基于ARM和FPGA的高速数据采集卡的设计与实现-毕业论文.doc

I摘要采集是认知的开始、测量的前提、分析的基础，绝大多数的电子设备、仪器都是数据采集为基础。随着电子技术和数字技术的飞速发展，信号的传输速度和CPU的处理速度越来越快，因此对数据采集和处理的要求也越来越高。由于芯片技术的限制我国很难在高端的数据采集系统中有所作为，一般国内的数据采集卡都处于中低端产品，多用于中低频信号的采集中，很少有符合我们设计要求的高速采集系统。课题中的高速数据采集卡是研究高性能分析仪器的一部分，它与一般的数据采集卡存在区别，主要区别在于我们的系统对数据输出的要求不强，系统可以自成系统，有一定的数据处理和分析能力。本设计采用AD转换器+FPGA芯片+ARM处理器的结构，实现了采样率为250M的数据采集卡。论文从宏观和微观两个方面来分析数据采集卡的各个组成部分。从宏观上分析了采集系统中各个芯片间的数据流向、速度匹配和具体通信方式的选择等问题。使用乒乓机制降低了数据处理的速度，来降低FPGA中的预处理难度，使FPGA处理时序余量更加充裕。在ARM与FPGA通信方式上使用DMA传输，大大提高了数据传输的速率，并解放了后端的ARM处理器。设计从宏观上优化数据传输的效率，充分发挥器件的性能，并提出了一些改进系统性能的方案。从微观实现上，数据是从前端数据调理电路进入AD转换器，再由FPGA采集AD转换器输出的数据，后经过数据的触发、成帧等预处理，预处理后的数据再传输给后端的ARM处理器，最后由ARM处理器送给LCD显示。微观实现的过程中遇到了很多问题，主要是在AD数据的采集和采集数据的传输上。在后期的系统调试中遇到了采集数据错位、ARM与FPGA通信效率低下，还有FPGA中预处理时序紧张等问题，通过硬件软件部分的修改，问题都得到一定程度的解决。在整个数据采集卡的设计过程中还遇到高速PCB设计、硬件设计可靠性、设计冗余性和可扩展性等问题，这些都是硬件设计中的需要考虑和重视的问题，在论文的最后一章有详细论述。关键词：高速数据采集触发高速PCB设计IIAbstractDateacquisitionisthepremiseofmeasure,thefoundationofanalysisandthebeginningofcognition.Mostprecisedeviceisbasedonthedateacquisition.Withthedevelopmentoftheelectronicanddigitaltechnology,thespeedofdatetransmissionandthecalculationofCPUarefasterandfaster；thereforetherequirementsofdataacquisitionandprocessingaremoreseverethanbefore.Itishardforustomakeabrilliantsuccessintheareaofhigh-enddataacquisitionduetotherestraintofthetechnologyofchip.Atpresentthedataacquisitioncardinourcountryarealmostlow-endproductswhicharealwaysusedtodealwithmedianfrequencieslowfrequencies.Andthesystemsofacquisitionseldomarelinewiththedemandingofourdesign.Inthispaper,high-speeddataacquisitioncardisapartofhighperformanceanalyticalinstruments.Thedifferencesbetweenthiskindofcardsandtheothersarethattheyarenotrigidtotheoutputofsystemandhavetheabilityofdataanalyzingandprocessing.Wesuccessfullydesignasystemof250MsamplingfrequenciesbasedonthestructureofA/D,FPGAandARM.ThispaperanalyzesthesystemfromMacro-andmicrorespect.Fromthemacropointofviewitanalyzesdataflowing,speedmatchingandtheselectionofspecificmeansofcommunicationofacquisitionsystemandsoon.Weadaptping-pongmechanismtoreducethespeedofanalyzingdataandpre-difficultofFPGAwhichleadtotheeaseofprocessingTimingMarginofFPGA.DMAtransferisusedascommunicationbetweenARMandFPGAwhichimprovedatatransmissionrates,andliberatetheback-endARMprocessor.Fromthemicropointofview,dataenterintotheA/Dconverterfromthefront-endconditioningcircuitry,FPGAcollectingdataontheoutputofA/Dconverterandgothroughthepre-operationoftriggeringandframingofdata.Aftertheseoperations,dataaretransmittedtotheback-endoftheARMprocessorandthendisplayontheLCD.AlotofdifficultexitedinthesuccessfuloperationinthemicrorespectwhichismainlyaboutA/Ddatacollectionandtheoftransmissiondata.Inthelatterpartofthesystemweencounterthedislocationdatacollection,theinefficiencyofARMandFPGAcommunicationandthetensionoftiminginthepre-operationofFPGA.Alloftheseissueshavebeensettledbytherevisingofhardwareandsoftware.Therearealsosomeproblemsencounteredinthedesignprocessofdataacquisitioncard,IIIsuchasthedesignofHigh-speedPCB,thereliabilityofhardwaredesignreliability,redundancyandscalabilityofthesystem.Allthesolutionsoftheseproblemsareillustratedinthelastpartofthispaper.Keyword：High-speedDataAcquisitionTriggeringHigh-speedPCBIV目录摘要.IAbstract.II第一章绪论.11.1高速数据采集现状.11.2数据采集卡在测试仪器中的应用.11.3数据采集卡主要的性能指标.21.4本文主要研究工作和难点.2第二章系统设计方案和主要器件选型.42.1系统设计方案.42.2ADC芯片选型.42.3DA芯片选型.52.4FPGA芯片选型.62.5主控CPU选型.9第三章数据采集与触发电路设计.113.1前端采集电路设计.113.2触发电路与触发控制.133.3采集中的问题和解决方法.163.4SDRAM控制器设计.20第四章各芯片间的数据传输与处理.254.1采集卡各芯片速度等级的划分和数据流向.254.2ARM与FPGA通信.264.3数据的模拟输出.304.4ARM动态配置FPGA.35第五章高速PCB设计与调试.415.1高速PCB设计.415.2硬件调试与故障分析.455.3焊接经验总结.46结论.49致谢.50参考文献.51附录1ARM外围电路.53附录2FPGA外围电路.55V附录3同步问题.57附录4ARM读取显示程序.581第一章绪论1.1高速数据采集现状随着电子技术和数字技术的不断发展，以嵌入式计算为核心的数据采集系统已经在测控领域占据了统治地位。数据采集技术作为信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，尤其是嵌入式技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。数据采集系统是将现场采集到的数据进行处理、传输、显示、存储等操作的设备，它有两个主要的目标:第一是精度，对任何有目的的测试都要有一定的精确度要求，否则也就失去了测试的意义。按照不同系统的设计要求，我们可以选择不同A/D转换芯片，来到达精度的要求。第二是速度，提高数据采集的速度不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适用范围。如果想要达到以上两个目标必须选择合适的AD转换器，而超高速AD转换器的关键技术一直都只被安捷伦、泰克等测试仪器厂家所掌握，近几年ATMEL、NS等公司才有所突破，但是高速AD转换器价格十分昂贵，而且国外主要的ADC生产厂家对ADC出口有严格的控制，加上我国高速芯片研发的落后，这大大制约了我国的测试设备的发展1。我国虽然在高端仪器领域难有发挥空间，但是在中低端数据采集系统上还是有很好的发展。在国内采样率达到500MSPS的数据采集卡还是十分常见的，不过居高不下的价格让客户难以接受，特备是数据采集系统有特殊要求的非标准数据采集卡的价格更是难以接受，因此以电子科技大学为代表的一批科研院校都选择了自主研发。由于嵌入式系统向高速化智能化方向发展，老式测试仪器很难满足高速、实时、准确的要求，急需新一代的实时、高分辨率的高性能分析仪器。仪器的研制不但可以打破国外企业对我国中高端测试仪器的垄断，而且推动了我国的工业测试技术的发展。高速数据采集卡作为高端仪器的核心部分是整个仪器研制的关键，因此高速数据采集卡的研制有着极大的现实意义和经济价值。1.2数据采集卡在测试仪器中的应用由于近几年电子行业对高端测试仪器的需求激增，目前各高校、科研院所陆续开展了相关的研究，数据采集卡作为高端测试仪器里面重要的一环也越来越受到大家的重视。市场上出现了一大批专业从事高速数据采集卡设计的中小公司，他们研制的数据采集卡分两种，一种是标准数据采集卡，即采集卡的是基于USB、PCI总线2的标准数据采集卡；另一种就是非标准数据采集卡，即根据客户要求定制的数据采集卡。本课题主要是研制高性能测试仪器设计的一部分，因此课题中设计的数据采集卡属于非标准数据采集卡，它与通用的标准数据采集卡还是有较多不同之处，主要体现在以下几个方面：1.设计的数据采集卡具有很强的数据处理功能，可以自成系统，因此不需要与外部的高速总线相连。2.设计的数据采集卡属于非标准的数据采集卡，因此数据的输入输出要求都与要设计的仪器相关，不能以一般的数据采集卡的指标来衡量。设计的数据采集卡后端使用ARM处理器，采集的数据直接可以通过ARM处理器外接的LCD显示，而数据处理部分大部分都可以在FPGA中实现，因此不需要通过高速总线将数据输出。由于研制的测试仪器在数据精度上要求不高，但是对采样率要求较高，因此设计时选用8位精度、采样率高达250MSPS的A/D转换器。1.3数据采集卡主要的性能指标根据设计要求，本课题研制的数据采集卡主要有以下的技术指标和要求：1.单通道模拟输入，信号最高采样率为250MSPS；2.分辨率：8bits；3.单通道模拟输出，14位分辨率，采样率最高175MSPS；4.支持电平、上升/下降沿等常见触发；5.支持RS232输出；6.八路数字I/O输出；1.4本文主要研究工作和难点论文的主要任务是基于ARM和FPGA的高速数据采集卡的硬件设计，并且针对具体的方案讨论如何提高采集的性能。这一部分在今后的进一步研究中有重要的意义，具体的研究内容如下：1.数据采集卡的整体设计方案选择和芯片选型。2.各芯片间数据通信方案选择，各部分处理速度分析。3.高速PCB设计与调试。4.前端采集与FPGA预处理，整个系统的逻辑控制。5.高速DAC内部寄存器配置，控制模拟数据输出。6.使用ARM配置FPGA，达到动态配置的目的。3在课题研发中遇到了许多难点，主要有以下几个问题：1.高速PCB设计设计高速PCB的电源和地的分配，跨地信号的处理，LVDS信号的走线，AD时钟的选择与走线，高速DAC的时钟选择与走线，FPGA外接多种电平时I/O的供电，系统冗余设计等。2.采集数据同步问题A/D转换的数据进入FPGA之后，经常会出现数据移位的问题，主要的原因是数据与地址不同步造成的，由于采集的速度高达100M以上，采集时钟的周期为10ns以下，数据存储的地址与采集的时钟很容易出现移位，造成存储地址建立时间不足，地址产生错误的问题。3.ARM采集数据效率问题设计初期ARM与FPGA之间的通信采用异步通信的方式，使用ARM读取外部FPGA的双口RAM中的数据，实验发现可以正常读取，但是速度较慢而且数据传输的过程中需要长期占用ARM处理器，会出现整个系统较慢的问题。分析了以上情况之后，决定采用DMA传输方式，代替之前的方案。使用DMA传输方式，可以加快数据传输的速度，并可以解放ARM处理器。4第二章系统设计方案和主要器件选型2.1系统设计方案整个系统是由前端模拟通道、触发电路、FPGA数据采集预处理、数据模拟输出和ARM数据处理显示五部分组成。前端模拟通道主要是将模拟数据调理到AD9480的电压输入范围。触发电路给采集系统提供稳定的触发信号，保证采集波形的稳定。FPGA数据采集预处理分为A/D数据采集、触发控制、帧控制、SDRAM控制器和ARM数据交换五个部分，模拟数据经过A/D装换后在FPGA中缓冲，缓冲之后使用触发控制将采集到的数据分成512个数据点组成的数据帧，数据按照帧的顺序传输，经过SDRAM存储后，通过ARM与FPGA中的共享存储区传输给ARM。数据模拟输出部分使用采样率高达175MSPS的AD9707,将FPGA中的数据送至AD9707既可以得到想要的模拟信号。ARM数据处理显示部分主要是将FPGA采集的数据帧显示，并根据数据帧的传输情况控制FPGA的数据采集。具体的数据采集系统的硬件结构图如下图2-1所示：图2-1数据采集卡硬件结构图2.2ADC芯片选型A/D转换器是整个采集系统的核心，系统前端模拟电压调理电路、FPGA数据采集和后端的采集控制部分都与A/D直接相关，A/D芯片的选择不但关系到系统设计的性能，而且直接决定了整板设计的难度。基于综合考虑我们选用了AnalogDevice公司生产的AD9480芯片，AD9480采样率高达250MSPS、8位转换精度，同时保持士0.25LSB优良的微分线形误差(DNL)。FPGAADARM模拟通道SDRAMPLLDAGPIO触发电路GPIO晶振复位JTAGFLASHSDRAMLCDUART数据总线控制线配置线模拟输入模拟输出时钟地址总线