【学术论文】基于PCIe总线的卫星导航信号传输系统设计

摘要：

为了满足高精度软件接收机对卫星导航中频信号传输系统的新要求，设计了一种基于PCIe总线的传输系统。该系统以Virtex-5 FPGA为核心控制器件，以DMA方式通过4通道PCIe接口传输导航卫星数据。详细介绍传输系统AD模块、DMA控制模块、中断模块等核心模块的FPGA实现方法。经过测试与验证，系统读写速率分别达到了800 MB/s和650 MB/s,可以满足不同层次导航软件接收机对原始导航数据的需求。

中文引用格式：蔡晓晖,郑植,李浩.基于PCIe总线的卫星导航信号传输系统设计[J].电子技术应用,2015,41(06):24-26+30.

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0 引言

近年来，随着软件无线电技术的快速发展，GNSS软件接收机因其高度的灵活性、通用性、开放性等优点，成为GNSS接收机的发展主流^[1]。GNSS数据传输系统作为软件接收机的硬件部分，通过射频接收、A/D转换、数字采集与传输等模块为GNSS软件接收机提供原始的观察数据，原始数据的质量在一定程度上影响着软件接收机对原始数据的要求。

目前导航中频信号的传输系统大都基于USB、PCI总线^[2-3]，采样速率、数据传输速率都越来越无法满足高性能软件接收机的需求，PCIe作为第三代的高性能I/O串行总线，在总线带宽、传输速率、灵活性等方面都有了较大的提升，根据实际系统的不同，它可以灵活配置成X1、X4、X8和X16通道，单通道在每个方向上的发送与接收速率可以达到2.5 Gb/s，可以满足各种软件接收机对原始导航数据的需求。

1 系统组成

本文所设计的导航数字中频信号传输系统由A/D模块、Xilinx、PCIe IP硬核+PCIe-DMA控制模块、数据缓存模块组成，系统基本结构如图1所示。A/D模块接收射频前端产生的模拟中频型号，对其进行240 MS/s的采样；FPGA完成A/D的控制逻辑及采样后信号的数字处理，同时FPGA还产生PCIe硬核的DMA控制逻辑，将最终的导航数据通过PCIe接口传输到上位机。

2 系统关键模块设计

2.1 A/D模块设计

模数转换器（ADC）是采集系统的关键器件之一。系统采用AD9467实现数据转换功能，AD9467是一款量化精度为16 bit、采样时钟频率高达250 MHz的模数转换器，具有优异的性能。该模块接收射频前端模块经下变频产生的模拟中频信号，考虑到GNSS各频段导航信号(包括GPS、GLONSS、GALILEO以及北斗)为大约210 MHz^[4]的带通信号(见表1)以及整数倍频率抽取两个因素，将A/D采样频率设置为240 MS/s，采样后的数据经过FPGA数字处理模块后变成IQ数据，采样率变为20 Mb/s，通过数据缓存，经PCIe接口传输到上位机。

2.2 PCIe-DMA控制模块设计

本系统采用Xilinx公司的Virtex5-XC5VFX70T芯片，该芯片集成了PCIe硬核，实现了X4通道的PCIe接口。系统的DMA控制逻辑原理框图如图2所示，其主要包含PCIe配置空间接口设计、发送模块、接收模块以及中断控制模块。

2.2.1 PCIE接口的配置空间

PCI Express配置空间与驱动程序设计密切相关，它是PCI Express传输卡与上位机的接口管理部分。配置寄存器空间用来与上位机进行交流，上位机驱动程序主要通过这组寄存器对传输卡进行控制。而FPGA端则根据上位机在配置寄存器中的具体参数来完成DMA传输。表2列出了这组寄存器的具体名称及偏移地址。

2.2.2 数据发送模块

在本设计中，发送数据模块(TX_ENGING)接收经A/D采样、数字处理后的导航信号，根据上位机的DMA读请求，将导航数据组织成相应的TLP包[5]发送至上位机。其帧头格式如图3所示。

初始状态下状态机处于TX_RXT复位状态，如图4所示，其有效转换状态可以概括为以下几点：

(1)发送CPLD包：TX端带数据的完成包主要响应上位机对配置空间的读请求，当板卡RX端收到上位机的DMA读请求后，会由开始状态进入发送CPLD包的状态，根据读请求包中的地址信息，将配置空间对应寄存器中数据返回给上位机。

(2)发送存储器写数据包（MWR包）：在配置寄存器中存储着每次DMA写操作的相关参数，当DMA写开始后，TX端会根据上述寄存器参数来组织发送相应的MWR包。

(3)发送存储器读数据包（MRD包）：该数据包用来读取上位机的回传数据，当DMA读开始后，TX端会根据配置寄存器参数组织发送相应的MRD包。

2.2.3 数据接收模块

接收端（RX_ENGING）接收上位机经PCIe IP硬核传输过来的TLP包，其状态机设计如图5所示，可以大致分为以下几种状态跳转：

（1）接收完成包（CPLD包）：当TX端发出对上位机的读请求后，RX端会收到上位机发出的CPLD完成包，其中包内的数据即为所要读取的PC端数据，此时状态机进入CPLD状态，开始接收PC端的数据。

（2）接收存储器写数据包（MWR包）和存储器读数据包（MRD包）：PC端能够读写板卡的范围只能是配置空间的配置寄存器，并且每次读写只能是一个双字。PC端通过读写BAR空间来实现板卡与上位机的“交流”，大致可以概括为以下两点：

①对于DMA写操作：PC端通过MWR包来设置相应寄存器的值，主要包含：WriteDMATLPAddress、WriteDMATLPSize、WriteDMATLPCount、DCSR2、INT。通过MRD包来读取相应寄存器的值，在DMA写过程中主要读取DMA写结束寄存器来判断DMA写是否结束。

②对于DMA读操作：PC端通过MWR包来设置相应寄存器的值，主要包含：ReadDMATLPAddress、ReadDMATLPSize、WriteDMATLPCount、DCSR2、INT。通过MRD包来读取相应寄存器的值，在DMA读过程中主要读取DMA读结束寄存器来判断DMA读是否结束。

其操作配置空间寄存器流程如图6所示。

2.2.4 中断控制模块

中断是为计算机处理紧急事件或非预测事件而设计的，也是PCIe传输系统设计的重要组成部分^[6]，优良的中断设计可以有效提高整个系统的性能。在Xilinx平台中，发出中断主要操作核的4个信号，其时序图如图7所示，cfg_interrupt_n为中断信号，在整个中断周期内拉低两次，第一次表示发出中断，第二次表示清除中断。

设置配置空间偏移地址0x50为中断寄存器，其具体格式如表3所示。当DMA读或者写完成后，FPGA发出相应的读写完成中断到上位机，同时将中断寄存器中的中断有效位和读/写位置1，上位机驱动收到该中断后，读取BAR空间中断寄存器的值，判断中断类型，进入相应中断处理程序，此后FPGA端发出清除中断信号，同时将中断寄存器各位置0，当上位机收到该信号后，跳出中断控制程序，数据传输结束。

3 实验与测试

数据采集传输卡设计完成后，在基于PCIe的总线的上位机上进行测试，A/D端接入射频前端的模拟中频信号，经数据处理、缓存后送入PCIe总线并传入上位机，FPGA程序使用Verilog语言编写，在ISE开发环境进行设计和测试，上位机驱动采用微软的驱动开发环境WDF（Windows Driver Foundation）。系统集成后首先利用ISE ChipScope工具对硬件逻辑设计部分进行验证，图8所示为一次导航数据DMA传输的时序图，为了便于观察时序，设置一次传输DMA的包个数为100。时序分析可知，中断控制信号cfg_interrupt_n在数据发送端口trn_td发送完数据包后，连续两次有效，最终完成一次DMA的传输。

考虑到上位机对FPGA发出的PCIe的中断处理需要一定时间，而这个时间在DMA传输数据量较小时对系统性能影响较大，因此在速度测试时参考了3个速度，分别是传输卡、设备驱动以及应用程序，传输卡速度为PCIe传输接口上的总线速度，不考虑上位机的中断响应时间，测试结果如图9、图10所示。结果表明，在传输数据较小时由于上位机中断处理所需时间，驱动层与应用层读写速度较慢；当传输数据逐渐增大后，三者传输速度趋于一致，DMA写速度为800 MB/s，DMA读速度为630 MB/s。

4 结论

本文设计了一种基于Virtex-5 FPGA的4通道PCIe导航中频信号传输系统，经过测试与验证，该系统能够满足了高精度软件接收机对导航原始数据的需求，与目前主流的基于USB、PCI总线的导航中频信号传输系统相比，本系统在信号采集速率、传输速度方面都具有明显的优势。同时该系统的设计方法也可以推广到雷达、通信、图像处理等高速数据传输领域。

参考文献

[1] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2] 胡滨，王庆，严伟.基于USB和FPGA的GPS中频信号采集平台设计[J].舰船电子对抗，2009(9)：63-66.

[3] 贾志宏，崔晓伟.室内GPS的数字化采集设计[J].科学技术与工程，2012(9)：7031-7034.

[4] 邓仕海，姚铮.全频段多系统全球导航卫星系统数据采集系统的设计与实现[J].科学技术与工程，2014(1)：191-194.

[5] 候杭呈，王忆文，李辉.一种基于PCI Express总线的DMA高速传输系统[J].微电子学，2013(6)：383-386.

[6] 唐雷雷，贺占庄.PCI Express总线中消息中断的研究[J].微电子学与计算机，2013(7)：137-140.