基于双ARM的信号检测系统的硬件设计

黄志敏，章国宝

（东南大学 自动化学院，江苏 南京 210096）

雷达发射机属于一种高频工作设备，被测发射机工作频率为 9.0～10.0 GHz[1]，要检测发射机是否工作正常，既要对其输出信号进行测量，还要对其内部工作信号进行测量，测量信号有7路电压信号、11路波形信号、3路频谱信号、1路功率信号等，被测信号较复杂。

文中设计了一种基于ARM9控制器为核心芯片的信号检测系统，用于对上述被测信号进行信号的选取与测量，并对测量数据进行读取与处理，最终生成报表给出测量结果以判断被测设备是否工作正常。

本方案使用了华邦公司生产的W90P950控制芯片，该芯片以ARM公司设计的ARM926EJ－S微处理器为内核，工作频率可达200 MHz，采用216－Pin LQFP封装，功耗低，体积小，功能强；片内集成一个10/100 Mb的以太网控制器、LCD控制器，整合了2个USB2.0控制器，包含3个串口控制器，可扩展为串口输出，集成Nand Flash控制器，为大容量存储提供了新的方式[2]。

1 系统硬件设计

发射机需要测量的信号较多，需要对被测信号进行信号切换控制；而被测信号最终需经测量仪表测量后通过GPIB控制总线上传到检测系统中，这就需要检测系统扩展实现GPIB接口电路。根据需求分析，单一的ARM控制器无法满足需求，故扩展使用两块ARM控制器来设计完成。每个ARM控制器及其外部接口扩展电路构成一块核心板，分别为ARM板1、ARM板2。系统的总体设计模块如图1所示。

图1 系统总体框架图Fig.1 System structure

ARM板1主要负责数据采集，负责GPIB总线扩展，通过GPIB总线实现对信号源、功率计、频谱仪、示波器、数字万用表、功率分析仪的远程控制与数据读取。板1还负责与PLC模块通过RS422进行通讯管理，以控制被测信号的选通与关断；ARM板2主要为数据处理模块，扩展VGA接口、两路PS2接口、两路USB2.0接口、以太网接口，其主要负责人机交互、数据记录与存储、数据冗余管理以及与总控PC进行通讯。两ARM板之间通过双口RAM进行数据交换[3]，实现如图2所示。

图2 ARM板1整体框图Fig.2 Structure of ARM Borad 1

如图2所示，在ARM板1中，W90P950通过EBI总线与SDRAM、NORFLASH、DPRAM等控制芯片直接相连，通过电平转换芯片扩展使用GPIB接口；同时使用两个串口转换芯片MAX490ESA使用RS422通讯，另一路串口使用RS232协议作为更新内部程序使用。

图3 ARM板2整体框图Fig.3 Structure of ARM borad 2

如图3所示，与ARM板1相类似，板2中也通过EBI扩展总线直接与SDRAM、NORFLASH、DPRAM控制芯片直接相连，使用两路USB接口与外部存储设备相连，保证数据存储的准确性与冗余性；同时将两路PS2接口连接鼠标与键盘，扩展LCD转VGA接口，连接显示器，方便用户与后台的交互。

2 系统中关键电路设计

2.1DPRAM模块

两ARM板之间是通过双口RAM进行数据交换与通讯控制。

双口RAM采用了IDT公司的高速8 K×16 bit的双口静态RAM芯片IDT70V25。IDT70V25是一种特殊的数据存贮器件，它具有两个完全独立的端口，各自均有一套相应的数据总线和地址总线以及读写控制线，允许2条不同的处理器总线单独或异步地读写其中任一存储单元。IDT70V25的核心部分是存储器阵列，左右两个端口公用，当两个端口对同一地址进行读写时，存在以下4种可能性：

图4 DPRAM电路Fig.4 Circuit of DPRAM

1）2个端口不同时对同一地址单元存取数；

2）2个端口同时对同一地址单元读出数据；

3）一个写入数据，另一个读出数据；

4）2个端口同时对同一地址单元写入数据。

其中，前2种情况2个端口的存取不会出现错误，第3种情况会出现读错误，第4种情况会发生写错误。

为了避免出现上述读写错误，IDT70V25有以下几种仲裁方式[4]：

1）逻辑忙 IDT70V25两侧端口都有BUS Y信号输出，两侧端口均不访问内部RAM时为高电平。在两个端口同时访问内存时，通过判断使先访问内存的一方对应的BUS Y信号为高电平，允许读写数据；后访问内存的一方对应的BUS Y信号为低电平，禁止对内存进行写操作。由于内部仲裁逻辑不会使两个BUS Y信号同时为低电平，可保证数据稳定正确的传输。

2）中断仲裁 当左端口写操作（CEL=R/WL=0），且在IDT70V25地址1FFF中进行写操作时，右端口的中断标志INTL为低电平，向右端口发出中断请求；同理，当右端口写操作 （CER=R/WR=0），且在IDT70V25地址1FFE中进行写操作时，左端口的中断标志INTR为低电平，向左端口发出中断请求。

3）信号传递 IDT70V25提供有标识电路（即令牌SEM），可把一个端口使用双口RAM的状态传送到另一个端口。它内部有8个二进制的地址信号标志位，它们可以通过系统软件设置使左右任一个通道享有高出另外一个的特权，通过此方案传送数据，可实现数据的高速无等待状态的传送。

采用逻辑忙的方式访问双口RAM时，ARM每次读写内存前均要判断BUSY信号状态，影响了ARM的实时性。信号传递仲裁方式虽然实时性高，但每次上电后设置复杂。本设计选择中断信号的仲裁方式，其中ARM板1作为主处理器，在每次控制周期启动时写双口RAM并触发ARM板2双口RAM中断；ARM板2在收到数据，进行数据记录、存储校验后将应答命令写双口RAM并触发ARM板1中断，完成一次完整数据传递。

2.2LCD转VGA模块

LCD转VGA只涉及信号状态转换，即用ARM中的LCD直接驱动LCD屏，处理的是数字信号，但通用VGA接口的TFT屏为模拟信号驱动，中间要进行数字模拟转换芯片ADV7125。ADV7125为CMOS器件，5 V供电，330 MHz的频率[5]。VGA接口的TFT的驱动程序，主要是ARM中LCDC驱动的编写，对于ADV7125不需要驱动，但要保证驱动中的分辨率与VGA接口的TFT分辨率一致。

图5 LCD转VGA电路Fig.5 Convert circuit of LCD to VGA

2.3 GPIB总线扩展模块

TNT4882为NI公司生产的GPIB接口专用芯片，内部集成了Turbo488以及NAT4882，并且能够兼容ANSI IEEE Standard 488.1和 ANSI IEEE Standard 488.2规范[6]，为 GPIB系统提供了一套完整的解决方案。电路设计时应注意：

1）由于ARM 1芯片的EBI_NECS1用来扩展DPRAM，这里使用EBI_NECS2引脚；

2）TNT4882的中断为高电平触发，故再输入ARM 1前要引入反相器；

3）DIO8-DIO1为GPIB数据线[7-8]8根，用于发布地址和命令，传递数据；ATN、REN、IFC、EOI、SRQ 为 5 条管理线，用来管理信息流，使之有秩序地通过接口母线；DAV、NRFD、NDAC为3根握手线，进行握手信息和数据传送，以确保信息和数据的发布与传送准确无误。

3 结束语

文中所介绍的设计方案来源于实际项目需求。本系统采用2颗ARM控制器及周边扩展芯片完成数据数据采集处理的各种功能。文中介绍仅为原理性方案，实际使用中使用了3块PCB板实现，2块ARM核心板和一块接口板，核心板负责ARM芯片的扩展支持，接口板负责电源管理和外围接口电路的实现。在实际的检测过程中，该系统能够很好的对发射机的各种信号测量结果进行数据采集与处理，并通过合适的规则判据判断出发射机的工作状态，基本能满足实际项目需要。另外，由于发射机的工作频率点高，应注意检测系统与外界的电磁隔离，避免电磁干扰。

图6 GPIB总线扩展电路Fig.6 Circuit of GPIB Bus

[1]郑新，李文辉，潘厚忠，等.雷达发射机技术[M].北京：电子工业出版社，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]熊茂华，杨震伦.ARM9嵌入式系统设计与开发应用[M].北京：清华大学出版社，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总线电路测试系统的开发与设计[J].现代电子技术，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]刘宏勇，吕凝.基于GPIB的车载音响自动测试系统[J].现代电子技术，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.