適于底層協議棧開發的數據采集與仿真系統
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1 數據采集系統
數據采集系統主要完成從正在工作中的通信終端中采集數據的任務。
1.1 采集點的選擇
整個通信系統中有多個數據采集切入點可選，可以對中頻信號直接采樣，也可以對基帶信號采樣，還可以通過模擬系統中的AD數據接收時序，直接接收AD輸出數據。但前兩種采集點不能確保采集到的信號數據與DSP輸入數據完全一致，而模擬AD數據時序的方式則可能影響DSP與AD之間的主從關系，影響DSP協議棧的正常運行，而且各種外部中斷的采集也比較困難。因而最為穩妥的方式是DSP通過數據總線輸出其接收到的數據。這種方法的缺點是需要占用DSP少量資源，但這與協議棧運行相比，完全可以忽略不計，不計不會影響協議棧本身的運行。
1.2 硬件連接
參考文獻[1]對各種數據采集系統進行了分析比較，并指出USB總線為數據采集卡與PC機較理想的接口，因此選用CY68013A作為USB接口芯片。采用1片FPGA進行DSP與CY68013A之間數據格式的轉換，CY68013A固件程序存放在E2PROM中，通過I2C總線連接,連接方式如圖1所示。
其中，DSP除了輸出16位數據總線之外，還引出7位地址線（A0～A6），用以區分不同的數據類型。FPGA須將DSP外部總線輸出的數據格式轉換為CY68013A外部GPIF可兼容的格式。
1.3 FPGA程序設計
CY68013A外部GPIF端口可作為數據輸入端口的僅有16位（FD0～FD15），而DSP輸出的信息數據一共有23位(16位數據線D0~D15和7位地址線A0~A6)，故而需要將多出的7位地址信息嵌入到數據中去。將1個16位數據拆分成2個，每個數據中的低8位(FD0～FD7)用于存儲原數據信息(D0~D7或D8~D15)，高7位(FD8～FD14）存放地址類型信息（A0～A6），最高位（FD15）用于標識當前數據中FD0～FD7是原數據的D0～D7或是D8～D15，具體格式如圖2(b)所示。CY68013A GPIF端口使用內部48 MHz時鐘，根據參考文獻[2]，每個GPIF信號周期為20.83 ns,二者時鐘不同步，FPGA為了與高速設備兼容，需要使用更高的時鐘源。因此，為了保證GPIF能夠采集到RDY信號，FPGA輸出的信號至少需要保持1.5個GPIF信號周期。GPIF每次從外部讀取數據存入FIFO需要6個狀態，故而每個輸出數據間隔應大于6個GPIF信號周期。以TI公司C55系列DSP為例，主頻時鐘144 MHz,與FPGA連接的為EMIFS外部總線，則FPGA轉換信號時序如圖2所示。其中,圖2(a)為DSP EMIFS輸出時序, 圖2(b)為經FPGA轉換后的CY68013A GPIF輸入時序及數據格式。
考慮到DSP輸出數據時鐘可能較CY68013A GPIF采集時鐘快，因而FPGA需要設計內置的FIFO存儲器，用于緩存DSP輸出的數據。
1.4 USB固件設計
由于CY68013A內置的8051內核時鐘周期較慢，不適于高速傳輸，因而采集程序中僅使用8051進行初始化配置，而不干預數據傳輸過程。CY68013A通過外部GPIF讀取數據存入FIFO中，FIFO滿時通過USB傳入PC機。采用Cypress公司提供的通用程序框架以及圖形化GPIF設計工具，參照圖2(b)的時序，編輯GPIF波形。USB總線選擇傳輸大量數據時比較常用的Bulk傳輸模式，硬件配置程序采用Cypress公司提供的程序模板，參考文獻[3]對該模板進行了詳細說明，這里不再贅述，程序框架與參考文獻[4、5]類似。
1.5 PC機接收程序
USB接口驅動程序可直接使用Cypress公司提供的ez-usb驅動。由于ez-usb驅動沒有提供高級的文件操作IO方式，因而需要調用比較底層的DeviceIoControl函數來處理。考慮到Bulk傳輸方式完全是由主機端（PC機）發起讀操作，從機端（采集板）只能被動地等待，而當CY68013A內置的FIFO寫滿之后，如果主機不能及時地發起讀操作，則FIFO不再接收數據寫入操作，因而會有少量的數據丟失。對于底層協議棧調試，這種少量的數據丟失可能引起程序流程錯誤，是不能接受的。因此PC機端接收程序應采用多線程處理方式，將接收USB數據的工作列為單獨的線程，并將其優先級設置為實時性最高的THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL,防止接收數據過程被系統中其他進程打斷，以確保每次讀操作能夠及時發出。同時也要保證負責數據采集的PC機操作系統中同時運行的進程盡量少,關掉不必要的后臺進程。
PC機接收到的數據先存入臨時文件中，以備后續解析、仿真程序使用。臨時文件以字(16 bit)為單位存儲，每個數據用2個字來表示，低字節在前，與FPGA轉換后的數據格式一致，如表1所示。
2 仿真系統
仿真系統使用采集系統采集到的數據，再現通信終端中的協議棧運行狀態，便于開發者隨時檢查程序錯誤，對程序進行調試。
2.1 系統框架
要想再現底層協議棧運行狀態，除了保證協議棧整體輸入、輸出一致外，最大的難度在于系統的定時，要能夠準確再現各種事件的發生時刻。基于軟件無線電技術的數字通信系統大都采用過采樣方式，AD/DA速率都比較高而且穩定，因而底層協議棧也大多以AD/DA的輸入、輸出中斷作為系統定時。當通信終端作為接收機時，底層協議棧需要以AD采樣數據作為其他部分（信道估計與均衡、解調、信道解碼等）的驅動數據；作為發射機時，DA輸出數據是底層協議棧的最終輸出結果，需要仿真程序進行驗證。故而仿真程序可以采用AD/DA中斷來劃分程序運行的最小時間片，其他各種事件的發生都通過中斷個數來計時，仿真程序通過判斷AD/DA數據的個數調用各程序函數來再現底層協議棧運行狀況及數據流向。這樣就可以在不增加開銷的情況下，盡最大可能保證仿真程序與實際DSP中運行的協議棧一致，方便再現問題。
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