（微电子学与固体电子学专业论文）应用fpga的高速数据采集的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术的突飞猛进以及移动通讯技术在日常生活中的不断深入，数据 采集不断地向多路、高速、智能化的方向发展。本文针对此需求，实现了一种应 用f p g a 的多路、高速的数据采集系统，从而为测量仪器提供良好的采集数据。 本文设计了一种基于a d + f p q “d s p 的多路数据采集处理系统，针对此系统 设计了基于a d 9 4 4 6 的模数转换采集板，再将模数转换采集板的数据传送至基于 f p g a 的采集控制模块进行数据的压缩以及缓冲存储，最后由d s p 调入数据进行 数据的处理。本文的设计主要分为两部分，一部分为模数转换采集板的设计与调 试，另一部分为采集控制模块的设计与仿真。 经设计与调试，模数转换模块可为系统提供稳定可靠的数据，能稳定工作在百 兆的频率下；采集控制模块能实时地完成数据压缩与数据缓冲，并能通过时钟管 理模块来控制前端a d 的采样，该模块也能稳定工作在百兆的频率下。该系统为 多路、高速的数据采集系统，并能稳定工作，从而能满足电子测量仪器的要求。 关键词：数据采集f p g a a d 9 4 4 6 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ， d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m i s d e v e l o p i n gt o w a r d sm u l t i - c h a n n e l 、h i g h s p e e d a n d i n t e l l i g e n t i no r d e rt om e e tt h i st e n d e n c y , t h i sp a p e rh a sd e v i s e dad a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mw h i c h i sb a s e do nf p g a 丽t hm u l t i - c h a n n e la n dh i g h s p e e d ，a n dt h i ss y s t e mc a n p r o v i d e t h er i g h td a t af o rs p e c i a lm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s st h em u l t i - c h a n n e ld a t a - a c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hi sb a s e d o na d + f p g a + d s p , i nt h i ss y s t e m ，a na n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t i n gb o a r dw h i c hi s b a s e do na d 9 4 4 6i sd e s i g n e dt og e n e r a t ed i g i t a ls i g n a l s ，t h e nt h es i g n a l sw i l lb e t r a n s f e r r e dt ot h ec o n t r o lu n i tw h i c hi sb a s e do nf p g a , s ot h a tt h es i g n a l sw i l lb e c o m p r e s s e da n dc a c h e di nt i m e ，a tl a s t ，t h ec o m p r e s s e dd a t e sw i l lb eu s e db yd s p f o r f u r t h e rp r o c e s s t h ed e s i g nd i s c u s s e di nt h i sp a p e ri n c l u d e st w op a r t s ：o n ep a r ti st h e d e s i g no fa n a l o g t o d i g f f a lc o n v e r t i n gb o a r d ，t h eo t h e rp a r t i st h ed e s i g na n dt h e s i m u l a t i o no ft h ec o n t r o lu n i t b yd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gc a r e f u l l y , t h ea n a l o g t o - d i g i t a lc o n v e r t i n gb o a r dc a n s u p p l yr e l i a b l ed a t e si nh i 【g hf r e q u e n c y ；t h ec o n t r o lu n i to ft h es y s t e mn o to n l yc a n c o m p r e s sa n dc a c h et h ed a t e si nt i m eb u ta l s oc a l lw o r k i nh i g hf r e q u e n c y , a l s o ，t h i su n i t c a nc o n t r o lt h es a m p l eo ft h ea d 9 4 4 6b yt h es a m p l e - c l o c k t h es y s t e md i s c u s s e di nt h i s p a p e ri sm u l t i - c h a n n e l 、h i g h s p e e da n ds t a b l es ot h a ti tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h e e l e c t r o n i cm e a s u r e m e n ti n s t m m e n t k e yw o r d s ：d a t a - a c q u i s i t i o n f p g aa d 9 4 4 6 西安电子科技大学 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：夏金圣 日期： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：查2 垂：垄2 日期：础爱。厶珥 里塾 售墨 焉 吉 l 孵毫 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 随着社会的发展和科学技术的进步，信号处理技术已经越来越广泛的应用于 人类活动的各个领域。从2 0 世纪6 0 年代以来，数字信号处理技术已逐渐成为信 号处理领域的主力，它已经渗透到各个应用领域之中。与此同时作为数字信号处 理的前提一数据采集也不断得到长足的发展，数据采集是指将温度、压力、流 量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或 者打印的过程，相应的系统称为数据采集系统【l 】。在生产过程中，应用数据采集 系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成 本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息， 是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获得科学奥秘的重要手段之一。 作为数据采集的典型应用电子测量仪器，它的应用范围也越来越广，向 着多功能、多方位、多领域扩展，许多新的测试项目、新的仪器不断涌现，广大 用户对电子测量的要求也由仅仅的稳定性提升为综合性要求，进一步上升为专业 化、手持化、微机化、通讯化、监控化等等，本文正是应用电子测量仪器的数据 采集端进行设计。在目前我们所应用的电子测量仪器中，其数据采集所采用的方 法在实际的应用领域差异较大，一般均为定制的数据采集卡，有的通道较多但速 度不够快，有的采集速度较快但通道较少。基于此，本文结合实际的项目，设计 一种应用f p g a 的高速多通道的仪器用数据采集系统，希望能为实际的产品提供 有用的参考。 1 2 国内外研究背景 随着微电子技术的飞速发展，超高速数据采集技术也得到了长足的发展，数 字存储示波器是典型的数据采集系统，随着其采样率的不断提高，它已经成为高 速或者超高速数据采集系鲥2 1 。制造高速或超高速采样率的数字存储示波器的公 司主要有a g i l e n t 、t e k t r o n i x 、n i c o l e t 和l e c r o y 等，数字存储示波器的最高采样 率也已经达到了1 0 g s s ，另外，逻辑分析仪、频谱分析仪、网络分析仪等也属于 超高速数据采集系统范畴，下面扼要介绍目前世界上最先进的数据采集系统产品 及其技术性指标。 s p e c t r u ms i g n a lp r o c e s s i n g 公司推出的采样率2 0 0 m s s 8 ba dv m e 板卡是 基于v m e 总线和高速d s p 的超高速数据采集和处理系统，该板卡集成有一片1 2 亿次秒浮动数运算速度a d s p 2 1 0 6 s h a r c 处理器，其主要技术指标还包括： 1 2 8 k bx 4 8 b 或者5 1 2 k b x4 8 b 等s r a m ；6 个s h a r c l i n k 口；输入电压范围0 5 v ； 2 应用f p g a 的高速数据采集的设计与实现 输入时钟可选为2 0 0 m h z ，1 0 0 m h z 或5 0 m h z ；多种触发模式；两个9 6 脚v m e 总线 连接器即p 1 和p 2 以及6 个s h a r cl i n k 口连接器，该板卡配有初始化与数据采集 软件，并支持a p e x 并行软件开发工具。 s i g n a t e c 公司是有着十多年历史的，面向高性能数据采集、信号处理、波形 产生和数据存储等应用的p c 机板卡设计制造商，s i g n a t e 推出的a d 板卡p d a l 2 a 采样率为1 2 5 m s s ，分辨率为1 2 b ，信号带宽由d c - 一5 0 m h z 可通过s a b 总线以 2 5 0 船s 的速率向其它处理、回放或存储器件传输数据，还能通过p c i 总线d m a 模式以1 0 0 船s 速率传输数据p d a l 2 a 实际上是由双通道信号同时采样，每通道 采样率6 2 5 m s s ，两通道正交采样可获取1 2 5 m s s 采样率，单通道的数据存储空 间为2 5 6 k b 1 2 b 或1 m b 1 2 b 两种可选。 2 0 0 4 年a c q u i s i t i o nl o g i c 公司推出基于p c i 总线的采样率分别为5 0 0 m s s ，1 g s s8 b 数据采集板卡a l 5 0 0 和a l 5 1 g ，其存储深度为6 4 m b ，2 5 6 船和1 0 0 0 三种可 选。p c i 总线为主模式，数据宽度为3 2 b ，时钟频率为3 3 m h z ，突发模式下传输速率高 达1 3 3 m s s 两种板卡还具有d s p 功能：通过对板卡上现场可编程门阵列f p g a 硬件实 现信号处理，能实时地完成输入数据为2 0 0 1 妊i z 带宽2 次型插值或4 0 0 m h z 带宽4 次型 插值运算等。 目前，除了属于通用仪器的超高速数据采集系统以外，对于其它超高速数据采 集系统而言，基于标准总线、具有海量数据存储深度、高速d s p 能力和超高速a d 所组成的超高速数据采集系统为当今发展趋势，在设计和选用系统时，往往有着 四方面的考虑，即不但要考虑超高速数据采集部分，还会考虑其标准总线接口、 数据存储深度和d s p 处理器的性能，因为系统的整体性能已不单是超高速数据采集 部分性能，标准总线接口、数据存储深度和d s p 也已成为评价系统整体性能的重要 指标1 。数据采集系统的这些发展加速了工业的发展，为国民经济做了杰出的贡献。 由于我国在高速a d 器件的研制上与国外的差距很大，我国的数据采集系统始终发 展不快。北京普源精电科技有限公司目前自主开发的d s 3 0 0 0 系列数字存储示波器 最高带宽1 0 0 m h z ，采样率2 5 g s a s ，单次采样率最高为4 0 0 m s a s ，这是目前所知国 内研发最高水准的示波器。虽然目前我国的数据采集系统在国际上不是先进的， 但近年来，随着集成工艺的不断进步，器件性能飞速地发展，相信我国的数据采 集系统会得到长足的发展。 1 3 论文内容及作者所做的工作 本文结合实际的项目描述了应用f p g a 的多路、高速数据采集系统，各章节 的安排如下： 第二章首先讨论了数据采集系统的基本流程以及数据采集系统的基本理论， 第一章绪论 并介绍了仪器用多路、高速数据采集系统的要求，再分别讨论了三种多路、高速 数据采集的实现方式，最后对应用f p g a 的多路、高速数据采集系统进行了详细 讨论并对该系统的功能模块进行了详细阐述。 第三章对应用f p g a 的高速数据采集系统中的模数转换采集板进行了讨论分 析：首先分析了a d 9 4 4 6 模数转换芯片的工作原理，再对模数转换采集板原理图 中的几个重要电路进行了分析设计，最后讨论了采集板p c b 的设计，重点讨论了 地平面的分割以及地平面交汇处的连接器件的选择，从而得出对比的分析结果。 第四章对应用f p g a 的高速数据采集系统中的控制模块进行了讨论分析：首 先分析了f p g a 的基本结构、配置的理论以及f p g a 的选型，再设计了其部分的 原理图，最后对基于f p g a 的软件设计进行了重点分析，并对其数据缓冲模块的 两种不同实现进行了对比分析，从而得出不同的结果。 第五章对全文进行了总结，对系统的设计进行了总体的评价，并提出本文的 不足之处。 第二章应用f p g a 的高速数据采集系统的架构 第二章应用f p g a 的高速数据采集系统的架构 本章首先阐述了数据采集系统的基本流程以及数据采集系统的基本理论，并 对应用于测量仪器中的多路高速数据采集系统的设计进行了简要介绍，再分析了 高速数据采集系统的三种设计方法，分别对应用单片机、d s p 、f p g a 的设计方 法加以讨论分析，最后对应用f p g a 的高速数据采集的系统架构加以讨论，并对 其中的模数转换采集板与采集控制模块的工作原理加以详细说明。 2 1 数据采集系统概述 将模拟信号转换为数字信号、并进行存储和计算机处理显示的过程称为数据 采集，而相应的系统称为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) 【3 】。数据采集 是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等工作， 它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。 数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算 机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需要进 行相应的计算和处理，得出所需的数据【4 】。与此同时，将计算机得到的数据进行 显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被控制生产过 程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集几乎无孔不入，它己渗透 到了地质、医疗器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信 息提供了良好的基础。 另外，我们在评估一个信号源的质量，也可以通过数据采集的手段将信号采 集存入计算机，再通过各种处理方式来评价信号源的好坏。这时，该数据采集系 统就类似一台测试仪器。当然，我们得认可系统的各项指标满足要求。数据采集 系统的性能好坏，主要取决于它的精度和速度。精度是通过有效位数来反映的， 有效位数越高，要求系统的噪声就越低，这在实际工作中实现起来不太容易很好 地克服系统噪声，目前从采集精度上看，有效位数能达到1 2 位就很不错了。速度 是通过采样率来反映的，速度太高，传统的1 几逻辑常常不能满足要求，一般高 速采集芯片的输出逻辑都为e c l 逻辑。这样相应地增加了功耗。所以，在高速数 据采集芯片的设计上是用大功耗来换取高速度，同时也减少了逻辑摆幅。根据目 前芯片市场来看，速度最高的a d 芯片已经达到了1 5 g h z 。 2 1 1 数据采集的基本流程 典型的数据采集的框图如图2 1 所示。 6 应用f p g a 的高速数据采集的设计与实现 i 模拟通道一卜_ 还 模 算 数 i模拟通道二。卜 多 放 转 计 路 大 换 算 l 开器 器 机 i 关 耷耷 l 模拟通道n 卜一 时钟严生电路及i 控制逻辑l 、 图2 1 数据采集系统框图 图2 1 为典型的数据采集框图，它一般应用于非高速数据采集的场合，可使用 一个a d 转换器，用多路模拟开关来轮流切换各路模拟量与a d 转换器之间的通 道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到a d ，从而实现分时 数据转换的目的【5 1 。 在模拟信号进入a d 转换器之前，需要进行信号的调理、滤波以及放大，从 而达到a d 变换器的输入电平要求，以充分利用a d 转换器的满量程分辨率。在 整个采集系统中，a d 是采集通道的核心，也是影响数据采集系统速率和精度的 主要因素。数据采集系统各器件之间的时序要求是很严格的，以保证系统精度。 时钟产生电路按照器件的工作时序产生时序信号，逻辑控制电路依照时序电路产 生逻辑控制信号。 在高速以及超高速数据采集系统中，由于系统的速率较快，分时转换时基电 路根本不可能，同时输出数据速率较高，在输出部分，必须附带高速缓存，同时 高速数据的输出一般是源同步差分输出，以消除硬件电路的延时影响以及干扰信 号的影响，图2 2 为一般高速以及超高速采集系统的框图。 i 曷 噩 数据 缓存 八 m c u 及控 v a j l 3 时钟信号制逻 卜 转 换 懂掣9佰路卜坐写。7 田南 - l ) y y 片 辑 图2 2 高速数据采集框图 由于工艺的原因，高速a d 的量化位数一般做得不太高，位数和速度是制约 a d 的两个重要瓶颈。 2 1 2 数据采集的基本理论 数据采集是将连续的模拟信号x ( t ) ，按照一定时间间隔乃采样得到离散时 间信号船兀) ，再经过量化变为量化信号x q ( n t s ) ，最后编码转换为数字信号 x 研) 6 1 。以上转换过程可以用图2 3 表示。 第二章应用f p g a 的高速数据采集系统的架构 7 图2 3 数据采集过程 对于实际的高速a d ，采样过程并不是理想的，保持电路可能会存在孔径效 应，而影响编码，最终影响数据的原始性，在选用高速a d 时，一般选模拟带宽 较宽的a d 比较好。数据采集的理论包括采样定理、量化与量化误差、编码、数 据采集的有效位数等【7 j ，以下分别加以讨论。 1 ) 采样：采样可以看作是一个脉冲调幅的过程，它将时间上、幅值上都连续 的模拟信号，在采样脉冲的作用下，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散 模拟信号，所以采样又被称为波形的离散化过程，其中每秒钟的采样样本数叫做 采样频率，采样频率越高，采样后的信号越接近实际的信号，但量化后的信息存 储量也会较大。 2 ) 量化与量化误差：量化就是将采样信号的幅值与量化单位进行比较，而量 化误差是指量化结果和被量化模拟量的差值，显然量化级数越多，量化的相对误 差越小，量化级数指的是将最大值均等的级数，每一个均值的大小称为一个量化 单位，量化误差也被称为量化的“噪声 。 3 ) 编码：编码是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转 换成二值或多值的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、 卫星通道等数字线路传输。最简单的编码方式是二进制编码，具体说来，就是用 1 1 比特二进制码来表示已经量化了的样值，每个二进制数对应一个量化值，然后 把它们排列，得到由二值脉冲组成的数字信息流，编码过程在接收端，可以按所 收到的信息重新组成原来的样值，再经过低通滤波器恢复原信号，用这样方式组 成的脉冲串的频率等于抽样频率与量化比特数的积，称为所传输数字信号的数码 率。显然，抽样频率越高，量化比特数越大，数码率就越高，所需要的传输带宽 也就越宽。除上述的二进制编码外，还有其他形式的二进制码，如格雷码、折叠 二进制码等，他们在功耗、编码复杂度等指标上各有特色。 4 ) 有效位数：有效位数( e f f e c t i v en u m b e ro fb i t s ，e n o b ) 是在a d c 器件信噪 比基础上计算出来的，它将传输信号质量转换为等效比特分辨率。实际上系统噪 声使输出信号失真，失真大小就反映在信噪比上。a d c 的比特分辨率可以用来计 算给定器件的理论信噪比，反过来也成立，所以器件的信噪比测量值也可用来计 算有效器件比特分辨率。所有噪声源和器件的不精确性合在一起，可以转化为量 化误差与有效器件分辨率。 8 应用f p g a 的高速数据采集的设计与实现 2 2 仪器用多路高速数据采集系统简介 手持智能电子测量仪器的项目开发中，数据采集是其设计的关键部分，它所 要采集的对象是通过传感器变换后的低频信号，频率范围量级低端为m h z 、高端 为m h z ，输入接口为八路差动模拟输入端口，输出为数据并口，通过主控模块来 控制系统的采集以及数据的传输。 模块的设计包括模块硬件的设计和模块软件的设计两部分，其中硬件的设计 主要包括调理电路、隔离电路、a d 电路、存储电路和接口电路等，软件的设计 主要包括安装软件和模块软件，软件主要起采集控制、数据分析和数据通讯的作 用，其单路的框图如图2 4 所示。 图2 4 应用于仪器中的多路高速数据采集示意图 由图2 4 可以看出，每一个模拟信道均采用差动输入形式、相互独立，包括主 信道和辅助信道，主信道完成模拟信号的隔离及调理，辅助信道实现输入信号的 幅度判别及自动增益控制。数据在主控模块的控制下被同步采样，并进一步完成 相关的信号处理。本项目设计实现的多路数据采集系统共有八路通道，并且每一 路通道都是相互独立的，它们都受主控模块的控制，并向其传递数据。由于在实 际的测量环境中要求仪器能实时地处理，因而系统的采集速率要求很高，其频率 要求能达到了百兆以上。系统中主控模块一方面协调数据的传输另一方面实现数 据的处理，包括谐波分析、功率谱分析、相位分析、阻抗向量分析、阶跃响应分 析等等。 2 3 高速数据采集的三种实现方法 目前，高速数据采集系统的实现方式主要有三种：应用单片机的实现方式、 应用d s p 的实现方式以及应用f p g a 的实现方式，以下分别加以介绍。 2 3 1 应用单片机的数据采集系统的实现 由于单片机有很强的运算处理能力，i o 接口功能完善，抗干扰能力强，可靠 第二章应用f p g a 的高速数据采集系统的架构 9 性高，因而应用单片机的数据采集系统在实际的应用中也是非常广泛的，在本项 目中如果应用单片机作为系统的主控模块，其框图如图2 5 所示。 i 缓冲卜卜- 一 _ 一 i墨l 主单 ， 片机 高，再f 麈卜_ i 处理h 卜 i 单元l 图2 5 应用单片机的数据采集的实现 由图2 5 可以看出，a d 将采集来的数据分别传送给每路的单片机，主单片机 再分时控制每路的单片机，并从中读取数据，最后对所得的数据进行缓冲存储以 及进一步的处理。这种实现方法的优点是充分利用单片机的灵活性来控制采集的 过程，其缺点是单片机的处理速度已经无法满足数据的传输速率，并且硬件实现 也有一定的复杂性，还需要有外部的晶振为a d 提供精确的时钟源，所以它是以 硬件的消耗来换取性能的稳定、可靠。 2 3 2 应用d s p 的数据采集系统的实现 在数据采集量不是很大时，往往采用应用d s p 的数据采集系统。该系统 主要由d s p 、a d 、c p l d 等组成，d s p 芯片主要负责系统的时序控制以及信 号的处理，a d 负责数据的采集，c p l d 作为多路采集系统的控制芯片，它 能产生八路的a d 启动信号，并产生转换信号作为d s p 的中断信号。d s p 则 响应中断以读取八路a d 的转换数据，再将数据送入大容量的r a m 中存储， 以进行数字滤波和时域频域的数字信号处理。在d s p 的周围会有外扩的程序 存储器、数据存储器以及数据的高速缓存器如f i f o 等，其系统框图如图2 6 所示。 号 图2 6 应用d s p 的数据采集的实现 该系统的优点是能及时地采集处理数据，硬件实现也比较简单，并且a d 1 0 应用f p g a 的高速数据采集的设计与实现 可以直接与d s p 相连，缺点是当采集的数据量较大或者多路采集时，系统的 运行速率会明显下降，因为d s p 会不停地响应中断从而降低了系统的吞吐率。 但是如果通过采用多d s p 来提高系统速度，又会使系统的成本显著提高。 2 3 3 应用f p g a 的数据采集系统的实现 在多路、高速的数据采集系统中，往往会采用应用f p g a 的数据采集系统架 构，该系统主要由d + f p q 聃d s p 组成，a d 负责多路、高速数据的采集工作， f p g a 主要负责数据的缓冲存储以及对前端a d c 的采样控制，d s p 主要是进行相 关的数据处理【8 】，其系统框图如图2 7 所示。 ll j r 7 f p g ad s p 1j -。 j 1 一 图2 7 应用f p g a 的数据采集的实现 该系统充分利用了f p g a 的可编程性，灵活配置前端的采样控制以及数据的 传输从而能很好的达到采样控制，f p g a 可以作为系统的核心控制芯片，控制整 个采集系统的工作，同时f p g a 的工作频率可以达到百兆，并且内部含有丰富的 可编程逻辑单元，因而该系统可以满足多路、高速的数据采集。 通过以上三个小节的介绍可以得出：应用单片机的数据采集系统的实现，其 系统的运行速度会受单片机的制约，单片机的最高主频大大限制了采集系统的速 度，同时硬件的实现也有一定的复杂性，当要进行多路的采集时，每一路的a d 均需要一块单片机来进行控制，这样不仅增加了硬件的实现难度，也使软件的控 制变的复杂，因此此种实现方式不适合高速、多路仪器用数据采集的实现；应用 d s p 的数据采集系统的实现，其硬件实现比较简单，a d 可以直接与d s p 相连， 但高速的a d 采集会不停地以中断的形式通知d s p 来取数据，从而会降低系统的 运行速度，而如果采用多d s p 的方式来进行采集则会显著地提高系统的成本，因 此此种方式也不适合高速、多路仪器用数据采集的实现；应用f p g a 的数据采集 系统的实现，可以通过f p g a 来灵活地控制系统的实现，同时f p g a 的主频、可 用r a m 的大小以及时钟管理单元保证了系统的实现，用一片f p g a 可以控制多 路数据采集的实现，因此应用f p g a 的数据采集是适合于仪器用多路、高速的数 据采集。以下2 4 小节将对该系统的架构进行详细地阐述。 第二章应用f p g a 的高速数据采集系统的架构 l l 2 4 应用f p g a 的高速数据采集系统的架构 通过2 3 节对三种不同的数据采集系统的实现方式的讨论可以看出：应用 f p g a 的数据采集系统的架构比较适合多路、高速数据采集，本文就应用这种架 构进行了具体的设计与实现，其单路的设计框图如图2 8 所示。 f p g a d s p 巢吲燃榉粪削一 一 鞋分时玎1u i l 图2 8 一路高速数据采集的设计实现 由图2 8 可以看出，被测信号经过前端调理电路的隔离、放大，再送至a d 9 4 4 6 进行采样，d 输出1 6 位的数据信号以及1 位与数据同步的时钟信号，它们均为 低压差分形式即l v d s 形式，这种形式的数据输出能提供高的比特率，并且具有 噪声小，抗干扰能力强等特点。设计中利用f p g a 来实现数据的缓存和数据传输 的逻辑控制。如果系统不使用f p g a ，直接将a d 与d s p 相连，那么系统在工作 时，a d 将不停地高速采样、d s p 将处于连续地间隔取数的状态，这样会占用 d s p 的大部分时间，导致d s p 不能从事其它的工作。更坏的情况就是出现d s p 没有处理完毕上一批次的数据，下一批要处理的数据又传送过来了，尤其是在高 速a d 采样的情况下，这种矛盾会更加突出，很有可能会丢失数据【9 】。本项目采 用f p g a 对数据的存储缓冲以及对数据的传输控制能很好地解决这种矛盾：利用 s p a r t a n 3 e 内部的b l o c kr a m 及d i s t r i b u t er a m 可以配置为大小不同的各种类型 的存储器，如单口r a m 、双口r a m 以及f i f o 等，其中f i f o 比较适合作为a d 采样数据高速写入的缓冲器，它可作为前后不同速率、不同容量数字系统的接口 电路，对数据起缓冲存储的作用。 本文的工作侧重于模数转换采集板的设计与采集控制模块的设计：模数转换 采集板的设计主要基于a d 9 4 4 6 采集芯片进行硬件的设计；采集控制模块的设计 主要基于f p g a 进行软硬件的设计，以下分别对其模块中部分子模块的工作原理 进行简要的介绍。 2 4 1 模数转换采集板的工作原理 模数转换采集板的工作原理主要介绍l v d s 电平的工作原理与源同步差分输 出的工作原理，以下分别加以介绍。 1 2 应用f p g a 的高速数据采集的设计与实现 1 l v d s 电平的工作原理 l v d s ( l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l ) 即低压差分信号传输，是一种满足当 今高性能数据传输应用的新型技术，使用该技术可使系统供电电压低至2 v ，因此 它能更多地满足未来的应用需求，它的低摆幅的差分信号使得信号能在差分p c b 线或平衡电缆上以几百m b p s 的速率传输，其低压幅和低电流驱动输出实现了低 噪声和低功耗。l v d s 技术拥有3 3 0 m y 的低压差分信号以及快速过渡时间，这可 以使信号达到l o o m b p s 至1 g b p s 的高速数据速率，此外，这种低压摆幅可以降低 功耗消散，同时具备差分传输的优点。其典型的点对点传输的示意图如图2 9 所 示。 l v d sl _ v d s li n oii n e q 一3 5m a 垃弛印j 住略 图2 9 典型的点对点l v d s 应用 从图2 9 可以看出，左端的l v d s 驱动器驱动两根5 0 欧姆的传输线至右端的 l v d s 接受器，l v d s 的q 与虿输出端传输信号至l v d s 接受器的对应输入端， 这两个5 0 欧姆的单端传输线可以是带状线或一根1 0 0 欧姆相似的均衡差分传输 线，在q 及虿信号末端有一1 0 0 欧姆跨阻，l v d s 使用电流驱动模式，类似于两 个同向或异向的高阻抗的电流源。l v d s 输出电流为“3 5 m a ，从而渡过1 0 0 欧的 跨阻时会产生一定的压摆。 在l v d s 的信号传输设计中，应注意以下几点：1 ) 应使用与传输媒质的差分 阻抗和终端电阻相匹配的受控阻抗线，并且使差分线对离开集成芯片后立即可能 地相互靠近，这样能减少反射并能确保耦合到的噪声为共模噪声。2 ) 使用差分线 对的长度应相互匹配以减少信号扭曲，防止由其引起的信号间的相位差而导致电 磁辐射。3 ) 尽量减少l v d s 走线的过孔和其它会引起线路不连续性的因素。4 ) 在差分线对内，两条线之间的距离应尽可能短，以保持接收器的共模抑制能力， 在印制板上，两条差分线之间的距离应尽可能保持一致，以避免差分阻抗的不连 续性。 2 源同步差分输出的工作原理 在过去的十年里，高速数据总线一直在不断地发展。它们不仅变得更快，而且 还在改变系统对数据的定时方式。为了增加数据吞吐量，新兴的同步数字总线可 利用一系列定时电路在每个周期中进行多次数据传送。 第二章应用f p g a 的高速数据采集系统的架构 1 3 目前为了解决高速数据总线传输的问题，发展了源同步差分输出的总线传输形 式，如图2 1 0 所示，左图为传统的数据传输机制，右图为采用源同步差分输出的 数据传输机制。 图2 1 0 采用源同步时钟和存储器控制器的s r a m 源同步差分输出的工作方式如下：在源同步的事务处理中，与数据( 每个时钟 周期可以是多个数据，如d d r ) 的每个字相关的时钟上升沿脉冲被发出，同时接收 器件采用时钟沿脉冲来对数据进行锁存，然后重新使数据与主时钟或公用时钟同 步。通过采用相同的器件来对时钟和数据控制信号进行同步处理和传输，信号的 电路板走线延迟( 相对于时钟) 就会被消除。 当在采用了一个为多个器件提供时钟的独立时钟发生器的系统中，首先要考 虑的是设计合理的走线长度，以使所有的时钟沿脉冲在相同的时刻到达器件。这 有可能需要延长至靠近时钟发生器的器件走线长度。当采用源同步方法时，主要 关注的是通过使输出时钟和数据信号的走线长度相匹配的方法来保持时钟与数据 之间的相位对准。如果走线匹配正确，则相对于时钟的数据传输延迟将不再适用， 这为源同步差分输出方式的主要优点。 在使用源同步差分输出的传输机制时，源同步时钟的上升沿必须与数据有效窗 口的起点相对齐，如q d r - i i d d r i is r a m 等大多数双倍数据速率存储器件均采用 的就是这种方法。在设计中如果存在因为布局设计所导致的走线长度变化问题， 则必须将时钟和数据走线之间的长度变化考虑在内。 2 4 2 采集控制模块的工作原理 基于f p g a 的采集控制模块在整个系统中起着控制器的作用，如图2 5 所示， 它主要包括数据缓冲、数据压缩以及时钟管理模块( d c m ) ，其中的数据缓冲模 块f i f o 以及时钟管理模块是通过x i l i n xf p g a 开发软件i s e 自带的p 核来生 成的，数据压缩模块是通过可编程逻辑来产生控制的。以下分别介绍d c m 、f i f o 的以及数据压缩模块的工作原理。 1 d c m 的工作原理【1 0 】 d c m ( d i g i t a lc l o c km a n a g e r ) 为数字时钟管理单元，它主要是用来降低系统时 钟抖动，对系统时钟信号进行相移以及倍频等，d c m 主要由四个独立的功能单 1 4 应用f p g a 的高速数据采集的设计与实现 元组成：1 、d e l a y l o c k e dl o o p ( d l l ) ；2 、d i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ( d f s ) ； 3 、p h a s es h i f t ( p s ) ；4 、s t a t u sl o g i c ( s l ) ，其框图如图2 1 1 所示。 图2 1 ld c m 的结构图 由图2 1 1 可以看出，其中c l k i n 为d c m 的时钟输入端，c l k f b 为反馈时 钟，c l k 0 为时钟的输出端，c l k l 8 0 为相对输入时钟相移1 8 0 度的输出时钟， c l k 2 x 为相对输入时钟的两倍频输出时钟信号，在本系统中，利用d c m 来产生 相位差为1 8 0 度的两路时钟信号，它们作为a d 采样的差分时钟信号即l v d s 信 号。d c m 能完成锁相、频率合成、相移、去s k e w 等功能，以下分别加以介绍： d c m 的锁相主要是用反馈的方法，即将输出时钟反馈到输入端，其工作原理 类似于锁相环的工作原理，d c m 的反馈包括内部反馈和外部反馈，内部反馈是 为了保证内部时钟与输入芯片的i o p a d 上的时钟相位对齐，外部反馈是为了保证 输出到外部的时钟的相位与输入芯片的i o p a d 上的时钟相位对齐，其中内部反馈 不用自己相连。 d c m 频率合成的输出c l k f x = m d c l k i n ( m 由c l k _ _ h f 0 l t i p l y 确定，d 由c l k i v i d e 确定) ，它有两种设置方式：1 ) 通过填写输出所要得到的输出时钟 c l k f x 的值，工具自动计算m d 的值；2 ) 根据输出的需要设置m d 的值。 d c m 的相移分为三种模式：1 ) 缺省，即输入与输出同相；2 ) 固定相移， 即输出相对于输入延迟的相位值是固定的；3 ) 可变相移，理论上可变相移可以产 生与c l k i n 任意相差的时钟信号，主要是用于产生信号延迟。 关于偏斜的调节，主要包括两种：1 ) 系统时钟同步，即同一数据路径中的驱 动时钟是同一时钟资源；2 ) 源同步，即数据和源同步时钟信号是同步传输的，保 证了两个时钟信号的飞行时间是一致的，理论上对系统时钟的最高频率没有任何 限制，是最高数据传输的通用方法。在默认的情况下，系统时钟为同步时钟，该 方式会自动增加一小点延迟，目的是捕获数据时具有零保持时间。源同步系统的 第二章应用f p g a 的高速数据采集系统的架构 1 5 时钟和数据是同步的，在采样的时候一般是把时钟采到数据的中间，以便满足建 立和保持时间。 2 数据缓冲器f i f o 的工作原理 f i f o ( f n s ti nf i r s to u t ) 存储器像一个数据管道，数据在一端流入、从另一端流 出，先写入的数据先流出。f i f o 有数据线而无地址线，通过指针来指向所要读写 的数据，看起来好像数据在其中顺序移动，从而达到很高的传输速度和效率。采 用f i f o 作为高速a i ) 采样缓存时，可以利用f p g a 方便地控制时序和数据传输， 从而保证数据不丢失地传给d s p 处理。f i f o 的框图如图2 1 2 所示。 【1 c d o u t f u l l a l m o s t f u l l e m p n a l m o s te m p t y 图2 1 2f i f o 的接口框图 如图2 1 2 所示，d i n 1 5 ：0 与d o u t 1 5 ：0 分别为f i f o 的数据输入输出端， w r _ e n 、r d _ e n 、c l k 、r s t 分别为写使能、读使能、时钟以及复位端，f u l l 、 a l m o s 删l l 、e m p t y 、a l m o s t _ e m p t y 分别为f i f o 的标志位，指示 f i f o 的满以及半满，空以及半空。f i f o 分为同步f i f o 以及异步f i f o ，其中同 步f i f o 只有一个时钟域，工作比较简单，而异步f i f o 工作在两个不同的时钟域， 它们的频率和相位不同，在一个时钟域里向f i f o 写数据，在另一个时钟域里把 f i f o 中的数据读走，从而实现异步时钟域数据的传递，f i f o 在异步通信领域有 着广泛的应用，当涉及到跨时钟域的数据传输时通过f i f o 来协调可以很好地传 递数据。f i f o 的设计中最主要的就是标志位的产生，即判断f i f o 的空和满状态， 以防止对f i f o 满时进行写操作，空时进行读操作，一般是通过读写指针来判断 f i f o 的空和满状态。 本系统中，f i f o 的输入数据和写时钟与外部输入接口信号相连，当有数据输 入时，f p g a 先对数据进行预处理，然后根据f i f o 满信号的状态来控制写使能信 号，决定数据的写入与否，如果f i f o 为满状态，输入数据将被丢弃( 这种情况在 设计系统时是尽量避免发生的) ；f i f o 的输出数据与读时钟连接到后级的d s p ， 当半满信号或者满信号有效时，f p g a 将产生外部中断，通知d s p 取走数据，同 时根据空信号的状态控制读使能信号，直到将f i f o 读空。 3 数据压缩模块的工作原理 在图像、波形的处理中为了能及时地处理数据量较大的信息，通常需要对采 集到的数字信号进行压缩，以供后续的处理模块进行处理、显示。本系统中，由 于前端采集的数据量较大，并且系统主要以峰值为处理对象，因此有必要用数据 川卧刚状酐 黹0 i o r 1 6 应用f p g a 的高速数据采集的设计与实现 压缩模块对采集来的数据按一定的压缩算法进行数据的压缩，在本设计中考虑到 a d 的采样率较高，采集的数据量比较大，为了能快速地对采样信号做出反应， 采用最值压缩的方式，其压缩算法如式( 2 1 ) 所示： = m a x l d ol i ld i f ，id zl | i 幽i f ) 式( 2 -