（通信与信息系统专业论文）基于fpga的usb接口实时数据采集与处理系统.pdf

基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 摘要 数据采集与处理系统在现代通信与测量中被广泛的应用，本文针对课题 “浮游植物粒径分布于浓度测量系统”中的实时数据采集与处理部分，设计实 现了该系统中荧光信号脉冲宽度的测量和多普勒信号频谱的计算的功能。本系 统采用f p g a 技术，以f p g a 为主芯片，与p c 机连接采用u s b 总线，利用其中的 数据处理功能模块对经过a d 转换后的采集数据进行处理，把处理后的信息传输 到u s b 总线上，从而对信息进行数据分析。 本文主要阐述了基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统的设计方 案，设计方案主要涉及到a d c 、f p g a 和u s b 接口方案的选取及配置，利用 x i l i n x 公司的开发工具i s e 设计出各个功能模块，并对其进行综合验证，对综 合后的结果通过m o d e l s i m 与i s e 自带的仿真工具进行了仿真验证。 本系统设计采用了x i l i n x 公司s p a r t a n 3 e 系列中有着比较丰富的存储单元 的x c 3 s 1 6 0 0 e 作为系统主芯片。利用x i l i n x 公司提供的开发工具i s e 中自带的 i p 核资源及硬件描述语言v e r i l o g 建模，设计出f i f o 、荧光信号处理、f f t 运 算、时钟控制d c m 等模块，并对上述的模块进行综合仿真，根据系统结构的整 体架构将不同的模块有机地结合起来。上述模块运算后的结果通过u s b 接口模 块传输到u s b 总线上，实现与p c 机相连，u s b 接口方案利用了c y p r e s s 公司生 产的c y 7 c 6 8 0 1 3 。 本系统通过加载输入由开发工具i s e 中所自带的c r o d i ci p 核搭建出的正 弦信号发生器产生的正弦信号作为输入，利用i s e 中自带的仿真工具和 m o d e l s i m 进行仿真验证。通过对仿真结果分析出，验证了该设计方案的正确 性，进而达到最终的设计目的。 关键词：f p g au s b 数据采集i p 核 r e ai tim ed a t aa c q uisit io na n dp r o c e s sin gs y s t e mb a s e d o nf p g aa n du s bin t e r f a c e a b s t r a c t d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mi sw i d e l ya p p l i e di nm o d e r n c o m m u n i c a t i o n sa n dm e a s u r e m e n t t h e p a p e rd e s i g n s ar e a l - t i m ed a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mt h a ta i m sa tt h es u b j e c t “p a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o no fp h y t o p l a n k t o ni nc o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m t h e s y s t e md e s i g n sa n dr e a l i z e st h ef l u o r e s c e n t s i g n a lp u l s e w i d t h m e a s u r e m e n ta n dd o p p l e rs i g n a ls p e c t r u mc o m p u t i n gf u n c t i o n s t h i ss y s t e m b a s e so nt h et e c h n o l o g yo ff p g aa n dt a k e sf p g at ob et h em a i nc h i p i ti s c o n n e c t e dw i t hp ca n du s e su s b ，u s i n gt h ed a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o nm o d u l e t op r o c e s st h ec o l l e c t i o nd a t at h a ti st r a n s f o r m e db ya d i tt r a n s f e r st h e p r o c e s s e di n f o r m a t i o ni n t ot h eu s bb u s ，t h u st h ei n f o r m a t i o ni sd a t a a n a l y s i s t h i sp a p e rm a i n l yd e s c r i b e st h eu s bi n t e r f a c eb a s e do nf p g ar e a l t i m e d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，t h er e l a t e dt h ef p g am o d u l e d e s i g n i n ga n dac o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o nv a li d a t i o n t h i sd e s i g nm a i n i n v o l v e sa d c ，f p g a ，u s bi n t e r f a c es c h e m es e l e c t i o n ，u s i n gt h ex i l i n x c o m p a n y sd e v e l o p m e n tt o o l si s ed e s i g n e dm o d u l e sa n dc a r r i n go nt h e c o m p r e h e n s i v ev e r i f i c a t i o n ，t h er e s u l t so fc o m p r e h e n s i v ew a st e s t e db y m o d e l s i mi s es e t f - c o n t a i n e d s i m u l a t i o nt o o l s t h i ss y s t e mu s e s s p a r t a n 3 ex i l i n xc o r p o r a t i o n sx c 3 s 1 6 0 0 ea sm a i n c h i p ，t h i sc h i ph a sar e l a t i v e l yr i c h f p g as t o r a g e w eu s ei pc o r e r e s o u r c e sa n dh a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g ev e r i l o gm o d e i i n go f d e v e l o p m e n tt o o l si ni s ed e s i g nf i f o ，f f to p e r a t i o n ，c l o c kc o n t r o ld c m m o d u l e ，e t c ，t h e ni n t e g r a t e ds i m u l a t i o nm o d u l e sa c c o r d i n gt ot h eo v e r a l l s t r u c t u r eo ft h es y s t e ma r c h i t e c t u r ew i l ld i f f e r e n tm o d u l e so r g a n i c a l l y i nt h i sp a p e r ，w eu s es i n es i g n a l sg e n e r a t e d b yas i n es i g n a lg e n e r a t o r i ni s ec r o d i ci pc o r ea s i n p u t ，m a k e s i m u l a t i o nw i t hm o d e l s i ma n d s i m u l a t i o nt o o l si ni s e w ev e r i f i e dt h ed e s i g ns c h e m eb yt h ea n a l y s i s o ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n da c h i e v et h ef i n a ld e s i g np u r p o s e k e yw o r d s ：f p g a ，u s b ，d a t aa c q u i s i t i o n ，i pc o r e 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 1 绪论 1 1 课题的研究背景 自上世纪6 0 年代以来，伴随着现代电子技术的高速发展及计算机应用水平 提高，数字信号处理技术应运而生并飞速发展，而今已形成一门独立的学科体 系，在数字通信、雷达、遥感遥测、图像处理、语音合成、生物医学、测量控 制等众多领域都获得了极其广泛的应用，有效的推动了众多工程技术领域的技 术改造与发展。而且随着现代科学技术的发展，其研究范围和应用领域还在不 断的发展和扩大，对信号处理的速度和精度的要求也在不断提高【l 】。与此同 时，作为数字信号处理技术的载体和实现平台的数据采集处理系统也必须不断 的发展和革新，以满足数字信号处理新技术的需求。数据采集与处理系统的主 要的性能指标是采样速度和精度。 数据采集与处理是对原始的杂乱的数据，如图像、文字、声音等所体现或 转化出来的各类数据进行采集和处理的过程，并对数据进行总结，变换，归 纳，描绘其规律。为满足不同设计的需要，应用于不同场合的数据采集与处理 系统所采用的主处理器也各不相同，主要分为通用和专用两大类。在工业科研 等领域通常采用的是专用数据处理芯片。目前专用数据处理方式通常有两类： 一类是利用数字信号处理芯片d s p 来实现，而另外一种是则是采用现场可编程 逻辑器件f p g a 来实现的。目前市面上用d s p 来实现的产品种类繁多，应用范围 更广泛，但d s p 本身也还有一些无法克服的缺点。虽然d s p 软件编程的灵活性 强，然而限于其指令的运行时问是单周期，并且其指令是串行方式的限制，每 个时钟周期所能运行的操作数有限，因而面对高速大规模的运算往往难以实 现。而f p g a 作为近十几年出现的出现的种新型可编程逻辑器件，目前相对于 d s p ，在该领域应用要少一些，尚有巨大的发展潜力；并且现代高速大规模的 f p g a 采用h d l 硬件描述语言实现整个系统，设计者可以利用并行处理技术，利 用内部的功能模块实现相关的算法，能有效的解决数字信号处理的问题【3 7 1 。 1 2 研究现状与发展动态 计算机技术的快速发展为现代数字信号处理技术高速大量地处理信息提供 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 了有效手段。p c 机在科研和生产中的应用越来越广泛，因此要求开发基于p c 系统的高性能廉价数据采集处理系统，以满足数字信号处理新技术的需求。 目前用于p c 机的数据采集卡大多是基于i s a 和p c i 总线的，传统的基于 i s a 总线的信号传输效率低，严重制约系统性能的提高 2 1 ；而基于p c i 总线的产 品在性能上虽然大大改善，但是其产品价格一直居高不下；而其他的一些远端 模块由于使用p c 机串口，速率受到极大限制。而u s b 总线从传统i 0 模式的桎 梏中解放出来，开创了一条外设与计算机连接的新方法【3 】，以其即插即用、传 输速度高、容错性高、软件兼容性好、价格低廉等众多优点成为当今最流行的 计算机总线。采用u s b 总线能实现数据采集系统与p c 机的实时、快捷、高速通 讯。 随着u s b 总线在各种电子产品中的普及，u s b 端口已经成为计算机的标准 设备，在p c 机上u s b 总线广泛应用已经是大势所趋，u s b 接口的数据采集设备 也开始出现在测控领域。伴随着u s b 总线技术的飞速发展，数据采集技术也取 得了长足进步，目前u s b 数据采集技术在国外己处于高速发展阶段。尤其是在 高速数据传输、高实时性、高同步性等方面有雄厚的技术实力。国外企业己经 推出了很多能适应不同条件，不同精度要求等情况的u s b 数据采集系列产品， 如d a t x 公司的d t 9 8 3 4 系列产品，美国o c e a n o p t i c s 公司的a d c i o o o - - u s b ，n i 公司的u s bd a q 卡系列。典型的是n i 公司研制的一系列u s b 数据采集卡： 1 3 该课题的研究目的 本文依据课题要求，设计个高速的实时数据采集与处理系统，对浮游植 物粒径探测中荧光信号和多普勒信号的进行采集与实时数据处理分析；研究基 于f p g a 技术的实时数据采集与处理技术，本数据采集与处理系统利用f p g a 芯 片作为整个数据采集与处理系统的主芯片，利用f p g a 内部的软核及v e r il o g 硬 件描述语言建模实现相关的算法，和外部u s b 总线进行数据通信，实现双通道 数据采集与处理。由于u s b 总线硬件接口复杂，不易于接入，协议规范比较繁 琐，常常需要专门的接口芯片作为桥接，为此，本文也提出一种基于f p g a 和 u s b 总线接口桥接逻辑的实现方案，来实现对采集后荧光信号和多普勒信号进 行综合分析处理。 2 基于f p 6 a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 1 4 课题的主要研究内容和主要工作 本课题主要有以下几个方面的工作： 1 基于f p g a 的数据采集与处理系统设计。 数据处理系统选用x i l i n x 公司s p a r t a n 3 e 系列的x c 3 s 1 6 0 0 e 为核心芯片， 并使用该公司提供的i s e i o 1 设计套件，利用其内部i p 以及v e r i l o g 硬件描述 语言进行建模，并通过x s t 、m o d e lsi m 等工具进行综合仿真。 2 u s b 接口设计。 深入研究u s b 2 0 总线技术，包括电气特性、数据传输类等。在此基础上， 提出了u s b 接口的数据采集系统的实际应用方案，设计并制作了基于f p g a 和 u s b 接口的数据采集和传输的硬件系统，编写了u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 的 固件程序。 3 模拟a d c 的设计。 模拟a d c 芯片采用的是德州仪器公司生产的一款高采样率、高精度、易使 用的1 6 位模数转换器a d s l 6 0 5 1 3 1 。 4 系统总体架构。 如图i - i 所示： _ h 图卜1 系统总体架构图 1 5 系统设计内容及考虑因素 本系统依据课题要求，对浮游植物粒径探测中荧光信号和多普勒信号的进 行实时采集与实时数据处理分析，用以获取浮游植物粒径分布。典型模拟的荧 3 基于f p g 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 光信号和多普勒信号如图卜2 所示。本系统需要实现的是荧光信号和多普勒信 号的采集，荧光信号时间半宽度的实时计算和多普勒频率信息，信息经过系统 处理后于p c 机上显示。本系统主要包括如a d 转换、荧光信号处理、多普勒信 号处理等几个功能单元；利用f p g a 内部的逻辑单元，建立相关的时序逻辑控制 模块、存储模块、荧光信号时间半宽度模块和多普勒信号频谱计算模块；使用 f p g a 开发工具对设计的模块进行综合分析、功能仿真、时序约束、时序仿真、 板级验证等。 图1 2 典型模拟荧光信号和多普勒信号波形图 ( 上图为荧光信号，下图为多普勒信号) 1 6 + 系统要求指标 1 6 1 技术指标需求 本数据采集与处理系统的主要技术指标有： 输入模拟通道数为2 ，并行输入方式，1 m h z 的最高频率分辨力，1 6 位的 a d 分辨率以及大于2 1 皿- i z 的a d 转换频率。 1 6 2 系统功能指标 采集系统前端为光电倍增模块p m t ，系统通过p m t 模块采集模拟信号，将 采集的双通道的模拟信号进行实时处理，转换为数字信号，然后通过f p g a 芯片 来对采集到的双通道数字信号进行处理，最后通过u s b 总线将数据从f p g a 芯片 中传输到计算机的内存中，通过软件显示，以实现数据的实时处理和现场检 测。 4 基于f f g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 1 7 本章小结 本章叙述了本课题的研究背景及意义，并根据主要课题的主要研究目的， 确定了课题的主要研究内容和系统的整体架构；介绍了国内外数据采集与处理 系统技术的研究动态及发展趋势，为整个系统的开发设计奠定了基础。 5 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 2f p g a 的概述及系统芯片选型 2 1f p g a 概述 2 1 1 可编程逻辑器件与f p g a 可编程逻辑器件p l d 是一种通用集成电路，用户可以通过自行编程来指定 其逻辑功能。p l d 有很高的集成度，可以满足一般设计要求的数字系统，设计 人员可以自行编程便能将数字系统“集成 在p l d 上，既节约大量的时间和又 可以节约成本。 p l d 分类方法繁多，按照颗粒度可分为：大颗粒度、中等颗粒度、小颗粒 度。按照编程的工艺可以分为：可擦除的可编程只读存储器编程器件、熔丝和 反熔丝编程器件、电可擦除的可编程只读存储器编程器件、s r a m 编程器件。 2 0 世纪8 0 年代，a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了与标准门阵列类似的f p g a 与类似于p a l 结构的扩展性c p l d ，使逻辑运算速度大大提高，具有体灵活的系 结构和逻辑单元、高度集成以及适用范围广等特点，兼容通用门阵列和p l d 和 优点，不但能实现超大规模的电路，而且编程方式也更加灵活。 f p g a 即现场可编程门阵列，它是在p a l 、g a l 、c p l d 等可编程逻辑器件的 基础上进一步发展而产生的。它是作为专用集成电路( a s i c ) 中的一种半定制 电路而出现，既解决了全定制电路设计复杂、周期长：修改难度大的不足，又 克服了原有可编程逻辑器件门电路数有限的缺点。 2 1 2f p g a 的基本工作原理 经过近2 0 年的发展，f p g a 己成为数字系统设计的主要硬件平台。它是集 成度最高的专用集成电路之一。 f p g a 内部是s r a m 工艺，因此可以用来被反复烧写，实现的逻辑功能是利 用反复配置的结构，查找表恰好满足设计的这个要求，其利用配置文件来配置 查找表的内容，在电路结构相同的情况下实现不同逻辑功能的作用【6 】。 查找表简称为l u t ，其本质上就是一个r a m 。它将逻辑数据写入r a m 后，每 当有信号输入就对其对应的地址进行查找，得到与地址相对应的内容，然后输 出。基于l u t 的f p g a 集成度非常高，可达到数万乃至数千万门，因而能够有效 的完成复杂的组合逻辑与时序逻辑电路。 6 基于f p g 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 2 1 3f p g a 的内部机构 f p g a 芯片内部结构如图2 - i 所示： 。蜇i 委： 釜：釜 i i ：t ：_i tt l1l _ _ _ 1 _ _ _ 一 i 的b c l 曼-c l i _ _ 目- - g _ # 自f * _ ，i 婚薯 一 喀 t 一嗍r 、i ii l l 褥嘻 ， ic i 囊c u b ic l 皇 s 。 l ” i ； _ 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 图2 - 2f p g a 开发流程图 1 t 设计输入，将根据电路的功能要求设计的行为或结构描述输入给e d a 软 件，通常有硬件描述语言和原理图设计输入法。 2 功能仿真，也成为逻辑仿真，对设计输入的文件用仿真工具对其进行基 本的功能上的仿真，以验证其逻辑功能是否符合设计要求。通过仿真可以及时 发现设计工作中出现的错误及缺陷，加快设计进度，提高设计的稳定性及可靠 性。 3 综合，综合是指将设计输入的h d l 语言、原理图等内容及代码翻译成由 逻辑门，触发器等基本逻辑单元组成的门级网表，并根据其与约束条件优化所 生成的逻辑单元连接，输出e d f 和e d n 文件，以供系统进行实现。 4 综合后仿真，综合后用来检验综合结果与原设计是否一致，其把综合生 成的文件反注释到后仿真模型中，主要用来计算门延时带来的影响。 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 5 设计实现与布局布线，综合后，使用f p g a 厂商所提供的布线工具，根据 所选的具体芯片，将综合输出的逻辑网表映射到具体器件上，其整个过程叫实 现过程，实现过程通常分为翻译、映射和布局布线等。 6 时序仿真与验证，布局布线后再次进行的时序仿真。时序仿真中需将布 局布线的时延文件等反注释到设计中，使仿真含有门延时，线延时等延时信 息。有时为了保证设计工作的一致性，在时序仿真后继续做进一步验证。 7 器件编程与调试。完成以上步骤后，进行的是在线调试或者将生成的配 置文件写入芯片中进行调试，这也是设计开发的最后一步。 在设计工作中，如果在任何以上步骤中出现了问题，都需要根据其错误的 定位返回到相应的设计步骤中进行更改或者重新设计。 2 3f p g a 设计及仿真工具 2 3 1f p g a 设计工具一x i l i n xi s e x i l i n x 作为当今全球最大的f p g a 生产厂商之一，长期以来不断推动着 f p g a 技术的发展；i s e 是x i l i n x 公司的f p g a 综合集成平台，该平台集成了从 设计输入、仿真、逻辑综合、布局布线与实现、时序分析、芯片下载与配置、 功率分析等几乎所有的f p g a 开发所需要的功能嘲。随着f p g a 器件长期、快速 的发展，该开发工具也随着技术的发展而不断更新升级，开发工具现在逐步发 展到i s e1 2 x 系列阳1 。本系统设计所使用的版本为i s e1 0 1 。 在本系统设计中，综合工具使用i s e 自带的x s t ，仿真工具使用i s e 自带 的仿真工具s i m u l a t o r 及m e n t o rg r a p h i c s 公司m o d e l s i m 。3 3 3 将简要介绍 仿真工具m o d e l s i m 。 2 3 2i s e 的开发流程 i s e 的开发流程包括了f p g a 设计的所有的步骤，其中涉及到设计输入、功 能验证、设计综合、设计实现、芯片配置以及在线调试等，其操作流程如下图 2 - 3 所示。 9 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 图2 - 3i s e 的开发流程 2 3 3f p g a 仿真工具一m o d e l s i m m e n t o rg r a p h i e s 公司的产品m o d e l s i m ，是业界久誉盛名的仿真工具之 一，其仿真功能强大，图形化界面友好，而且具有结构j 信号、波形、进程、 数据流等仿真窗口，并支持v h d l 和v e r i l o gh d l 混合仿真。 m o d e l s i m 是一个独立的仿真工具，它在运行的时候不需要其它软件的协 助，并且在i s e 开发环境中，已经给m e d e l s i m 预留了仿真接口，这使得i s e 可 以通过这个接口直接调用m o d e l s i m 进行仿真。 2 4 硬件描述语言h d l 2 4 1h d l 概述 硬件描述语言h d l 是文本的形式描述硬件电路的功能，信号连接关系以及 时序关系。它虽然没有图形输入那么直观，但功能更强，可以进行大规模，多 个芯片的数字系统的设计m 。 i o 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 在e d a 设计领域中，通常把用于h d l 建模和综合后生成的门级网表称为固 核，而由h d l 语言建立起来的数字系统模型则被称为软核，这些成品或半成品 的功能模块在一次或多次设计中可以反复利用，其大大提高了设计效率，缩短 设计周期川。 目前最主要的硬件描述语言是v h d l 和v e r i l o gh d l 。v h d l 发展的较早，语 法严格，而v e r i l o gh d l 是在c 语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言，语 法较自由。本系统设计使用v e r i l o g 为主要的硬件描述语言。 2 4 2h d l 语言的特点 通常的硬件描述语言有着共同的特村s l ：硬件的语言描述与实现的工艺、器 件、厂商无关；可以抽象的描述电路的行为和结构；并可借用高级计算机语言 的精简结构来方便的简化电路行为描述；同时具有电路仿真与验证机制以检验 设计的正确性、匹配性；支持电路的行为描述从高层到底层的综合转换功能。 2 4 3v e r i l o gh d l 开发流程 v e r i l o g 开发f p g a 的流程如图2 - 4 所示。 图2 4v e r i l o g 开发f p g a 的流程图 基于f p g & 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 2 5x i l i n xf p g a 芯片选型 本文依据课题要求，设计一个高速的实时数据采集与处理系统，对浮游植 物粒径探测中荧光信号和多普勒信号的进行采集与实时数据处理分析，其芯片 选择应本着实用性、高性价比原则。在为整个系统选择合适的f p g a 芯片要考虑 到多方面的因素。选择正确的f p g a 类型可以避免系统开发中遇到意想不到的困 难，提高设计效率。 1 生产商的选择。当今，f p g a 的主要生产厂家有x i l i n x 和a l t r e a 两家公 司。就产品的推广度来讲，x i l i n x 公司的f p g a 占据了大部分的市场份额。另 外最重要的一点就是x i l i n x 公司的f p g a 网上资源丰富，其开发套件价格便 宜，适合初学者学习。所以本系统选用了x i l i n x 公司的f p g a 芯片。 2 芯片的选型。x i l i n x 公司的f p g a 芯片主要由两大系列，即s p a r t a n 和 v i r t e x 。由于本系统设计主要是本着实用性原则，考虑到设计成本，因此放弃 使用x i l i n x 公司的高端产品v i r t e x ，而使用s p a r t a n 系列。而在s p a r t a n 系 列中，当属s p a r t a n 3 e 的性价比最高。s p a r t a n 3 e 系列f p f a 技术特征如表2 一l 所示。 分布式最大可最大差 系统s l i c e块r a m专用乘d ( 瑚 型号 f 洲 用i 0分i 0 门数数目容量法器数数目 容量数对数 x c 3 s i o o e 1 0 万 9 5 01 5 k b7 2 k b421 0 84 0 x c 3 s 2 5 0 e 2 5 万 2 4 4 83 8 k b2 1 6 k b1 241 7 26 8 x c 3 s s o o o e5 0 万 4 6 5 6 7 3 k b3 6 0 k b 2 042 3 29 2 x c 3 s1 2 0 0 e1 2 0 万8 6 7 21 3 6 k b5 0 4 k b2 8 83 0 41 2 4 x c 3 s1 6 0 0 e1 5 0 万1 4 7 5 22 3 1 k b6 4 8 k b3 6 83 7 61 2 6 表2 - 1s p a r t a n 3 e 系列f p f a 主要技术特征 本系统利用开发工具i s e 所提供的软核以及v e r i l o g 硬件描述语言进行建 模，构建出设计中需要的各个逻辑功能单元，利用内部的d c m 模块为整个系统 构建时钟资源，而逻辑功能模块和时钟模块所占用的芯片资源空间不大，而存 储单元则相对占用的空间会多一些，总共占用的存储空间约5 0 0 k b 一6 0 0 k b ，因 此选择s p a r t a n 3 e 系列的x c 3 s 1 6 0 0 e 这一款的f p g a ，该款的f p g a 拥有多达 基于f p g a 的1 j s b 接口实时数据采集与处理系统 6 4 8 k b 的内部r a m ，能够充分满足设计的需求，同时有着3 6 个乘法器来有效的 完成相关的算法，而8 个d c m 模块能够为整个系统提供丰富的时钟资漂6 】。 2 6 本章小节 本章主要介绍了f p g a 概况、原理、结构、技术特点等；以及其产品开发流 程、设计工具、描述语言；对x i l i n x 公司的f p g a 产品做了简要介绍，并选择 了x c 3 s 1 6 0 0 e 作为本系统设计所用的f p g a 主芯片。 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 3 数据采集与处理系统的系统设计 3 1 数据采集与处理系统的设计思路 3 1 1 数据采集与处理系统的构思 本系统以x i l i n x 公司的x c 3 s 1 6 0 0 e 为核心芯片，利用该款f p g a 内部的逻 辑器件和软核及v e r i l o g 硬件描述语言进行建模，并构建出不同的逻辑功能和 存储等模块，通过x i l i n x 公司提供的i s e 开发工具建立起有效的时序逻辑，通 过m e d e l s i m 等仿真工具对其进行功能和时序验证，从而实现最终的设计目的。 3 1 2 数据采集与处理系统实现的功能 本数据采集与处理系统，要求采用双通道采集，同时两路a o 进行采集。 一路采集荧光信号，计算其荧光脉冲时间半宽度；另一路采集多普勒信号并计 算其频谱信息。每一路要求达到i m b p s 的采样速率，每次采样8 k 点的数据。本 系统共需要两片a d c 和运放。每片a d c 和运放组成一个通道。 3 1 3 采集预触发原理 数据采集系统对数据的采集工作开始时，就从a d c 中读取数据，但这些数 据并不能保证是系统所真正需要处理的，因此需要加上预触发功能，以保证所 采集到的数据是真正需要的。 整个数据采集工作分为两部分，一是对起始数据的采集，本系统首先设置 - - f 7 限值，要求当连续3 2 个数据的平均值达到门限值时，预触发启动，开始数 据采集，并连同之前储存的数据一起读入。二是对后续部分数据的采集。其中 预触发模块就是针对第一阶段进行的。 预触发模块的主要部分是一个循环b u f f e r ，其原理如图3 - i 所示，当n 循 环b u f f e r 中无数据时，b u f f e r 就是会直存储数据，当数据已满时，新采集 的数据将覆盖已有的旧数据，如图第n + i 和n + 2 个数据来临时就会代替第1 、2 个数据的位置。 1 4 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 x o x 1 x 2 x 3 x n - 1 x n x n + 1 x n + 2 x 2 x 3 x n - 1 x n 图3 - 1n 循环b u f f e r 原理示意图 本系统的预触发便是在b u f f e r 中进行，b u f f e r 深度为2 k ，系统工作时首 先读入2 k 个数据，只要没有达到触发门限就一直进行循环存储，直达3 2 个数 的累加平均值达到了门限，便开始正式数据采集。这是将已存储的2 k 个数据和 后面的6 k 数据，一共8 k 数据送入双通道中进行数据处理。 3 2 运算放大模块 运算放大模块用来驱动模数转换器，本设计方案中采用的是t i 公司的全差 动运算放大器t h s 4 5 0 3 。其特点为 9 1 ：高分辨率、高精度及出色动态范围的应用 等，可以广泛应用于压力表、流量计等测量设备中，并且可满足电池供电设备 的要求。图3 2 为该运算放大器的的波特图。由图可见，设计的放大倍数略微 小于l ，而信号的放大倍数在2 m 频率的范围内并无明显下降【i o l ，在6 5 m 时只 为一7 1 2 1 d b ，因此系统的设计满足要求。 本系统中的共模电压是由外部芯片来提供的，设计中计划采用t i 公司的 r e f 3 0 2 0 来提供外部2 0 4 8 v 的共模电压。r e f 3 0 2 0 的基本指标有】： 最大静态电流：5 0 u a ： 最高精度：0 2 ； 最高输出电流：2 5 m a ； l s 基于f f g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 输出电压：2 0 4 4 v - 2 0 5 2 v ， 其典型值为2 0 4 8 v 。 图3 2t h s 4 5 0 3 运放系统的波特图 3 3a d c 模块设计 3 3 1a d c 的选取 a d c 部分在整个系统中起着桥梁般的作用，其精确与否直接关系到了整个 系统的数据分析，如果a d c 采集到的数据出现太大的偏差，将使得整个系统最 终的处理结果变的毫无意义。 a d c 模块主芯片采用的是一型模数转换器a d s l 6 0 5 ，该芯片是t i 公司生 产的。其主要的性能指标为： t 采样率：5 m s p s ； 供电电压：模拟电压+ 5 v ； 数字电压+ 2 7 - 3 6 v ； 数字i o + 2 7 5 2 5 v ； 总谐波失真：一9 9 d b ； 通带纹波：+ 一0 0 0 2 5 d b ； 信噪比：8 8 d b ； 功耗可调：3 1 5 5 7 0 m w ； 3 3 2a d s l 6 0 5 的相关特性 图3 - 3 为a d c 的内部结构图。其包括s i g m ad e l t a 模块和数字滤波器。 a d s l 6 0 5 是d e l t a - s i g m a 型a d c ，由于其特殊结构和内部集成得数字滤波器， 1 6 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 过采样率为8 ，这些使得在本系统中不需要增加快速滚降的抗混叠滤波器，从 而在一定程度上简化了系统设计。 图3 3a d s l 6 0 5 内部结构图 a d s l 6 0 5 的输出采用的是1 6 位补码形式输出，其数字输出和信号输入电压 的对照关系表如表3 - 1 嘲。 1“ _ 、u 、。 _ 、_ 一 - _ 一l l _ _ l n p u ts l g n a l -i d e a lo u t p u t f i n p z n n ) c o d e ( 1 一一：一一 + 1 4 6 7 v r e fp0 0 b ) 7 f f f h 1 。4 6 7 v r e f o d 8 ) 7 f f f h + 4 6 7 v 黻r 2 j 嚣惴1 o - 1a 6 7 v n j e f - 一 2 1 s 一1 一，4 6 7 v 孵( 器) o t r 1 o 0 a ， 0 o ：j 。铆v 蝌一 8 。嗡 ： 表3 - 1a d s l 6 0 5 对照关系表 由表中的数据可以看出，当 d c 的+ - 输入端的差值为o 时，a d c 的1 6 位 输出数据总线上的电平均为低电平，而且最大值和最小值为参考信号的1 4 6 7 倍，所以参考信号的选择非常重要。a d c 设计中的电压参考有两种可选方案， a p # l - 部电压参考和内部电压参考。a d s l 6 0 5 的外部电压参考与内部电压参考如 图3 - 4 和图3 5 所示。 1 7 锹 一销一哺 嘞 蝴 蝴一孵 湖 基于f p ( ；a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 图3 4a d s l 6 0 5 的外部电压参考 图3 5a d s l 6 0 5 的内部电压参考 由图3 4 可以看出，使用外部电压参考，对a d c 的转换精度有很大提高， 换言之即可以提供相对更加稳定的电压参考，但是采用的是外部电压参考，需 要使用多片运放级联，而考虑到系统本身性能和经费都问题，权衡之下，为了 节约成本和p c b 资源，本设计方案采用图3 - 5 所示的内部电压参考【1 3 】。 3 3 3a d c 的时序设计 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 作为一款高速的模数转换器，a d s l 6 0 5 要求用晶振产生的高质量时钟信 号，而采用频率合成器等方法产生的时钟因为质量要不到要求，因而并不适合 为a d s l 6 0 5 提供时钟信号。 a d s l 6 0 5 的数据总线有三种状态，若两片a d c 的数据总线同时为数据有效 状态，将产生数据传送竞争，即a d c 主芯片无法采集到正确的数据信息。因此 当一条采集通的a d c 在采集数据时，另一通道的a d c 的数据总线必须设置为高 阻状态，这样才可以保证正确采集数据。为了控制协调两条通道的a d c 的高阻 状态，需要对# c s 和# r d 进行设置，来使得输出有效，其设置关系如表3 2 所 示。 e 8r d d 0 t r r is ：0 l ooa 跏 8 h 均h m p e o a 喇渖 to 匈hi m 9 础f 燃 l h i g hi r r i p 。d a a c a 表3 2 # c s 和# r d 表 3 4 电源模块设计 根据s p a r t a n 3 e 系列f p g a 数据手册的推荐电压，其专用内核工作电压 v c c i n t 为1 2 v ，b a n k 电压v c c o 为3 3 v ，而运放和a d c 要求的电压均为5 v 。 本系统采用计算机上的u s b 接口来供电，由于u s b 接口提供标准的+ 5 v 电压， 因此需要将+ 5 v 电压转换成系统各部分中所需要的电压。 本系统采用了s p x i l l 7 和a m s l l l 7 两款d c d c 芯片来完成电压转换工作。 其中s p x i l l 7 实现的是5 v 电压转3 3 v ，其转换电路原理图如图3 - 6 所示。 a m s l l l 7 则实现5 v 电压转1 2 v ，其转换电路原理图如图3 7 所示。 1 9 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 d 2 门 x i117 6 v - 3 3 v ) 0 u t r 3 。 g n d r 嚣2 ； 二c 7 ：=兰婴1 k 弋 p( _ a p 1 盘p 一 - 1 0 u f _ u fo 1 u i _ 刁 g n d 图3 - 65 v 电压转3 3 v 原理图 图3 - 75 v 电压转1 2 v 原理图 3 5f p g a 配置模块设计 3 5 1f p g a 配置方式 针对不同的芯片及设计场合，x i l i n x 主要为f p g a 芯片提供了以下几种配 置方式n 4 】： 其中通用模式有四种： 1 j t a g 模式； 2 m a s t e rs e r i a l 模式； 3 s l a v es e r i a l 模式； 4 p a r a l l e l 模式； 基于f p g a 的u s b 接口实时数据采集与处理系统 除了以上4 种通用模式外，x i l i n x 公司的s p a r t a n 3 e 和v i r t e x 5 这两个系 列的f p g a 还支持s p i 和b p i 模式【1 5 】。 1 s p i 模式。s p i 配置模式常用于已采用了s p i 串行f l a s hp r o m 的系统， 在上电时将配置数据加载到f p g a 中，这一过程只需向s p i 串行发送一个4 字节 的指令，其后串行f l a s h 中的数据就像p r o m 配置方式_ 样连续加载到f p g a 中。一旦配置完成，s p i 中的额外存储空间还能用于其它应用目的。 2 b p i 模式。b p i 配置接口主要用于支持标准的并行n o r 闪存以及字节位宽 或字位宽的p r o m 芯片。在b p i 模式下，f p g a 从外部标准的n o r 闪存或n a n d 闪 存中，以字节宽度并行地获取配置数据。b p i 配置模式中，通过模式引脚( m 2 、 m 1 和m o ) 的选择，可实现地址递增和递减配置，因此在一片n o rf a s h 中至少可 以存放两个不同的设计文件。 本系统采用的即是b p i 模式，b p i 模式的配置方式如下图3 8 所示： + l2 v 图3 - 8b p i 配置模式示意图 配置引脚主要有：配置启动引脚d o n e 和模式引脚m 0 、m 1 、m 2 ，配置时钟 引脚c c l k ，异步复位引脚p r o g ，边界扫描引脚t c k 、t m s 、t d i 、t