摘 要　對偽隨機(jī)序列在工程中的應(yīng)用進(jìn)行了簡要的介紹，闡述了基于TMS320VC5402開發(fā)通用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器與外設(shè)通信的接口設(shè)計(jì), 給出了硬、軟件設(shè)計(jì)的具體方法和思想。 　　關(guān)鍵詞　隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，TMS320VC5402，ISP1581，USB接口，RS232接口，D/A轉(zhuǎn)換 Design of Transmission Interface of Universal Random Test Apparatus Base on DSP 　　Xu Zhengyan Han Yueqiu 　　(Department of Electronics Engineering，School of Information Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081) 　　Abstract In this paper，a brief introduction about the application of pseudorandom number in engineering，a communication interface design of Universal Random Test Apparatus base on TMS320VC5402 are described，and idiographic methods and idea of hardware、software design are provided. 　　Keywords Random Number Generator，TMS320VC5402，ISP1581，The Interface of USB，The Interface of RS232，The Conversion of D/A 1　 引　言 　　隨機(jī)序列或偽隨機(jī)碼的應(yīng)用范圍非常廣泛,在通信（包括擴(kuò)頻通信、衛(wèi)星、保密通信和常規(guī)通信等）、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙控、測量以及自控等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。如雷達(dá)接收機(jī)的熱噪聲功率譜呈白色，幅度近似于高斯分布；均勻分布的隨機(jī)數(shù)廣泛應(yīng)用于電路內(nèi)系統(tǒng)性能測試及統(tǒng)計(jì)處理中；指數(shù)分布隨機(jī)數(shù)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸及電子測量中；瑞利分布隨機(jī)數(shù)廣泛應(yīng)用于通訊系統(tǒng)。因此，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及知識(shí)的更新，隨機(jī)序列的應(yīng)用顯得尤為重要。本文著重于開發(fā)通用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器與外部設(shè)備的通信接口設(shè)計(jì)，以使隨機(jī)序列在工程中得到廣泛的應(yīng)用。 2 整體設(shè)計(jì)方案及測試儀的功能簡介 　　本設(shè)計(jì)中利用FPGA實(shí)現(xiàn)的通用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器具有以下的性能指標(biāo)：一是隨機(jī)數(shù)的實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)133×4Mbyte/s;二是合成的隨機(jī)數(shù)具有超長周期再重復(fù)，周期長度能達(dá)到248個(gè)時(shí)鐘周期，比計(jì)算機(jī)合成的隨機(jī)數(shù)周期長220倍；三是精度高，均勻分布隨機(jī)數(shù)與指數(shù)分布隨機(jī)數(shù)的精度達(dá)到15位，瑞利分布隨機(jī)數(shù)精度達(dá)到14位，高斯白噪聲的精度也達(dá)到13位；四是可靠性高，通過一個(gè)芯片解決了以往在雷達(dá)回波模擬中只有PC才能解決的難題，除占用PCB面積小外，可靠性也優(yōu)于PC機(jī)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。 　　既然偽隨機(jī)序列在通信和雷達(dá)等工程中的作用非常突出，因此,為實(shí)現(xiàn)通用隨機(jī)數(shù)測試儀的最大通用性，在通用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生多種分布的偽隨機(jī)序列基礎(chǔ)上，還需設(shè)計(jì)靈活的外圍設(shè)備接口。本設(shè)計(jì)正是以此為重點(diǎn)，開發(fā)通用隨機(jī)數(shù)測試儀的USB接口、RS232接口，并滿足視頻輸出的要求。例如信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、低通濾波后，可還原成系統(tǒng)需要的模擬信號， I、Q兩路正交輸出的視頻信號，可供雷達(dá)接收機(jī)作為噪聲的模擬源。 3 各接口的實(shí)現(xiàn) 3.1 USB接口的實(shí)現(xiàn) 　　本設(shè)計(jì)中選擇TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5402作為主控制器，Philips公司生產(chǎn)的ISP1581作為USB 接口器件。 　　TMS320VC5402是TI公司生產(chǎn)的低功耗、高性能的DSP芯片，有如下的性能特點(diǎn)：①處理性能好，運(yùn)算速度達(dá)100MIPS/s; ②優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)，內(nèi)含有一個(gè)40位的算術(shù)單元，包括40位的桶形移位器和兩個(gè)獨(dú)立的累加器，一個(gè)17位的乘法器，有4條內(nèi)部總線和2個(gè)地址產(chǎn)生器；③低功耗，可以在3.3V I/O電壓和1.8V內(nèi)核電壓下工作；④智能外設(shè)，具有標(biāo)準(zhǔn)的串行口、時(shí)分復(fù)用（TDM）串行口，多通道帶緩沖串行口McBSP和與外部處理器通信的HPI接口；⑤內(nèi)部有16K片內(nèi)RAM和4K片內(nèi)ROM。 　　USB協(xié)議層的相關(guān)通訊協(xié)議通過ISP1581接口芯片來實(shí)現(xiàn), 作為高速USB 接口器件，ISP1581不僅具有一般USB設(shè)備具有的特點(diǎn)外，還具有許多自身的特點(diǎn)，主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能如下：①ISP1581同大部分的微處理器/控制器有單獨(dú)的接口，接口由管腳BUS_CONF、MODE1和MODE0共同設(shè)置；②內(nèi)部含有兩種總線結(jié)構(gòu)配置，即通用處理器工作模式和斷開總線工作模式，上電時(shí)由輸入管腳（BUS_CONF）進(jìn)行選擇；③ISP1581和外部存儲(chǔ)器設(shè)備之間的大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸是通過集成的DMA控制器來完成的。通過“寫”對應(yīng)的DMA寄存器來配置DMA接口；④ISP1581支持高速和最初USB規(guī)范的信道，USB信道速度的檢測是自動(dòng)完成的；⑤可通過軟件控制與USB總線的連接、可內(nèi)部上電復(fù)位和低電壓復(fù)位，也可通過軟件復(fù)位。正是VC5402和ISP1581的低價(jià)格及高性能的優(yōu)勢，本設(shè)計(jì)選擇它們作為主處理器和USB 接口器件。其硬件原理如圖2（a）、（b）所示。 　　因DSP對I/O設(shè)備的訪問對象為通用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、USB接口芯片ISP1581的訪問，故ISP1581的片選信號可由反相后的地址線A08與DSP的I/O空間片選信號,IS相或后的信號來控制。ISP1581讀信號由反相后的讀寫信號R/W與DSP的I/O訪問選通信號IOSTRB相或后所得的信號控制，寫信號則由讀寫信號R/W與DSP的I/O訪問選通信號IOSTRB相或后所得的信號控制。ISP1581的中斷INT與DSP的可屏蔽中斷INT1直接相連。將DSP的多通道緩沖串行口信號BDX0配置為通用輸出口控制ISP181的喚醒信號WAKEUP。12MHz的晶振和兩個(gè)20pf的電容組成ISP1581的時(shí)鐘基準(zhǔn)電路。 　　ISP1581的固件程序可分為主循環(huán)程序、中斷服務(wù)程序和請求處理程序。主循環(huán)程序的主體是個(gè)無限循環(huán)，只專注于數(shù)據(jù)處理，循環(huán)查詢一些標(biāo)志，確認(rèn)標(biāo)志有效則進(jìn)入對應(yīng)子程序的處理；中斷服務(wù)程序處理ISP1581的硬件中斷，根據(jù)中斷原因的不同設(shè)置不同的標(biāo)志，以最大可能速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；請求處理程序?qū)��?biāo)準(zhǔn)設(shè)備和廠商請求處理。 　　主循環(huán)程序設(shè)計(jì)中將寄存器地址映射到I/O空間，對寄存器的讀寫改為I/O讀寫方式。通過寫索引寄存器選中端點(diǎn)，然后對數(shù)據(jù)端口寄存器進(jìn)行讀寫。為讓USB有更多的時(shí)間處理其它需要及時(shí)響應(yīng)的中斷，提高數(shù)據(jù)傳輸率，可在主循環(huán)程序中編寫端點(diǎn)讀寫的程序。 　　中斷服務(wù)程序中需要處理的中斷有setup中斷、sof、喚醒、掛起、高速狀態(tài)檢查、端點(diǎn)的中斷。在setup中斷中首先讀setup包的內(nèi)容，設(shè)置標(biāo)志位，主循環(huán)查詢到不同的標(biāo)志后，執(zhí)行相應(yīng)的請求處理程序。端點(diǎn)0中斷中，除讀寫數(shù)據(jù)外，還需給主機(jī)發(fā)送不同情況的握手信號。 　　請求處理程序負(fù)責(zé)處理枚舉階段主機(jī)發(fā)給設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)請求，以及正常工作時(shí)主機(jī)發(fā)送的廠商請求。 3.2 異步串行口的實(shí)現(xiàn) 　　本設(shè)計(jì)中，偽隨機(jī)序列可通過異步串行接口（UART）與其它設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)其在各項(xiàng)目中的廣泛應(yīng)用，也可將其送至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和顯示。可利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序豐富的圖形界面，良好的人機(jī)接口，通過計(jì)算機(jī)顯示的圖形畫面可進(jìn)一步驗(yàn)證以及調(diào)整隨機(jī)數(shù)發(fā)生器合成的隨機(jī)數(shù)的分布。 　　數(shù)據(jù)通信方式有并行和串行兩種，串行方式又分同步串行和異步串行。由于異步通信使用方便、簡單，硬件設(shè)備價(jià)格也低，并允許作不定時(shí)的發(fā)送，所以應(yīng)用廣泛。異步串行通信的幀格式以字符為單位，字符數(shù)據(jù)可以是5至8位，典型應(yīng)用為8位，數(shù)據(jù)低位在前，高位在后，在每個(gè)字符前必須有一個(gè)邏輯“0”的起始位，數(shù)據(jù)位后可能有一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，以判斷接收到的數(shù)據(jù)的正誤。最后定義1位、1.5位或2位為邏輯“1”的停止位。其硬件原理如圖3所示。 　　在RS-232C協(xié)議中，邏輯“0”定義成正電平（+3～+15V）,邏輯“1”定義成負(fù)電平（-3～-15V）。而DSP芯片管腿采用的電平為TTL電平，故DSP芯片想要與RS-232C接口相連時(shí)，必須將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成RS-232C電平信號才能連接。本設(shè)計(jì)中選用MAX232芯片當(dāng)作電平轉(zhuǎn)換接口，來提供RS232所需的接口電壓電平。 　　因TMS320C54X系列DSP芯片沒有提供標(biāo)準(zhǔn)的UART接口，故本設(shè)計(jì)中利用通用的I/O口線XF和BIO構(gòu)成串口，用軟件來設(shè)定波特率，用最少的硬件資源來實(shí)現(xiàn)通用異步接受和發(fā)送。DSP通過XF管腳向RS232發(fā)送串行數(shù)據(jù)，通過BIO管腳接收來自RS232接口的串行數(shù)據(jù)，且BIO和INT0相連，可以避免頻繁檢測接收管腳的電平。每當(dāng)接收端接收到第一個(gè)低電平，認(rèn)為是接收字節(jié)的開始位，每次在每個(gè)比特的中間位置判決電平，可最大限度地防止誤判的發(fā)生。其軟件框圖如圖4所示。程序用C語言實(shí)現(xiàn)，在開啟定時(shí)器至定時(shí)器中斷響應(yīng)這1比特的延時(shí)等待函數(shù)可用while循環(huán)實(shí)現(xiàn)。首先設(shè)一個(gè)標(biāo)志FLAG=‘F’，在中斷響應(yīng)函數(shù)中置FLAG=‘T’，主函數(shù)中用while循環(huán)一直等待FLAG變?yōu)椤甌’，如檢測到FLAG變?yōu)椤甌’,則可知一比特定時(shí)時(shí)間的結(jié)束，同時(shí)在while循環(huán)中將FLAG變?yōu)橹脼椤瓼’，準(zhǔn)備下一次的定時(shí)。在int0中斷響應(yīng)函數(shù)中，有一點(diǎn)很關(guān)鍵，在關(guān)閉int0中斷的同時(shí)不能將定時(shí)器中斷關(guān)閉，以免在接收函數(shù)中無法實(shí)現(xiàn)定時(shí)器的定時(shí)；開啟定時(shí)器時(shí)也切忌將int0中斷打開，以免一個(gè)數(shù)據(jù)未結(jié)束又重新進(jìn)入int0中斷。 3.3 D/A轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn) 　　通用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器與DAC（AD9713BAN）是通過隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的并行I/O接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的。AD9713B是AD公司生產(chǎn)的特殊用途的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其性能指標(biāo)為：100MSPS、12-bit、ECL/TTL兼容、SFDR@1MHz、70dBc、快速27ns建立時(shí)間、725mW低功耗、單極性輸出、邊沿觸發(fā)、內(nèi)有參考電壓和緩沖運(yùn)放、輸入是直接的二進(jìn)制碼格式。D/A轉(zhuǎn)換的硬件原理如圖5所示。 　　AD9713的鎖存使能信號由通用隨機(jī)數(shù)的異步讀信號控制，當(dāng)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器芯片內(nèi)全部計(jì)算單元處在激活狀態(tài)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)時(shí)，且AD9713的鎖存使能信號(LATCH ENABLE)低有效時(shí)，數(shù)據(jù)寫入DAC，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中還使用運(yùn)放AD8056構(gòu)成增益調(diào)整電路。 4　系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題 　　不論哪一種電源結(jié)構(gòu)都存在噪聲問題，都需要進(jìn)行濾波，通常由旁路去耦電容來完成。旁路電容的主要作用是產(chǎn)生一個(gè)交流分路，從而消去進(jìn)入易感區(qū)的那些不需要的能量。任何電容都有一定的頻率響應(yīng)特性，為濾除系統(tǒng)的高頻和低頻噪聲，增大濾波范圍，應(yīng)將一個(gè)低ESL（等效串聯(lián)電感）的大電容器與一個(gè)很低ESL的小電容并聯(lián)起來使用，可以提高濾波頻率范圍，并且應(yīng)盡可能使他們放在靠近電源輸入處以幫助濾除高頻噪聲。 　　高速模擬信號易受數(shù)字地回路噪聲的影響，特別是模擬數(shù)字混合系統(tǒng)要注意接地問題，除了電源端一點(diǎn)相接外，數(shù)字地和模擬地應(yīng)分開。比如，放大器會(huì)把開關(guān)數(shù)字噪聲放大，造成錯(cuò)誤輸出。 　　對于大多數(shù)微處理器，高阻輸入引腳易受到噪聲的影響，并且在非正常終端時(shí)會(huì)引起寄存器鎖存錯(cuò)誤的電平。一個(gè)非內(nèi)部終端的輸入引腳需要有高阻抗（例如4.7kΩ或10kΩ）連接每個(gè)引腳到地或到供電電平，以確保一個(gè)可知的邏輯狀態(tài)，由于中斷引腳和復(fù)位引腳是元件中最敏感的引腳之一，故需考慮噪聲的影響。本設(shè)計(jì)對DSP中未使用的敏感引腳如INT2、INT3、NMI在接上4.7K的電阻后都連接到供電電源。 　　在一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可避免地會(huì)使用不同供電電壓的模塊和許多不同邏輯標(biāo)準(zhǔn)的器件，因此，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)還需解決不同的邏輯電平信號間的接口問題，如上述的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片就是一個(gè)例子，又如當(dāng)1.8V的數(shù)字電路與工作在3.3V的模擬電路進(jìn)行通信時(shí)，需要首先解決兩種電平的轉(zhuǎn)換問題。 5 結(jié)束語 　　為實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)測試儀在工程應(yīng)用中的通用性，已設(shè)計(jì)了測試儀靈活的外圍設(shè)備接口。通用隨機(jī)數(shù)測試儀的USB接口，RS232接口以及D/A轉(zhuǎn)換模擬輸出經(jīng)實(shí)踐證明它是完全可行和可靠的。