如何利用PC104总线实现2FSK调制器的设计？

本调制器是一种基于PC104总线的嵌入式系统的外围设备，嵌入式计算机系统通过PC104总线将数据发送到端口，调制器接收数据并进行调制后，将信号输出到受控设备，从而对相应设备起到控制的功能。在本调制器的硬件电路中使用FPGA，提高了系统的通用性。

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李刚

2021-4-30 10:09:20

嵌入式计算机系统在现代工业控制中发挥着越来越重要的作用，它具有便携、可靠、低功耗、通用、易扩展等诸多优点。使用嵌入式系统进行工业控制要涉及到计算机数据的传输、采集、调制解调等一系列问题。
本调制器是一种基于PC104总线的嵌入式系统的外围设备，嵌入式计算机系统通过PC104总线将数据发送到端口，调制器接收数据并进行调制后，将信号输出到受控设备，从而对相应设备起到控制的功能。在本调制器的硬件电路中使用FPGA，提高了系统的通用性。
1总体结构
该调制器实现的功能主要包括：识别并接收总线发送的数据；根据不同地址控制信号将数据按路区分（共四路）；每路分别将数据按照连续调制的方式进行2FSK调制；对调制后的信号进行放大整形并发送到端口。
因此，该调制器的电路部分分别包括数据接收部分、FPGA及外围电路（实现数据分路及数字调制功能）、D／A转换电路、放大滤波电路等。系统总体结构如图1所示。

2 PC104总线及数据接收电路
PC104总线是专门为嵌入式系统开发的系统总线，是一种自堆栈式、模块化的总线，它基于ISA总线发展而来，有16位和8位两种接口方式（分别为64+40引脚和 64引脚端口结构），该总线具有结构紧凑、便携、可靠、功耗低、易扩展等优点。对于工程开发而言，常用的引脚主要有以下几个：
SD0～SD7，SD8～SD15：数据总线，当采用8位接口方式时，只有SD0～SD7工作；
SA0～SA19，LA17～LA23：地址信号，对端口进行操作时使用SA0～SA9；
AEN：DMA选通信号，为高电平时表示处于DMA模式；
IOW，IOR：端口写、读信号，低电平有效；
SYSCLK：系统提供的基准时钟信号，是标准的方波信号，约为8 MHz；
VCC，GND，+12 V，-12 V：系统提供的电源接口。
数据接收电路就是要在正确的时序上将所需的数据进行提取，还要实现将电路工作状态传送回总线，以便总线决定是否发送下组数据的功能。由于PC104总线最高支持约8 MHz的时钟频率，而受控设备所需的2FSK信号频率为几千赫兹，因此这里只用8位数据总线就完全能够满足要求。

总线接收电路如图2所示。其中SD0～SD9，SA0～SA9是从总线发来的数据、地址信号，SEL0～SEL3为分路选择信号， ANSWER0～ANSWER3为FPGA的状态返回信号，由于总线速度要比2FSK输出速度高得多，因此，总线要对FPGA数据缓存器是否为空进行查询，当FPGA没有完成数据转换时，总线要等下个周期，直到状态返回信号显示FPGA内部为空时，总线才可以发送下组数据到FPGA。74LS273负责将每路的数据分别进行锁存，4路数据共使用4个。OUT1D0～D7为第一路8位数据输出，LOCK0为其控制信号，表示数据的更新。
3 FPGA及其外围电路
FPGA具有集成度高、设计灵活、易于修改、节省空间、通用性高等优点。本调制器中FPGA采用的是Altera公司的EPF10K20TC144-4器件，该器件具有20 000个典型门，1 153个逻辑单元，144引脚，包括2个全局输入时钟，4个全局输入，86个通用可编程I／O引脚。该芯片采用TQFP封装，芯片面积较小，功耗低，其输入、输出与TTL，与PC104总线电平完全兼容。FPGA电路主要实现的功能为：接收数据提取电路发送的分路数据；以总线上的SYSCLK时钟为基准，通过分频产生受控设备能识别的频率；为每路输出进行2FSK的数字调制，保证信号的连续性；完成本身的FPGA电路配置。
FPGA配置电路如图3所示。

FPGA的配置使用PS和JTAG两种方式，既能实现JTAG方式下电路在线调试，又能保证调试完成后能够正确使用相应的配置器件。其中 JP5*2插座为JTAG配置端口，TDI、TDO、TMS、TCK为JTAG配置引脚，该配置方式采用BlasterMV线，通过配置计算机的并口与电路板配置端口进行连接，用于将编写好的配置数据实时传送到FPGA，该方式主要用于电路调试；EPC1PC8为FPGA配置器件，采用PS（被动串行）配置方式，由于FPGA内部存储器属于易失性RAM存储，因此每次加电后都要将程序重新写入FPGA，配置器件本身就是存储器，其主要作用就是在每次加电后将程序写入FPGA，保证调试完毕的电路能够正常单独进行工作。
来自前级电路的数据及控制信号、发到D／A转换电路的数据都连接到FPGA芯片的通用I／O引脚，通过编程实现所需功能。对FPGA的编程使用 Altera公司的QuartusⅡ软件，该软件采用图形化与VHDL语言混合编程，易于调试修改。编程实现的主要功能为：对输入数据进行锁存移位，确保每位数据都能得到正确处理；产生两组分频时钟参与2FSK调制，并使分频后的时钟按照时序进入数字调制器；数字调制器负责将不同频率始终按照顺序依次产生连续量化的8位正弦波数字量输出到端口。
本设计中由于采用两种频率分时产生，按时序进入调制器，而正弦波数字调制器单独工作的方法，保证了输出正弦波具有连续的相位，不会产生相位突变。
4 D／A转换电路
D／A转换共包括四路，其主要功能是将FPGA输出的已调制好的2FSK数字信号转换为正弦波信号。由于FPGA在进行数字调制时产生的是连续量化的正弦波形，两个频率之间不存在相位的突变，不会存在大量的高频杂波，因此，后期的信号处理电路使用放大电路与简单的π型滤波器对信号进行处理即可得到比较理想的2FSK信号。
D／A转换电路如图4所示。

此电路采用AD7524作为D／A转换器，AD7524属于T型电阻网络型DAC，电流输出，8位数字输入，输出建立时间0.2μs／0.15μs，其数字输入端可采用5 V／15 V两种输入，本电路采用兼容TTL电平的5 V输入。电路中将其输入控制端CS、WR同时接地，当有来自FPGA的数据AD101～7输入时无需锁存，直接进行转换，因此要求FPGA的输出要具有锁存功能，此接法可减少输出控制线，减少时序干扰。R1AD1和R1AD2为D／A输出波形调整电阻，主要用于调整波形位置，不致产生失真。D／A输出采用双极性接法，通过两路LM324通用放大器进行电压放大，输出2FSK信号。图5（a）为经过D／A转换后输出的波形在示波器上的截图，由图中可以看到，数字调制并经D／A转换后，波形是一种阶梯状正弦波，且波形连续，频率变换交界处无相位突变。该信号经过双极性放大器放大并通过π型滤波器后变成如图5（b）所示的连续正弦波。

5结语
采用FPGA进行2FSK调制不但能产生连续相位，还能通过软件直接修改其调制方式、产生频率等一系列参数，具有很好的通用性。
本电路中数据提取电路属于原理性电路，实际设计中可将该部分电路置于FPGA内部进行设计，而系统参考时钟SYSCLK可接在FPGA的全局时钟输入端，减少延迟差异。

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