CN109117408B - 基于信号发生器的串行协议信号生成方法 - Google Patents

基于信号发生器的串行协议信号生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于信号发生器的串行协议信号生成方法，根据所要生成的串行协议信号的波形规范确定波形参数，对信号发生器进行选型，然后生成串行协议的波形数据，生成方法为：先选择存储点数，确定每个通道发送串行协议信号的具体协议内容，根据协议内容的放大倍数生成协议数据，归一化处理后进行量化，得到的量化数据即为串行协议的波形数据；然后计算信号器的发送频率，将波形数据输入至信号发生器，信号发生器生成信号并发送。本发明可以采用信号发生器生成稳定、方便观察、幅度可控、可满足各种电气标准的串行协议信号。

Description

基于信号发生器的串行协议信号生成方法
技术领域
本发明属于串行协议信号生成技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于信号发生器的串行协议信号生成方法。
背景技术
随着飞速发展的计算机技术，不同部件传递的通信总线日新月异，从而出现了多种类型的总线协议。计算机的通信协议分为并行通信协议和串行通信协议，串行总线协议与并行总线相比具有线间干扰小、易同步、成本低等优势被广泛使用。
随着串行协议在电子领域的广泛应用在使用串行协议信号测试设备时也对协议信号发生有新的功能需求。在工程设计中，一般生成串行协议信号的方法是通过编写代码使FPGA芯片生成协议信号，使用这种方法比较简单但是也会出现一些问题，例如生成的信号幅度不易控制，难以满足很多协议的电气特性，并且不便观察信号、依赖程序等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于信号发生器的串行协议信号生成方法，采用信号发生器生成稳定、方便观察、幅度可控、可满足各种电气标准的串行协议信号。
为实现上述发明目的，本发明基于信号发生器的串行协议信号生成方法包括以下步骤：
S1：根据所要生成的串行协议信号的波形规范确定波形参数，具体包括：根据串行协议的线数确定需要的通道数C、根据串行协议信号的物理层电平标准确定输出波形幅度U的范围、根据串行协议的传输速度确定协议线速率freal；
S2：根据步骤S1确定的波形参数选择合适的信号发生器，需要满足的条件包括：信号发生器需要支持任意波形存储并读取，信号发生器输出信号最大幅值需要大于等于输出波形幅度U的最大值，输出信号的速率需要包含freal；通过一台信号发生器或者多台信号发生器级联，获取具有C通道的波形同步输出的信号源，记信号发生器的存储数据位宽为W，存储深度为M；
S3：生成串行协议的波形数据，具体步骤包括：
S3.1：根据步骤S2中信号发生器的存储深度M以及生成波形规格选择波形存储点数N；
S3.2：根据协议规范，以及步骤S1中确定的通道数C，确定每个通道发送信号的具体协议内容，记每个通道的协议内容的总长度为L；
S3.3：确定协议内容的放大倍数K，K的取值需要满足K×L＜N，其余N-K×L位数据设置为空闲位，将空闲位分为两部分；根据协议的高低电平将步骤S2中每个通道协议内容中的每一位用K个对应的电平值表示出来，得到放大后的协议内容数据，并在放大后的每个通道协议内容数据前后各加上一部分空闲位，按这种方式得到C个通道的协议数据
Figure GDA0002889552510000021
S3.4：对生成的C个通道的协议数据
Figure GDA0002889552510000022
进行归一化处理得到归一化数据
Figure GDA0002889552510000023
使数据
Figure GDA0002889552510000024
的幅值范围为0-1；然后再根据步骤S2中选择的信号发生器的存储数据位宽W将归一化数据
Figure GDA0002889552510000025
进行量化，得到量化数据
Figure GDA0002889552510000026
C个通道的量化数据即为串行协议的波形数据；
S4：计算信号发生器的发送频率
Figure GDA0002889552510000027
S5：将步骤S3得到的波形数据输入至信号发生器，信号发生器根据接收到的波形数据和步骤S1确定的输出波形幅度U的范围生成串行协议信号，然后以步骤S4中计算出的发送频率fsend，令C个通道同步输出串行协议信号。
本发明基于信号发生器的串行协议信号生成方法，根据所要生成的串行协议信号的波形规范确定波形参数，对信号发生器进行选型，然后生成串行协议的波形数据，生成方法为：先选择存储点数，确定每个通道发送串行协议信号的具体协议内容，根据协议内容的放大倍数生成协议数据，归一化处理后进行量化，得到的量化数据即为串行协议的波形数据；然后计算信号器的发送频率，将波形数据输入至信号发生器，信号发生器生成信号并发送。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明中串行协议数据可以通过仿真软件例如MATLAB产生，生成数据的同时可以画图来观察波形细节，比现有的采用FGPA生成串行协议信号更容易进行调试；
2)FGPA生成串行协议信号时信号幅值一般都是固定的，而本发明方法中串行协议信号的输出由信号发生器生成，可以通过调节信号发生器输出信号的幅值来改变串行协议信号的幅度大小，以满足各种串行协议的电气特性；
3)虽然串行协议信号的传输速度一般比并行协议信号慢，但是有些串行协议的传输速度快达400Mb/s以上。通过FPGA芯片生成串行协议信号，若系统时钟比较小则很难生成这种高速的协议信号，而本发明中生成串行协议信号的传输速度为信号源的存储深度与信号源发送频率的乘积，其速率可达到5GMb/s以上；
4)在科研实践中经常会需要各种复杂的串行协议信号进行调试或应用，某些复杂串行协议信号需要购买专用仪器设备来生成，本发明可以使用通用的信号发生器来生成电气特性或频率特性复杂的信号，可以降低成本；
5)在生成串行协议信号时，如果用户想要使用示波器观察串行协议信号的细节时，如果采用FPGA芯片则需要将生成信号发送到输出引脚，其查找引脚比较繁琐，操作复杂，若使用本发明生成串行协议信号时，只需用示波器连接线连接信号发生器的输出引脚即可观察输出信号，操作更加方便。
附图说明
图1是本发明基于信号发生器的串行协议信号生成方法的具体实施方式流程图；
图2是图1中生成串行协议的波形数据的流程图；
图3是本实施例中信号发生器输出的UART串口协议信号波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明基于信号发生器的串行协议信号生成方法的具体实施方式流程图。如图1所示，本发明基于信号发生器的串行协议信号生成方法的具体步骤包括：
S101：确定串行协议信号的波形参数：
根据所要生成的串行协议信号的波形规范确定波形参数，具体包括：根据串行协议的线数确定需要的通道数C、根据串行协议信号的物理层电平标准确定输出波形幅度U的范围、根据串行协议的传输速度确定协议线速率freal。
本实施例中以UART串口协议为例对本发明的具体过程进行说明。根据UART串口协议的协议规范可知，此协议为异步通信，只需要一根线就可以实现数据的通信，波特率可为300-256000，数据位为5-8位，支持TTL电平。所以本实施例确定输出通道数C＝1，输出波形幅度U的范围为0-5V，传送波特率为115200波特，即协议线速率freal为115.200kHz。
S102：信号发生器选型：
根据步骤S101确定的波形参数选择合适的信号发生器，需要满足的条件包括：信号发生器需要支持任意波形存储并读取，信号发生器输出信号最大幅值需要大于等于U的最大值，输出信号的速率需要包含freal。如果所要生成的串行协议信号通道数大于信号发生器的输出信号通道数，则选用多台信号发生器级联。通过一台信号发生器或者多台信号发生器级联，获取具有C通道的波形同步输出的信号源，记信号发生器的存储数据位宽为W，存储深度为M。
根据UART串口协议可知，信号发生器的幅值范围要包含0-5V、生成波形信号的速率要包含115.200kHz，此信号发生器至少要有1个通道。信号发生器可以选用函数发生器、任意波形发生器或者其它具有可编辑波形输出的仪器。函数发生器作为多波形信号源，不但可以生成正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至可以生成任意波，支持生成导入信号数据，并且其具有很宽的频带范围，输出幅度可调，精度很高。基于以上原因，本实施例中选择普源公司生产的DG4062型函数发生器，此函数发生器完全符合本实施例需求，查找该函数发生器的数据手册可知，该函数发生器存储数据位宽W为14位，存储深度M为16384。
S103：生成串行协议的波形数据：
接下来生成串行协议的波形数据。图2是图1中生成串行协议的波形数据的流程图。如图2所示，本发明中生成串行协议的波形数据的具体步骤包括：
S201：确定波形存储点数：
根据步骤S102中信号发生器的存储深度M以及需要生成的串行协议波形规格选择波形存储点数N(N≤M)。本发明的波形存储点数中除了协议内容的点数，还包含了一些空闲位。为了使信号发生器尽可能多地存储有效点，同时点数越多，单个数据的放大倍数越大，产生的信号越精确，因此波形存储点数N可以尽可能地接近M，以增大放大倍数。为了保证生成串行协议信号的准确度，本实施例选择波形存储点数N为最大点数16384个点，这样可以将波形细节尽可能放大。
S202：确定具体协议内容：
根据协议规范，以及步骤S101中确定的通道数C，确定每个通道发送信号的具体协议内容，包括起始位、停止位、数据位等内容，记每个通道的协议内容的总长度为L。
本实施例中，UART串口协议信号包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位、1个停止位，在UART串口协议中起始位为0，本实施例中设置需要传输的8数据位为：01011010，奇偶校验位为1(偶校验)，停止位为1，这样传输的一帧协议内容为：00101101011，每个通道的协议内容的总长度L＝11。
S203：生成各通道的协议数据：
根据步骤S202确定的协议内容长度L以及存储点数N，将C个通道的协议内容进行插值放大并数字化，得到各通道的协议波形数据。具体过程为：确定协议内容的放大倍数K，协议内容放大的目的是将协议内容细化，K的取值需要满足K×L＜N，其余N-K×L位数据设置为空闲位，将空闲位分为两部分。空闲位的点数和放大倍数K根据实际情况配置即可，一般来说，两部分空闲位的位数比较接近。根据协议的高低电平将步骤S202中每个通道协议内容中的每一位用K个对应的电平值表示出来，得到放大后的协议内容数据，并在放大后的每个通道协议内容数据前后各加上一部分空闲位，按这种方式得到C个通道的协议数据
Figure GDA0002889552510000051
本实施例中协议内容为“00101101011”，先使用MATLAB生成协议内容数据，即首先生成的协议内容数据有效位为11位，为了充分利用函数发生器的存储空间，设置放大倍数K＝1000，即每位数据使用1000个点来表示，将协议内容数据的‘1’使用1000个数字1来表示，协议内容的‘0’使用1000个数字0来表示，使用这种方法可以生成11000个有效点。还有5384个空闲位，分成两个部分，分别包含3000、2384个空闲位。为了使传输数据帧有效，本案例在数协议内容数据前后各加3000、2384个空闲位，从而得到协议数据。
S204：协议数据处理：
对生成的C个通道的协议数据
Figure GDA0002889552510000061
进行归一化处理得到归一化数据
Figure GDA0002889552510000062
使数据
Figure GDA0002889552510000063
的幅值范围为0-1，归一化计算公式如下：
Figure GDA0002889552510000064
其中，
Figure GDA0002889552510000065
分别表示归一化数据
Figure GDA0002889552510000066
协议数据
Figure GDA0002889552510000067
中第j位数据，j＝1,2,…,L，
Figure GDA0002889552510000068
分别表示协议数据
Figure GDA0002889552510000069
中的最高电平和最低电平。
然后再根据步骤S202中选择的信号发生器的存储数据位宽W将归一化数据
Figure GDA00028895525100000610
进行量化，得到量化数据
Figure GDA00028895525100000611
具体方法为：先将数据DATAuni乘以2W-1，再将结果截位取整，得到量化数据
Figure GDA00028895525100000612
C个通道的量化数据即为串行协议的波形数据。
本实施例中存储数据位宽W＝14，即量化数据计算公式为
Figure GDA00028895525100000613
S104：计算信号发生器的发送频率：
一般信号发生器的发送频率fsend为发送一帧数据的频率，其计算公式为：
Figure GDA00028895525100000614
其中Ttotal为传输整个协议所用时间，并且
Figure GDA00028895525100000615
所以将fsend的计算公式简化为
Figure GDA00028895525100000616
freal为步骤S101确定的协议线速率，M为信号发生器的存储深度。本实施例中
Figure GDA00028895525100000617
S105：设置信号发生器并输出：
将步骤S103得到的波形数据输入至信号发生器，即将波形数据导入到步骤S102选择的信号发生器的存储目录中，在信号发生器的任意波发送界面选择此文档并读取。信号发生器根据接收到的波形数据和步骤S101确定的输出波形幅度U的范围生成串行协议信号，然后以步骤S104中计算出的发送频率fsend，令C个通道同步输出串行协议信号。如果是多台信号发生器组成的信号发生器阵列，还需要使用同步功能使多台信号发生器的输出同步。
当信号发生器设置完毕后，可以对本次发送的串行协议信号的相关参数进行保存，当下一次需要使用该串行协议信号时，可以直接读取相关参数对输入的波形数据进行发送即可。
图3是本实施例中信号发生器输出的UART串口协议信号波形图。如图3所示，采用本发明生成的UART串口协议信号，完全符合UART串口协议的相关规定。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于信号发生器的串行协议信号生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据所要生成的串行协议信号的波形规范确定波形参数，具体包括：根据串行协议的线数确定需要的通道数C、根据串行协议信号的物理层电平标准确定输出波形幅度U的范围、根据串行协议的传输速度确定协议线速率freal；
S2：根据步骤S1确定的波形参数选择合适的信号发生器，需要满足的条件包括：信号发生器需要支持任意波形存储并读取，信号发生器输出信号最大幅值需要大于等于输出波形幅度U的最大值，输出信号的速率需要包含freal；通过一台信号发生器或者多台信号发生器级联，获取具有C通道的波形同步输出的信号源，记信号发生器的存储数据位宽为W，存储深度为M；
S3：生成串行协议的波形数据，具体步骤包括：
S3.1：根据步骤S2中信号发生器的存储深度M以及生成波形规格选择波形存储点数N；
S3.2：根据协议规范，以及步骤S1中确定的通道数C，确定每个通道发送串行协议信号的具体协议内容，记每个通道的协议内容的总长度为L；
S3.3：确定协议内容的放大倍数K，K的取值需要满足K×L＜N，其余N-K×L位数据设置为空闲位，将空闲位分为两部分；根据协议的高低电平将步骤S2中每个通道协议内容中的每一位用K个对应的电平值表示出来，得到放大后的协议内容数据，并在放大后的每个通道协议内容数据前后各加上一部分空闲位，按这种方式得到C个通道的协议数据
Figure FDA0002889552500000011
S3.4：对生成的C个通道的协议数据
Figure FDA0002889552500000012
进行归一化处理得到归一化数据
Figure FDA0002889552500000013
使数据
Figure FDA0002889552500000014
的幅值范围为0-1；然后再根据步骤S2中选择的信号发生器的存储数据位宽W将归一化数据
Figure FDA0002889552500000015
进行量化，得到量化数据
Figure FDA0002889552500000016
C个通道的量化数据即为串行协议的波形数据；
S4：计算信号发生器的发送频率
Figure FDA0002889552500000017
S5：将步骤S3得到的波形数据输入至信号发生器，信号发生器根据接收到的波形数据和步骤S1确定的输出波形幅度U的范围生成串行协议信号，然后以步骤S4中计算出的发送频率fsend，令C个通道同步输出串行协议信号。
2.根据权利要求1所述的串行协议信号生成方法，其特征在于，所述信号发生器采用函数发生器。
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基于Virtex-6的四通道信号采集与发生控制模块的设计与实现;杜赢;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20180215(第2期);全文 *

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