基于雙ARM的信號檢測系統的硬件設計

黃志敏，章國寶

（東南大學 自動化學院，江蘇 南京 210096）

雷達發射機屬于一種高頻工作設備，被測發射機工作頻率為 9.0～10.0 GHz[1]，要檢測發射機是否工作正常，既要對其輸出信號進行測量，還要對其內部工作信號進行測量，測量信號有7路電壓信號、11路波形信號、3路頻譜信號、1路功率信號等，被測信號較復雜。

文中設計了一種基于ARM9控制器為核心芯片的信號檢測系統，用于對上述被測信號進行信號的選取與測量，并對測量數據進行讀取與處理，最終生成報表給出測量結果以判斷被測設備是否工作正常。

本方案使用了華邦公司生產的W90P950控制芯片，該芯片以ARM公司設計的ARM926EJ－S微處理器為內核，工作頻率可達200 MHz，采用216－Pin LQFP封裝，功耗低，體積小，功能強；片內集成一個10/100 Mb的以太網控制器、LCD控制器，整合了2個USB2.0控制器，包含3個串口控制器，可擴展為串口輸出，集成Nand Flash控制器，為大容量存儲提供了新的方式[2]。

1 系統硬件設計

發射機需要測量的信號較多，需要對被測信號進行信號切換控制；而被測信號最終需經測量儀表測量后通過GPIB控制總線上傳到檢測系統中，這就需要檢測系統擴展實現GPIB接口電路。根據需求分析，單一的ARM控制器無法滿足需求，故擴展使用兩塊ARM控制器來設計完成。每個ARM控制器及其外部接口擴展電路構成一塊核心板，分別為ARM板1、ARM板2。系統的總體設計模塊如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖Fig.1 System structure

ARM板1主要負責數據采集，負責GPIB總線擴展，通過GPIB總線實現對信號源、功率計、頻譜儀、示波器、數字萬用表、功率分析儀的遠程控制與數據讀取。板1還負責與PLC模塊通過RS422進行通訊管理，以控制被測信號的選通與關斷；ARM板2主要為數據處理模塊，擴展VGA接口、兩路PS2接口、兩路USB2.0接口、以太網接口，其主要負責人機交互、數據記錄與存儲、數據冗余管理以及與總控PC進行通訊。兩ARM板之間通過雙口RAM進行數據交換[3]，實現如圖2所示。

圖2 ARM板1整體框圖Fig.2 Structure of ARM Borad 1

如圖2所示，在ARM板1中，W90P950通過EBI總線與SDRAM、NORFLASH、DPRAM等控制芯片直接相連，通過電平轉換芯片擴展使用GPIB接口；同時使用兩個串口轉換芯片MAX490ESA使用RS422通訊，另一路串口使用RS232協議作為更新內部程序使用。

圖3 ARM板2整體框圖Fig.3 Structure of ARM borad 2

如圖3所示，與ARM板1相類似，板2中也通過EBI擴展總線直接與SDRAM、NORFLASH、DPRAM控制芯片直接相連，使用兩路USB接口與外部存儲設備相連，保證數據存儲的準確性與冗余性；同時將兩路PS2接口連接鼠標與鍵盤，擴展LCD轉VGA接口，連接顯示器，方便用戶與后臺的交互。

2 系統中關鍵電路設計

2.1DPRAM模塊

兩ARM板之間是通過雙口RAM進行數據交換與通訊控制。

雙口RAM采用了IDT公司的高速8 K×16 bit的雙口靜態RAM芯片IDT70V25。IDT70V25是一種特殊的數據存貯器件，它具有兩個完全獨立的端口，各自均有一套相應的數據總線和地址總線以及讀寫控制線，允許2條不同的處理器總線單獨或異步地讀寫其中任一存儲單元。IDT70V25的核心部分是存儲器陣列，左右兩個端口公用，當兩個端口對同一地址進行讀寫時，存在以下4種可能性：

圖4 DPRAM電路Fig.4 Circuit of DPRAM

1）2個端口不同時對同一地址單元存取數；

2）2個端口同時對同一地址單元讀出數據；

3）一個寫入數據，另一個讀出數據；

4）2個端口同時對同一地址單元寫入數據。

其中，前2種情況2個端口的存取不會出現錯誤，第3種情況會出現讀錯誤，第4種情況會發生寫錯誤。

為了避免出現上述讀寫錯誤，IDT70V25有以下幾種仲裁方式[4]：

1）邏輯忙 IDT70V25兩側端口都有BUS Y信號輸出，兩側端口均不訪問內部RAM時為高電平。在兩個端口同時訪問內存時，通過判斷使先訪問內存的一方對應的BUS Y信號為高電平，允許讀寫數據；后訪問內存的一方對應的BUS Y信號為低電平，禁止對內存進行寫操作。由于內部仲裁邏輯不會使兩個BUS Y信號同時為低電平，可保證數據穩定正確的傳輸。

2）中斷仲裁 當左端口寫操作（CEL=R/WL=0），且在IDT70V25地址1FFF中進行寫操作時，右端口的中斷標志INTL為低電平，向右端口發出中斷請求；同理，當右端口寫操作 （CER=R/WR=0），且在IDT70V25地址1FFE中進行寫操作時，左端口的中斷標志INTR為低電平，向左端口發出中斷請求。

3）信號傳遞 IDT70V25提供有標識電路（即令牌SEM），可把一個端口使用雙口RAM的狀態傳送到另一個端口。它內部有8個二進制的地址信號標志位，它們可以通過系統軟件設置使左右任一個通道享有高出另外一個的特權，通過此方案傳送數據，可實現數據的高速無等待狀態的傳送。

采用邏輯忙的方式訪問雙口RAM時，ARM每次讀寫內存前均要判斷BUSY信號狀態，影響了ARM的實時性。信號傳遞仲裁方式雖然實時性高，但每次上電后設置復雜。本設計選擇中斷信號的仲裁方式，其中ARM板1作為主處理器，在每次控制周期啟動時寫雙口RAM并觸發ARM板2雙口RAM中斷；ARM板2在收到數據，進行數據記錄、存儲校驗后將應答命令寫雙口RAM并觸發ARM板1中斷，完成一次完整數據傳遞。

2.2LCD轉VGA模塊

LCD轉VGA只涉及信號狀態轉換，即用ARM中的LCD直接驅動LCD屏，處理的是數字信號，但通用VGA接口的TFT屏為模擬信號驅動，中間要進行數字模擬轉換芯片ADV7125。ADV7125為CMOS器件，5 V供電，330 MHz的頻率[5]。VGA接口的TFT的驅動程序，主要是ARM中LCDC驅動的編寫，對于ADV7125不需要驅動，但要保證驅動中的分辨率與VGA接口的TFT分辨率一致。

圖5 LCD轉VGA電路Fig.5 Convert circuit of LCD to VGA

2.3 GPIB總線擴展模塊

TNT4882為NI公司生產的GPIB接口專用芯片，內部集成了Turbo488以及NAT4882，并且能夠兼容ANSI IEEE Standard 488.1和 ANSI IEEE Standard 488.2規范[6]，為 GPIB系統提供了一套完整的解決方案。電路設計時應注意：

1）由于ARM 1芯片的EBI_NECS1用來擴展DPRAM，這里使用EBI_NECS2引腳；

2）TNT4882的中斷為高電平觸發，故再輸入ARM 1前要引入反相器；

3）DIO8-DIO1為GPIB數據線[7-8]8根，用于發布地址和命令，傳遞數據；ATN、REN、IFC、EOI、SRQ 為 5 條管理線，用來管理信息流，使之有秩序地通過接口母線；DAV、NRFD、NDAC為3根握手線，進行握手信息和數據傳送，以確保信息和數據的發布與傳送準確無誤。

3 結束語

文中所介紹的設計方案來源于實際項目需求。本系統采用2顆ARM控制器及周邊擴展芯片完成數據數據采集處理的各種功能。文中介紹僅為原理性方案，實際使用中使用了3塊PCB板實現，2塊ARM核心板和一塊接口板，核心板負責ARM芯片的擴展支持，接口板負責電源管理和外圍接口電路的實現。在實際的檢測過程中，該系統能夠很好的對發射機的各種信號測量結果進行數據采集與處理，并通過合適的規則判據判斷出發射機的工作狀態，基本能滿足實際項目需要。另外，由于發射機的工作頻率點高，應注意檢測系統與外界的電磁隔離，避免電磁干擾。

圖6 GPIB總線擴展電路Fig.6 Circuit of GPIB Bus

[1]鄭新，李文輝，潘厚忠，等.雷達發射機技術[M].北京：電子工業出版社，2006.

[2]Nuvoton Technology，W90P950CDG 32-bit Microcontroller Product Data Sheet [EB/OL].[2011-09-01].http://www.nuvoton.com/NR/rdonlyres/F9DD0515-2DA6-4748-8 AF4-07 958E100025/0/W90P950CDG.pdf.

[3]熊茂華，楊震倫.ARM9嵌入式系統設計與開發應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[4]Integrated Device Technology.HIGH-SPEED 3.3V 8/4K*18DUAL-PORT IDT70V35/34S/L&8/4K*16DUALPORT IDT70V25/24S/L STATIC RAM [EB/OL].[2011-08-27].http://www.idt.com/products/getdoc.cfm?docid=18654504

[5]Analog Devices.ADV7125:330MHz Triple 8-Bit High Speed Video DAC[EB/OL].[2011-08-29].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADV7125.pdf.

[6]National Instruments.NI TNT4882:High-Performance，Lower-Cost Single-Chip GPIB Talker/Listener ASIC[EB/OL].[2011-08-1].http://www.ni.com/pdf/products/us/4gpib7 02-703.pdf.

[7]李亦君.基于PXI和GPIB總線電路測試系統的開發與設計[J].現代電子技術，2010（22）:35-37.LI Yi-jun.Design of circuit test system based on PXI and GPIB[J].Modern Electronics Technique，2010（22）:35-37.

[8]劉宏勇，呂凝.基于GPIB的車載音響自動測試系統[J].現代電子技術，2009（3）:175-178.LIU Hong-yong，LV Ning.Car-audio automatic testing system based on GPIB[J].Modern Electronics Technique，2009（3）:175-178.