun, QU Xiao-xu

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei430033, China)

The traditional bus technology now becomes a bottleneck in further enhancing the control performance of shortwave communication system. RapidIO bus,as a new type of embedded bus, features high transmission efficiency, low system cost, good system stability etc.. The paper describes the phased-array shortwave communication system platform constructed in DSP and FPGA, including the design of TSI578 chip based on RapidIO switching unit. Hardware design mainly involves the system power circuit ,clock circuit, and port circuit of the switching chip. As for the software, two aspects including RapidIO initialization and remote configuration of the switching chip are introduced. The unit can realize high-speed signal switching of among various modules in the practical application of exchange.

RapidIO; shortwave communication; switching unit; TSI578

date:2014-10-09；Revised date：2015-02-18

TN91

A

1002-0802(2015)04-0495-06

鄧 冉(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向為數字通信；

高 俊(1957—)，男，教授，主要研究方向為數字通信、無線通信；

屈曉旭(1976—)，男，副教授，主要研究方向為數字通信、無線通信。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.022

2014-10-09；

2015-02-18