CN114039610A - 一种基于fpga的无线通信系统的开发装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的无线通信系统的开发装置。本发明包括PC上位机、FPGA开发平台、RF射频板、通用外设和测试设备组。PC上位机与FPGA开发平台互连，通过以太网或USB接口与测试设备组互连。FPGA开发平台与RF射频板互连，与通用外设互连，FPGA开发平台内置内部信号捕捉与触发模块和设备触发模块。RF射频板与测试设备组互连，完成射频数据的发送和接收，通用外设与测试设备组互连。本发明能同时获取上层软件指令、底层通信协议数据流和射频收发的具体情况，实时反馈无线通信系统的各项信息和指标，能快速定位问题点的位置，提高系统开发的效率、准确性和可观察性，从而降低系统开发的时间和成品。

Description

一种基于FPGA的无线通信系统的开发装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术，涉及一种基于FPGA的无线通信系统的开发装置。

背景技术

无线通信系统指的是通过无线协议实现通信的一种方式。无线通信的类型很多，可以根据传输方法、频率范围、用途等分类。不同的无线通信系统,其设备组成和复杂度虽然有较大差异，但它们的基本组成不变。可以大致分为上层应用软件、底层通信协议实现和射频收发功能。

对于无线通信系统开发过程，上层应用软件、底层通信协议实现和射频收发功能都需要单独进行开发和测试。在开发过程中，由于三者存在相互影响的关系，且存在一定的时延性、不可观察性和干扰因素，以致增加系统开发的难度，拉长系统开发的时间，降低效率。在发送数据过程中，上层软件指令通过硬件驱动传递到底层通信协议硬件中，再由底层通信协议进行组包和数据调制，最后将调制的数据发到射频模块，完成数据的发送。接收数据的过程类似，不过数据是从射频模块先进入，最后由底层通信协议硬件反馈给上层软件。因为时延的存在，由上层软件发送的指令，到射频数据的发送，存在一定的时间差。在这段时间中，数据流的正确性和时效性在普通开发中难以确定，不利于无线通信系统的快速开发。因为不可观察性的存在，射频数据在发送和接收过程，不能确保其正确性和有效性，且空中存在的其他无线信号会对收发数据进行干扰，再次增加收发数据的难度，不能快速辨别需求的信号，也不能对发射和接收的性能指标作出评估。

因此，在无线通信系统开发中，需要同时获取上层软件指令的情况、底层通信协议数据流的情况和射频收发的具体情况，才能准确把握整个无线通信系统的问题所在，并能快速定位问题点的位置，提高系统开发的效率、准确性和可观察性，从而大大降低系统开发的时间和成品。

FPGA器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵，能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题。FPGA的基本结构包括可编程输入输出单元，可配置逻辑块，数字时钟管理模块，嵌入式块RAM，布线资源，内嵌专用硬核，底层内嵌功能单元。在无线通信方面，FPGA可以处理复杂的物理协议，实现逻辑控制。同时逻辑链路层，物理层的协议部分在开发阶段需要不定期更新，也比较适合采用FPGA技术。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于FPGA的无线通信系统的开发装置。

本发明包括：PC上位机、FPGA开发平台、RF射频板、通用外设和测试设备组。

PC上位机通过硬件接口与FPGA开发平台互连，所述的硬件接口包括串口和JTAG接口；PC上位机通过以太网或USB接口与测试设备组互连。PC上位机使用JTAG接口进行FPGA模块设计下载，使用串口进行软件代码的下载，使用不同的串口发送数据到FPGA开发平台，以及接收FPGA开发平台反馈的数据，使用以太网或USB采集测试设备组的实时数据，用于记录和显示。

FPGA开发平台通过通用IO口与RF射频板互连，通过通用IO口与通用外设互连。FPGA开发平台通过利用FPGA可编程阵列实现具体模块设计。FPGA开发平台内置内部信号捕捉与触发模块和设备触发模块，测试设备组与内部信号捕捉与触发模块、设备触发模块互连。

信号捕捉与触发模块用于捕捉设计模块的内部信号，捕捉方式包括通过通用外设输入的命令信号完成，或信号捕捉与触发模块自身信号逻辑运算完成；信号捕捉与触发模块将内部信号进行逻辑运算，利用运算结果触发外部测试设备组，触发外部测试设备组接收实时测试数据，进行无线通信系统实时调试。

设备触发模块输出单向信号，用于启动或停止测试设备组中的设备，触发方式包括设备触发模块自身的配置信号完成，或结合通用外设的输入信号，进行逻辑运算完成。

RF射频板通过高频射频转接口与测试设备组互连，或与测试设备组通过无线传输互连。RF射频板完成射频数据的发送和接收。

通用外设通过物理硬件与测试设备组互连。通用外设可自由组装，根据具体的系统开发进行组合，可以为按键、UART、I2C、I2S、SPI、SPI FLASH、USB、DDR和SENSOR等。

测试设备组可以自由组装，根据具体的系统开发进行组合，测试设备为第三方设备，测试设备可为频谱仪、综测仪、功耗分析仪、示波器、逻辑分析仪和协议分析仪等。

无线通信系统的开发装置同步获取模块设计的内部信号和实时测试数据，分别用于调试软件程序、模块设计和RF射频板；其中，模块设计的内部信号由FPGA开发平台获取，实时测试数据由测试设备组获取。

当调试PC上位机的软件程序时，FPGA开发平台的模块设计，以及RF射频板处于版本固定状态；当调试FPGA开发平台的模块设计时，PC上位机的软件程序，以及RF射频板处于版本固定状态；当调试RF射频板时，PC上位机的软件程序，以及FPGA开发平台的模块设计处于版本固定状态；所述的版本固定状态是指保持当前功能稳定运行，且不做设计改动。

本发明能同时获取上层软件指令的情况、底层通信协议数据流的情况和射频收发的具体情况，实时反馈无线通信系统的各项信息和指标，能快速定位问题点的位置，提高系统开发的效率、准确性和可观察性，从而大大降低系统开发的时间和成品。同时采用FPGA技术，能灵活实现不同无线通信系统的需求，实现不同的底层通信协议，使开发装置更具广泛性。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明数据流向示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种基于FPGA的无线通信系统的开发装置，包括：PC上位机1、FPGA开发平台2、RF射频板3、通用外设4和测试设备组5。

PC上位机1通过硬件接口6与FPGA开发平台互连，硬件接口3包括串口和JTAG接口；PC上位机1通过以太网或USB接口与测试设备组互连。PC上位机使用JTAG接口进行FPGA模块设计下载，使用串口进行软件代码的下载，使用不同的串口发送数据到FPGA开发平台，以及接收FPGA开发平台反馈的数据，使用以太网或USB采集测试设备组的实时数据，用于记录和显示。

FPGA开发平台2通过通用IO口7与RF射频板3互连，两者能进行数据交互，FPGA开发平台将调制的数据发送至RF射频板中，RF射频板将空中收到的信号反馈至FPGA开发平台进行数据解调。FPGA开发平台2通过通用IO口8与通用外设4互连。FPGA开发平台通过利用FPGA可编程阵列实现具体模块设计。

FPGA开发平台2内置内部信号捕捉与触发模块9和设备触发模块10，测试设备组5与内部信号捕捉与触发模块9、设备触发模块10互连。

信号捕捉与触发模块9用于捕捉设计模块的内部信号，捕捉方式包括通过通用外设输入的命令信号完成，或信号捕捉与触发模块自身信号逻辑运算完成；信号捕捉与触发模块将内部信号进行逻辑运算，利用运算结果触发外部测试设备组，触发外部测试设备组接收实时测试数据，进行无线通信系统实时调试。

设备触发模块10输出单向信号，用于启动或停止测试设备组中的设备，触发方式包括设备触发模块自身的配置信号完成，或结合通用外设的输入信号，进行逻辑运算完成。

通用外设的信号能引入至FPGA开发平台中，结合内部信号捕捉与触发模块或设备触发模块实现特定的触发条件，也能直接利用通用外设的信号作为测试设备组的触发信号。

因此触发测试设备组的触发信号可分为：1)内部信号；2)内部信号逻辑运算结果；3)设备触发模块的单向信号；4)通用外设的信号；5)通用外设信号与内部信号的逻辑运算结果；6)通用外设的信号与设备触发模块单向信号的逻辑运算结果。

RF射频板3通过高频射频转接口与测试设备组5互连，或与测试设备组5通过无线传输互连。RF射频板完成射频数据的发送和接收。

通用外设4通过物理硬件与测试设备组5互连。通用外设可自由组装，根据具体的系统开发进行组合，可以为按键、UART、I2C、I2S、SPI、SPI FLASH、USB、DDR和SENSOR等。

测试设备组5可以自由组装，根据具体的系统开发进行组合，测试设备为第三方设备，测试设备可为频谱仪、综测仪、功耗分析仪、示波器、逻辑分析仪和协议分析仪等。测试设备组会对通用外设和RF射频板进行数据采集。测试设备可以预先开启，也可以通过触发信号完成特定时间的数据采集。采集的数据将通过以太网或USB形式传输至PC上位机中，PC上位机对实时采集的数据进行记录和显示。

无线通信系统的开发装置同步获取模块设计的内部信号和实时测试数据，分别用于调试软件程序、模块设计和RF射频板；其中，模块设计的内部信号由FPGA开发平台获取，实时测试数据由测试设备组获取。

当调试PC上位机的软件程序时，FPGA开发平台的模块设计，以及RF射频板处于版本固定状态；当调试FPGA开发平台的模块设计时，PC上位机的软件程序，以及RF射频板处于版本固定状态；当调试RF射频板时，PC上位机的软件程序，以及FPGA开发平台的模块设计处于版本固定状态；所述的版本固定状态是指保持当前功能稳定运行，且不做设计改动。该无线通信系统开发装置不限定无线通信的协议，能适用于任何无线通信系统的开发。调试不同的无线协议，需要采用相匹配的软件程序、模块设计和RF射频板。

如图2所示，PC上位机完成四项工作：上位机软件程序开发及编译、UART下载软件程序、FPGA模块设计编译及下载和数据记录和显示。

FPGA开发平台也完成四项工作，软件程序的装置、内部信号捕捉与触发模块、设计触发模块和通用IO驱动。

PC上位机先编译FPGA模块设计项目，并将生成的编译文件通过JTAG下载至FPGA开发平台中，然后编译软件程序，通过UART和硬件驱动下载软件代码至FPGA开发平台中，并设置FPGA开发平台运行软件的起始点，最后运行FPGA开发平台中的软件程序。在FPGA开发平台软件程序运行过程中，PC上位机通过串口与FPGA开发平台中的软件程序进行信息交互或指令下达。同时，软件程序和模块设计会相结合，并驱动通用IO来完成与通用外设或RF射频板的数据交互。

通用外设的信号可引到内部信号捕捉与触发模块和设备触发模块中，组合完成特定触发条件。

内部信号捕捉与触发模块和设备触发模块的触发信号传输至测试设备组中。

通用外设的信号，RF射频板发送或接收的信号均可传输至测试设备中，利用测试设备进行完整的数据采集，或结合触发信号完成实时数据的采集。

测试设备组采集的数据和内部捕捉的信号数据均可传输至PC上位机中，PC上位机对采集的数据进行记录和显示。

下面以蓝牙通信系统作为具体实例进行说明。

首先，利用PC上位机编译FPGA项目，搭建模块设计，其中模块设计包括SOC、代码存储空间、蓝牙双模基带、调制与解调模块、内部信号捕捉与触发模块和设备触发模块的实现。完成项目编译后将生成的bit文件通过JTAG下载到FPGA开发平台中。

然后，利用PC上位机编译蓝牙的软件程序，其中包括软硬件交互的UART0驱动、蓝牙双模底层驱动、蓝牙HCI通信协议的实现和蓝牙上层协议的驱动等。将编译完成的elf/bin文件通过UART0下载到FPGA开发平台中。

此时复位FPGA开发平台能使FPGA开发平台运行起蓝牙的软件程序。

FPGA开发平台搭配两个串口模块，分别为UART0和UART1，UART0用于软件程序下载，UART1用于蓝牙HCI通信协议的实现。还搭建了一个SPI_FLASH和部分按键，用于增加软件代码的存储空间和作为硬件外部触发按钮。FPGA开发平台的通用外设搭建随具体应用而定，可以自行组合和拼接。

因为调试的是蓝牙通信协议，所以RF射频板需要采用2.4G的频带规格。RF射频板通过三线SPI协议完成频点、增益和初始化的配置。FPGA开发平台与RF射频板通过通用IO对接，在FPGA模块设计的SOC中实现通用SPI功能，以此实现三线SPI协议的驱动。

在不考虑测试设备组、内部信号捕捉与触发模块和设备触发模块的情况下，此时PC上位机和FPGA开发平台的结合，能完成蓝牙协议的初步通信调试，例如扫描、搜索、广播、连接和广告等，能与第三方蓝牙设备互连，并进行底层蓝牙协议的通信。

内部信号捕捉与触发模块和设备触发模块的实现可由PC上位机、外部硬件和FPGA芯片共同组成。其中外部硬件，可以是通用外设产生的信号，也可以是外部硬件按钮设置的值。PC上位机也可以完成FPGA触发条件的修改，同时在编译FPGA项目时，需要对内部信号捕捉与触发模块和设备触发模块进行编译操作。FPGA芯片内部对多个触发条件做逻辑处理后输出最终的触发信号组。

触发测试设备组的触发信号可分为：1)内部信号；2)内部信号逻辑运算结果；3)设备触发模块的单向信号；4)通用外设的信号；5)通用外设信号与内部信号的逻辑运算结果；6)通用外设的信号与设备触发模块单向信号的逻辑运算结果。内部信号可以为蓝牙双模基带的内部信号，例如发送包使能信号和接收包使能信号。内部信号逻辑运算结果可以为指定发送DM1包时或指定接收2DH5包时作为触发条件。设备触发模块的单向信号可以为某些内部信号的指示值，例如蓝牙双模基带底层组包完成且延迟10us的指示信号。通用外设的信号可以为外部硬件按钮的某些值，外部硬件按钮的使能，例如蓝牙协议分析仪需要一直打开的话，那么可以使用外部硬件按钮设置，使其一直打开，这里的通用外设不仅限于按键。通用外设信号与内部信号的逻辑运算结果是将外部硬件按钮的值引入到FPGA芯片中，在FPGA芯片中完成逻辑运算再输出，例如当发送的包为3DH5，且外部打开蓝牙协议分析仪的时候触发。通用外设的信号与设备触发模块单向信号的逻辑运算结果是将通用外设的信号引入FPGA芯片中，与设备触发模块单向信号作逻辑运算后输出的结果，例如外部timer在定时工作的情况下，需要获取软件程序排帧的数量和蓝牙双模基带底层真正完成了的数量。

内部信号捕捉与触发模块中，捕捉的信号在FPGA项目编译前先确定，通过PC上位机进行选择。触发后，捕捉的信号会反馈至PC上位机中。

在蓝牙通信系统开发过程中，测试设备组包括了频谱仪、蓝牙综测仪、功耗分析仪、示波器、逻辑分析仪和蓝牙协议分析仪。频谱仪和蓝牙综测仪用于测量蓝牙信号发送的模拟性能和蓝牙频点的确定。功耗分析仪用于测量BLE应用情况下功耗的具体情况。示波器用于测量FPGA开发平台的电源稳定性，还有FPGA开发平台和RF射频板的SPI通信协议。逻辑分析仪用于捕捉FPGA开发平台和RF射频板之间的数据交互。蓝牙协议分析仪用于捕捉蓝牙空中包的情况，对照蓝牙双模基带模块底层硬件的信号进行具体收发包的分析。

测试设备组的设备可以根据设备触发模块的条件一直处在开启的情况，也可以根据其他具体的触发条件完成某一特定时间段的信号捕捉。

测试设备组获取的信号会反馈至PC上位机中，用于记录和分析。

在蓝牙通信系统开发过程中，PC上位机想接受手机发送的LMP数据包，那么会先通过HCI向FPGA开发平台发送蓝牙连接的请求，然后FPGA开发平台的蓝牙双模基带底层会进行排帧操作，进行数据组包，接着将组包完成的数据发送至调制与解调模块中进行数据调制，最后将调制的数据发送至RF射频板中，RF射频板将蓝牙组包数据发送到空中。类似的，接收数据的过程是反过来的，先从RF射频板中接收特定频点的蓝牙信号，然后输入至解调模块中进行数据解调，接着将解调数据发送给蓝牙双模基带模块进行蓝牙数据包的分析和拆解，最后将接收的数据通过HCI协议反馈至PC上位机中。在发送和接收过程中，若想准确追查数据的流向，可以设置发送或接收HCI命令时开启测试设备组，且作为触发条件，通过内部信号捕捉可以观察蓝牙双模基带模块中组包的数据情况；通过示波器可以观察FPGA开发平台和RF射频板的SPI交互情况；通过逻辑分析可以观察FPGA开发平台和RF射频板的I和Q数据的交互情况；通过频谱仪可以确定频点是否正确，且能观察增益的情况；通过蓝牙协议分析仪，可以看到空中包的具体情况，能确定发送或接收时间是否对得上。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的无线通信系统的开发装置，其特征在于，包括：PC上位机、FPGA开发平台、RF射频板、通用外设和测试设备组；

所述的PC上位机通过硬件接口与FPGA开发平台互连，所述的硬件接口包括串口和JTAG接口；PC上位机通过以太网或USB接口与测试设备组互连；PC上位机使用JTAG接口进行FPGA模块设计下载，使用串口进行软件代码的下载，使用不同的串口发送数据到FPGA开发平台，以及接收FPGA开发平台反馈的数据，使用以太网或USB采集测试设备组的实时数据，用于记录和显示；

所述的FPGA开发平台通过通用IO口与RF射频板互连，通过通用IO口与通用外设互连；FPGA开发平台通过利用FPGA可编程阵列实现具体模块设计；FPGA开发平台内置内部信号捕捉与触发模块和设备触发模块，测试设备组与内部信号捕捉与触发模块、设备触发模块互连；

所述的RF射频板通过高频射频转接口与测试设备组互连，或与测试设备组通过无线传输互连，RF射频板完成射频数据的发送和接收；

所述的通用外设通过物理硬件与测试设备组互连；

无线通信系统的开发装置同步获取模块设计的内部信号和实时测试数据，分别用于调试软件程序、模块设计和RF射频板；其中，模块设计的内部信号由FPGA开发平台获取，实时测试数据由测试设备组获取；

当调试PC上位机的软件程序时，FPGA开发平台的模块设计，以及RF射频板处于版本固定状态；当调试FPGA开发平台的模块设计时，PC上位机的软件程序，以及RF射频板处于版本固定状态；当调试RF射频板时，PC上位机的软件程序，以及FPGA开发平台的模块设计处于版本固定状态；所述的版本固定状态是指保持当前功能稳定运行，且不做设计改动。

2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的无线通信系统的开发装置，其特征在于：所述的信号捕捉与触发模块用于捕捉设计模块的内部信号，捕捉方式包括通过通用外设输入的命令信号完成，或信号捕捉与触发模块自身信号逻辑运算完成；信号捕捉与触发模块将内部信号进行逻辑运算，利用运算结果触发外部测试设备组，触发外部测试设备组接收实时测试数据，进行无线通信系统实时调试。

3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的无线通信系统的开发装置，其特征在于：所述的设备触发模块输出单向信号，用于启动或停止测试设备组中的设备，触发方式包括设备触发模块自身的配置信号完成，或结合通用外设的输入信号，进行逻辑运算完成。

4.如权利要求1所述的一种基于FPGA的无线通信系统的开发装置，其特征在于：所述的通用外设自由组装，根据具体的系统开发进行组合。

5.如权利要求1所述的一种基于FPGA的无线通信系统的开发装置，其特征在于：所述的测试设备组自由组装，根据具体的系统开发进行组合。

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