基于FMC的数据采集及PXIe载板研制毕业论文.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 基于 fmc 的数据采集及 pxie 载板研制 development of data acquisition and pxie carrier card based on fmc standard 任彦林任彦林 哈尔滨工业大学 2015 年 6 月 国内图书分类号 tp274 2 学校代码 10213 国际图书分类号 621 38 密级 公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 基于 fmc 的数据采集及 pxie 载板研制 硕 士 研 究 生 任彦林 导师 刘旺副教授 申请学位 工学硕士 学科 仪器仪表工程 所在单位 电气工程及自动化学院 答辩日期 2015 年 6 月 授 予 学 位 单 位 哈尔滨工业大学 classified index tp274 2 u d c 621 38 thesis for the master degree in engineering development of data acquisition and pxie carrier card based on fmc standard candidate renyanlin supervisor associate prof liu wang academic degree applied for master of engineering speciality instrumentation engneering affiliation school of electric engineering and automation date of defense june 2015 degree conferring institution harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i 摘 要 系统级测试平台模块化设计通常以板卡为单位 实现不同指标和功能 随 着夹层卡技术的出现 使得模块化设计细化到板级设计上 fpga mezzanine card fmc 标准的提出将板卡设计分为两个部分 分别为作为处理引擎的载 板模块和作为 i o 引擎的夹层卡模块 在简化接口模块设计的同时最大化载板 的重复利用率 本文基于 fmc 标准研制 pxie 载板和数据采集夹层卡 应用于 数据采集系统 pxie 载板采用 pxi express 总线作为通信接口 板卡通过并联 8 片 ddr2 sdram 内存颗粒 mt47h128m8 实现 1gb 的存储容量 同时采用 fmc 接口模 块向外部提供高速且可重配置的数字 i o 资源 通过 fmc 接口模块的标准化设 计实现对不同夹层卡模块的控制功能 fmc 数据采集夹层卡从功能角度出发 主要实现高速数据采集 板卡集成 adc08d1520 芯片实现最高 3gsa s 的采样 率 外围电路包括模拟前端输入电路 高速差分时钟电路以及夹层卡信息存储 电路 夹层卡整体尺寸结构完全依照 fmc 标准设计 用于载有 fmc 标准接口 模块载板实现数据采集功能扩展 通过 pxie 载板和 fmc 数字采集夹层卡的互连 实现完整的数据采集 处 理和传输的功能 同时验证了 pxie 载板 fmc 接口模块的标准化设计 检测了 fmc 数据采集卡的基本性能 经测试得出夹层卡模块模拟输入带宽大于 600mhz 有效位数在带宽范围内达到 6 5bits 左右 关键词关键词 fmc ddr2 sdram 高速数据采集 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract the system test platform usually takes the board as the unit to realize the different targets and functions the emergence of the fpga mezzanine card fmc standard has decoupled the i o interfaces from the fpga thus realizing the modularization of the board design this practice successfully divided the board into a processing engine the carrier card and an i o engine the fmc module simplifying the i o interface module design and meanwhile maximizing the reuse of carrier cards this paper presents the development of fmc universalcarrier card and mezzanine card which are applied to the data acquisition system the pxie carrier card uses pxi express as the communication interface and integrates 1gb memory by eight ddr2 sdram chips also the carrier card provides high speed and reconfigurable digital i o interface through the fmc connector the carrier card can realize the control of different mezzanine card by designing standardized fmc interface module the fmc high speed adc i o mezzanines module realizes the function of high speed data acquisition which can supplies 3gsa s sampling rate by chip adc08d1520 the peripheral circuit includes analog front input circuit high speed differential clock circuit and the card information storage circuit the overall structure of mezzanine card is designed strictly according to the fmc standard which can be applied to carrier card with fmc connect for the data acquisition function expansion to test the performance of the pxie carrier card on data acquisition applications we connect universal carrier cards with fmc high speed adc i o mezzanines module through the test of adc mezzanine card the bandwidth of data acquisition is above 600mhz and in the bandwidth range the enob is about 6 5bits keywords fmc ddr2 sdram high speed data acquisition 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii 目 录 摘 要 i abstract ii 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景和研究目的及意义 1 1 2 fmc 标准概述 1 1 2 1 夹层卡技术的发展 1 1 2 2 fpga mezzanine card fmc 标准 2 1 3 国内外研究现状分析 4 1 4 主要研究内容及论文结构 6 第 2 章 总体方案设计 8 2 1 设计需求分析 8 2 1 1 pxie 载板需求分析 8 2 1 2 fmc 数据采集夹层卡需求分析 9 2 2 载板主要芯片选型 10 2 2 1 存储芯片选型 10 2 2 2 fpga 芯片选型 12 2 3 详细方案设计 13 2 3 1 pxie 载板 13 2 3 2 fmc 数据采集夹层卡 14 2 3 3 系统功能测试 15 2 4 本章小结 16 第 3 章 基于 fmc 标准的 pxie 载板研制 17 3 1 pxie 载板硬件电路设计 17 3 1 1 fpga 配置电路设计 17 3 1 2 ddr2 存储模块电路设计 18 3 1 3 fmc 接口电路设计 21 3 1 4 pxie 接口电路设计 25 3 1 5 供电系统设计 27 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 3 2 pxie 载板逻辑设计 28 3 2 1 ddr2 sdram 逻辑设计 29 3 2 2 pxie 接口逻辑设计 34 3 3 本章小结 37 第 4 章 fmc 数据采集夹层卡的研制 38 4 1 fmc 夹层卡结构选型设计 38 4 2 数据采集夹层卡硬件设计 39 4 2 1 adc 电路设计 39 4 2 2 adc 模拟前端设计 41 4 2 3 adc 时钟设计 44 4 2 4 eeprom 电路设计 45 4 3 数据采集夹层卡逻辑设计 46 4 3 1 高速时钟配置逻辑设计 47 4 3 2 adc 扩展配置逻辑设计 48 4 3 3 数据接收逻辑设计 49 4 3 4 fmc 信息存储逻辑设计 50 4 4 本章小结 53 第 5 章 系统调试与测试 54 5 1 系统硬件电路调试 54 5 2 载板功能测试 54 5 2 1 ddr2 sdram 功能调试 54 5 2 2 sram 功能调试 56 5 3 fmc 数据采集夹层卡测试 56 5 3 1 数据采集功能验证 56 5 3 2 数据采集模块带宽测试 59 5 3 3 数据采集动态性能测试 60 5 4 本章小结 64 结论 65 参考文献 66 附录 69 攻读学位期间发表的学术论文 70 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 71 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 v 致 谢 72 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第1章 绪论 1 1 课题背景和研究目的及意义 随着被测对象测试要求的不断提高 测试技术也在逐步发展与完善 1 面对日益变化的测试需求 测试设备与仪器也需要同步的进行更新 在这种 情况下 通常会造成资源的浪费和不必要的重复设计 通用化和模块化的设 计思想可以有效的避免和减少类似问题 这要求在设计时要更注重软件和硬 件的统一以及仪器设备的标准化 包括总线标准化 通信协议标准化和仪器 尺寸标准化等 2 随着夹层卡标准的提出和不断发展 使得模块化思想深入 到板级设计上 在较为完善的硬件平台上 通过夹层卡模块实现功能扩展 结合硬件平台逻辑重构的功能实现多功能的现场测试成为了现代实时测试系 统发展的主流趋势 数据采集作为测试测量领域主要的研究方向 在实际应用中 不同的应 用环境与测试需求对于数据采集要求的功能和指标也各不相同 以往设计数 据采集卡通常采用单板设计方式 将数据采集部分和控制部分集成在同一块 板卡上 这种设计的弊端在于一旦数据采集部分的分辨率 通道数或采样率 中任意一种需求发生变化 设计者就需要重新设计整块板卡以满足新的设计 需求 造成了资源的浪费 而且在后期也需要大量重复的调试工作 fmc 标 准的提出解决了上述问题 设计者可根据 fmc 标准将功能板卡分为两部分 处理引擎 载板 i o 引擎 夹层卡 根据不同的测试要求 只需重新设 计夹层卡模块 而负责处理控制夹层卡模块的载板可被重复利用 3 本课题主要任务是根据 fmc 标准 研制数据采集系统 pxie 载板 该载 板可用于板载符合 fmc 标准的夹层卡模块 实现功能扩展 同时完成 fmc 数据采集夹层卡的研制 该模块可以与 pxie 载板连接 实现高速数据采集 的功能 1 2 fmc 标准概述 1 2 1 夹层卡技术的发展 夹层卡技术从 1993 年 vme 计算机总线兴起开始发展 最早提出的夹层 卡标准为 common mezzanine card cmc 标准 也称为 ieee 1386 标准 4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 该标准主要定义了夹层卡的机械结构 基本尺寸以及前面板 i o 但对连接 器信号未作明确说明 只作为普通连接器使用 pci mezzanine card pmc 标准是在 cmc 标准基础上提出的 cmc 标准定义了 pmc 夹层卡系列的物理结构和环境应用规范 同时 pmc 标准融 合 pci 2 0 的电气和逻辑规范 5 在指定连接器引脚上定义了 pci 标准信号 目前主要应用于单槽的 vme vme64 和 vme64x 等计算机总线板卡上 在 项目开发中也常用到以 fpga 作为主控芯片的板卡上 是目前应用较为广泛 的一种夹层卡标准 此外 pmc 标准还是一种开放性的标准 在其基础上修 订了其他专用的夹层卡标准 包括应用板载处理器的 processor pmc prpmc 标准 应用于 pci x 总线的 pci x pmc 标准等 switch mezzanine card xmc 标准也是在 pmc 标准基础上提出 由 vita 标准组织 vso 制定 基于 xmc 标准研制的夹层卡模块也称为快速 夹层卡 是由于标准定义接口支持串行传输协议而非并行传输协议 6 xmc 标准和 pmc 标准相比增加了 p5 连接器 用于单独的支持 pci express 高速 串行 rapidio 夹层卡的单次设计只能支持一种协议并不能兼容所有的协议 这也使得 xmc 标准在串行传输中的应用有一定的局限性 目前基于 xmc 标 准的夹层卡主要应用光纤通道等于高速数据传输 advanced mezzanine card amc 标准称为高级夹层卡标准 于 2004 年由 pcimg 全球 pci 工业计算机制造组织 提出 设计基于 atci 的体系 架构 7 其主要特点在于接口采用金手指形式 同时能够实现热插拔的功能 amc 标准下包含四个子标准 分别定义接口串行传输协议信号 基于 amc 标准研制的夹层卡通常将处理器放置在夹层卡上 amc 夹层卡缺点在于它的 尺寸均远大于其他类型夹层卡 不利于小型化设计 1 2 2 fpga mezzanine card fmc 标准 2008 年 7 月 vita 57 fpga mezzanine card fmc 标准由美国国家标 准协会 ansi 批准发布 该标准的制定成员包括 xilinx 等 fpga 生产厂商 以及用户公司 标准的根本目的是为基础板 载板 上的 fpga 提供标准的 模块接口 夹层卡尺寸以及连接器 3 标准主要内容主要包括夹层卡 载板 以及标准连接器的设计规范 夹层卡模块的前面板 i o 可通过标准 fmc 连接 器与运行在载板的 fpga 相连 通过这种方式将 i o 接口与 fpga 分离 不 仅简化了 i o 接口模块的设计 载板也可以实现重复利用 在一定程度上节 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 约了设计资源 fmc 标准的提出使得夹层卡技术得到了更加广泛的应用 应用对象从处 理器 cpu 扩展到以 fpga 作为主控芯片的载板领域 相比于 xmc 标准 pmc 标准以及 amc 标准 fmc 标准具有以下的优点 1 数据传输速率高 fmc i o 接口支持单端和差分信号传输速率高达 2gb s 支持与 fpga 高速串行收发器相连的专用信号速率高达 10gb s 夹 层卡和载板之间的潜在系统带宽高达 40gb s 2 结构优越 fmc 模块尺寸较小 标准尺寸分为两种 包括标准单 宽度 69mm 76 5mm 和标准双宽度 139mm 76 5mm 8 这两种尺寸占 用载板空间少 有利于模块化设计 可应用于标准 3u 和 6u 的板卡上 此外 fmc 连接器采用 bga 封装 相比于其他连接器抗震性好 并且连接可靠 与其他连接器相比能提供更高的信号完整性 连接器类型分为两种 包括高 引脚数的 hpc 连接器和低引脚数的 lpc 连接器 分别可以提供 400 和 160 个引脚 3 设计简单 设计时不需要考虑 pcie rapid io 等专业协议 fmc 标准提供了处理接口协议的新方式 它摒弃了将协议数据注入到原始数据的 处理方法 避免了数据传输的延时 如果假定 fpga 和 io 夹层卡需要使用 有特定协议规范进行连接 那就可以通过 fpga 的修改来满足对应模块的协 议 以上是 fmc 标准的主要优点 表 1 1 是由柯蒂斯 莱特控制防御系统 curtiss wright controls defense systems 提供的对 pmc xmc fmc 夹层 卡以及单板设计的特性比较 curtiss wright 公司是美国军用化产品生产制造 商 同时参与到 fmc 标准的制定与 fmc 模块产品的开发 是最大的 fmc 模块生产商之一 表 1 1 夹层卡特性比较 注 3 代表最优 比较项目 pmc xmc fmc monolithic 带宽 1 2 3 3 延迟 1 1 3 3 设计新板耗时 2 2 3 1 功耗及便于冷却 1 1 2 3 i o 使用效率 1 1 2 3 板卡成本 2 2 3 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 由表 1 1 夹层卡特性比较中可看出 fmc 标准可以对夹层卡模块提供最 短数据传输延迟和最高的数据传输带宽 在其他方面 fmc 夹层卡都具有很 高的优越性 fmc 标准还在不断的发展完善 当前使用 fmc 标准是在 2010 年提出的 vita57 1 vita 57 1 对原有 vita 57 中连接器模块中不合理的信号定义进 行修改 vita 协会发布消息 vita 57 2 和 vita57 3 标准也将陆续推出 目 前还在研发完善当中 vita 57 2 标准中定义了一个 电子数据表 信息以 元数据 meta data 标准形式对 fmc 提供自动验证配置功能 简而言之 vita 57 2 的目的是帮助提高确定各个 fmc 模块的兼容性 vita 57 3 标准 定义了放置在载板上固件的逻辑接口 用于与 fmc 夹层卡模块进行通信 1 3 国内外研究现状分析 基于 fmc 标准研制板卡主要有两种 一种是集成了处理和控制功能的 载板 另一种负责提供前面板 i o 和功能扩展的夹层卡 其中载板的研制与 应用领域和背景密切相关 根据不同领域的应用特点 载板的设计应该相应 的增加或者减小各部分的功能模块 使其设计更加合理和完善 基于 fmc标准载板的开发目前以国外公司为主 主要包括参与制定 fmc 标准的 xilinx 公司和 curtiss wright 公司 其他还包括致力于 fpga 产 品开发的 4dsp 公司等 表 1 2 列出了当前各个公司推出的 fmc 载板的型号 以及相应的技术指标 表格中将 curtiss wright 公司简写为 c w 公司 表 1 2 国外各公司 fmc 载板及相应技术指标 供应商 型号 fpga 支持存储芯片 通讯接口 xilinx ml605 virtex 6 ddr3 sdram pci express xilinx kc705 kintex 7 ddr3 sdram pci express 4dsp pc760 kintex 7 ddr3 sdram pci express 4dsp vp680 virtex 6 ddr2 sdram vpx c w fpe650 virtex 5 ddr3 sdram vpx nutaq perseus 601x virtex 6 ddr3 sdram pci express nutaq perseus 611x virtex 6 ddr3 sdram pci express xilinx 公司目前研制的高端系列的 fpga 评估板都配有 fmc 接口 但主 要用于开发和学习 目前没有应用在工业或者商用化的领域中 4dsp 公司提供领先的数据采集和信号处理解决方案 目前该公司研发 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 的 fmc 载板主要应用于雷达卫星通讯系统 基带通信收发器和 a d 及 d a 信号处理等 其中 pc760 是该公司比较有代表性的载板产品 载板上主控芯 片 fpga 选用 xilinx 公司的 kintex 7 系列 板卡提供 1 个 hpc 高引脚数 fmc 连接器 板载内存使用 ddr2 sdram 容量高达 1gb pc760 是一款高性 能半长的 pci express 卡 该载板设计旨在满足高速数据采集和数字信号处 理的需求 9 curtiss wright 公司的 fpe650 是集成了 4 个 xilinx virtex 5 fpga 的高性能载板 板卡采用 vpx 总线架构 载板尺寸为 6u 内部集成 ddr2 sdram 内存颗粒作为存储介质并且提供两个 fmc 连接器 10 目前主要应用 于高复杂性的数字信号处理 如电子对抗 信号情报传输等 nutaq 公司的 perseus 601x 采用 pci express 作为通讯接口 存储模块使 用 ddr3 内存条 最大可支持 4gb 的存储容量 板卡内置高引脚数 fmc 连 接器 主控芯片为 sxt virtex 6 fpga 为高性能 高带宽 低延迟的信号 处理设计应用 目前在国内基于 fmc 标准的载板研制工作较少 其中北京太速科技公 司研制了基于 xilinx virtex 6 fmc 信号处理载板和基于 xilinx kintex 7 xc7k325t 的 fmc 四路光纤数据转发卡 主要用于图像处理和软件无线电系 统 国内大学中电子科技大学的舒树超研制了 fmc 模块集成测试载板 11 电子科技大学的王永东研制的应用多功能 fmc 子卡的 cpci 数字化仪载板设 计 12 综合以上信息 目前国内外的载板设计尺寸结构偏大 而且都为非标 准的板卡 不能满足测试测量领域测试仪器设备小型化的要求 同时通讯接 口主要以 pci express 为主 不适用于目前主流测试机箱接口 如 pxi pxie 等 更主要是国外的载板价格普遍偏高 而且软件代码不对外开放 不利于 载板的后续研发升级工作 鉴于以上研究现状 通过研究 fmc 标准 自主研发基于 fmc 标准载板 应用于数据采集系统 通讯接口选用 pxi express pxi express 作为 pci express 在测试测量领域的扩展应用 13 使载板能够有效的应用在数据采集 的测试系统中 通过自主研发的过程 积累设计经验 更有利于后续载板的 升级 同时为设计应用其他领域的载板提供参考 降低研发周期和设计难度 基于 fmc 标准的夹层卡模块由于其小型化的板卡尺寸和高密度的连接 器接口而得到各个领域的广泛应用 在 fmc 标准中没有明确定义 fmc 夹层 卡的功能 国外公司推出了一系列基于 fmc 标准的模块产品 覆盖多个领 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 6 域 产品类型包括 ad da 转换器 高速串行连接 图像处理 接口外设调 试和大容量存储等 14 其中 fmc 模块中最具有代表性的就是 fmc 数据采集 模块 由于 fmc 数据采集模块具有小型化 模块化 高密度等众多优点 被广泛的应用于测试测量领域当中 表 1 3 列出了国内外的 fmc 数据采集模 块的型号及技术指标 表 1 3 国内外数据采集夹层卡模块指标 供应商 型号 adc 芯片 采样率 分辨率 通道数 接口 4dsp fmc125 ev8aq160 5 2 5 1 25gsa s 8 4 hpc 4dsp fmc126 ev10aq190 5 2 5 1 25gsa s 10 4 hpc 4dsp fmc163 adc12d2000 4 2gsa s 12 2 hpc c w adc512 adc083000 3gsa s 8 2 hpc c w adc518 isla214p50 500msa s 14 4 hpc nutaq adc5000 ev10aq190 5 2 5 1 25gsa s 10 4 hpc nutaq adac250 ads62p49 250msa s 14 2 hpc 太速科技 fmc210 ads5400 1gsa s 12 1 hpc 结合表 1 2 和表 1 3 可以看出 fmc 夹层卡模块的主要供应商同时也是 载板的主要供应商 每个公司研制的载板和夹层卡模块之间大部分都是相互 兼容的 此外在设计时只要满足 fmc 标准的载板设计在一定程度上可以兼 容其他公司的夹层卡模块 在 fmc 数据采集夹层卡模块中 模块自身的采 样率和分辨率等指标主要取决于使用的 adc 芯片的性能 板卡提供的模拟 输入通道数主要取决于使用 adc 芯片的数量以及芯片模拟输入接口数量 国内 fmc数据采集夹层卡的研制和国外相比性能相差较大 大部分 fmc 夹层卡模块都由国外购买 但是国外产品功能指标有限 并不能满足实际的 项目的具体需求 需要对 fmc 数据采集夹层卡模块进行自主研发 可以根 据实际的需求 研制数据采集夹层卡模块 通过对载板 fpga 的逻辑重配置 实现对载板的重复利用 1 4 主要研究内容及论文结构 本文首先通过对 fmc 标准进行分析 结合数据采集领域需求 提出研 制基于 fmc 标准的 pxie 载板以及 fmc 数据采集夹层卡的设计要求 并根 据具体要求提出相应的总体设计方案 接着根据方案中要求的技术指标完成 板卡的硬件设计和逻辑设计 并进行详细介绍 最后通过板卡互联组成数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7 采集系统 对 pxie 载板的功能及数据采集夹层卡的动态性能进行测试 结合以上研究内容 本文具体结构如下 第 1 章 论述了课题的目的和意义 介绍分析了夹层卡技术的发展 结 合国内外 fmc 标准板卡的研究现状 分析提出 pxie 载板及夹层卡模块研制 的意义 第 2 章 根据设计需求 给出了 pxie 载板和数据采集夹层卡的整体设 计方案 同时对 pxie 载板的主要芯片 fpga 和 ddr2 sdram 的选型进行说 明 第 3 章 详细介绍了 pxie 载板的硬件设计 主要包括 fpga 配置电路 ddr2 存储电路 fmc 接口电路和 pxie 接口路 接下来对逻辑部分进行设 计 包括 ddr2 sdram 控制逻辑以及 pxie 接口逻辑 第 4 章 详细介绍 fmc 数据采集夹层卡的硬件设计 包括 adc 部分电 路以及 eeprom 模块电路设计 逻辑部分主要介绍对夹层卡模块各个芯片的 控制 以及采集数据接收逻辑 第 5 章 主要是测试部分 测试板卡的基本功能及对数据采集模块的动 态性能测试 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 第2章 总体方案设计 2 1 设计需求分析 2 1 1 pxie 载板需求分析 pxie 载板设计的目的是实现对不同夹层卡模块的控制 在设计过程中主 要通过硬件设计实现 在设计时将载板上的 fmc 接口严格按照 fmc 标准进 行研发 fmc 标准定义了 fmc 连接器接口模块信号 包括它们的用途 连 接方式和数据传输方向等等 依照定义对载板 fmc 接口部分进行标准化设 计 通过接口标准化的设计方式 提高了载板的通用性 15 此外标准中定义 了多种夹层卡结构 载板在设计中充分考虑不同结构夹层卡的特点与区别 在结构设计上兼容不同类型夹层卡的安装 结合 fmc 标准以及国内外载板 研究现状 分析得出一般载板的系统结构组成 如图 2 1 所示 fmc接口 主控芯片接口电路 存储电路 供电模块 配置电路缓存电路 图 2 1 载板系统组成框图 在本次设计中载板主要应用于数据采集系统 下面简要介绍各部分功能 组成 fmc 接口是整个载板设计的核心部分 为提高载板对夹层卡模块的兼 容性 在 fmc 连接器选型上选用高引脚数连接器 hpc 在设计时使得夹层 卡可用 i o 资源丰富且设计可以更加灵活多变 主控芯片采用 fpga 一方 面 fmc 标准是专门针对 fpga 设计 另一方面 fpga 相比于其他控制器具 有 i o 标准的灵活配置功能 通过逻辑的重新配置可实现对不同夹层卡模块 的控制 接口电路主要负责和上位机的通信 目前应用于测试领域常用的总 线包括 cpci pxi pxi express 和 vpx 等 根据第一章国内外现状中分析 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 9 选用 pxi express 作为通信接口更符合数据采集领域应用 参考国外载板设 计 板卡通常需要提供大容量存储模块 在低速系统中可以完成数据的海量 存储 在高速系统中可以作为数据缓存介质 系统组成框图中缓存电路为冗 余设计 为后续载板应用于存储系统中做的硬件储备 结合上述分析对 pxie 载板提出以下设计指标 1 板卡尺寸 3u 100mm 160mm 2 通讯接口 pxi express 接口 3 板载存储容量 1gb 4 fmc 接口数量 1 5 fmc 接口类型 hpc 2 1 2 fmc 数据采集夹层卡需求分析 数据采集夹层卡设计目的主要体现在两个方面 一方面实现基于 fmc 标准的夹层卡模块设计 包括结构尺寸 接口定义和功能设计等 另一方面 设计实现夹层卡模块高速数据采集功能 可以通过与载板互联验证载板的对 夹层卡的灵活配置功能 模数 转换器 fmc接口 hpc 高速时钟 电路 触发信号 输入信号 电源电路 触发电路 前端 模拟电路 图 2 2 fmc 数据采集夹层卡组成框图 本次设计 fmc 夹层卡主要实现高速数据采集功能 组成框图如图 2 2 所示 在板级尺寸设计上 由于应用于 3u 尺寸 160mm 100mm 的载板 所以选用单宽度尺寸 69mm 76 5mm 的夹层卡 数据采集功能实现主要由三 部分构成 前端模拟电路 主要对输入的模拟信号进行调理 通过适当的衰 减 放大以及偏置将输入信号调整至符合 adc 数据采集输入要求 模数转 换器选用高性能的 adc 芯片 在选型时根据设计需求 重点考虑分辨率 采样率和输入通道数这几个方面 高速时钟电路为 adc 芯片提供稳定低抖 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 10 动的时钟信号 在硬件设计时要避免噪声的干扰 时钟信号的质量好坏对 adc 性能影响很大 通过对数据采集夹层卡的研制 提高对 fmc 标准的理 解 改善设计 后续可以在现有设计的基础上进行系列化的扩展 结合上述分析 设计给出 fmc 数据采集模块研制具体指标如下 1 板卡尺寸 fmc 标准单宽度 69mm 76 5mm 2 fmc 接口类型 hpc 3 连接器高度 10mm 4 通道数 双通道 5 采样率 双通道采样时每通道 1 5gsa s 单通道采样时 3gsa s 6 输入阻抗 50 7 分辨率 8bits 8 模拟带宽 600mhz 2 2 载板主要芯片选型 2 2 1 存储芯片选型 存储模块是 pxie 载板的重要组成部分 在高速数据采集系统中可以作 为采集数据的高速缓冲单元 其他应用中可作为存储介质直接存储数据 目 前国外的载板一般选用 ddr2 sdram 或 ddr3 sdram 作为板卡的高密度 存储介质 而极少数使用 nand flash 作为存储模块 主要由于 nand flash 写入速度较低 而且存在坏块管理的问题 16 ddr2 sdram 和 ddr3 sdram 都是目前主流的内存芯片 结合 ddr sdram 进行对比 表 2 1 ddr sdram 芯片指标对比 items ddr sdram ddr2 sdram ddr3 sdram date rate mhz 266 333 400 400 533 667 800 1066 1066 1333 1600 1866 max capacity 1gb 2gb 4gb vdd 2 5v 0 2v 1 8v 0 1v 1 5v 0 075v prefetch 2n bit 4n bit 8n bit package tsop fbga fbga fbga 由表 2 1 数据可以分析出 ddr3 sdram 单片能够提供最高的存储容 量 而且数据传输速率最快 但是 在高端系列 fpga 中并不都支持 ddr3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 11 sdram 的控制 例如 xilinx 公司 virtex 5 系列 fpga mig ip 核只支持 ddr sdram 和 ddr2 sdram 的控制 为了保证载板设计的灵活性和通用性 选用 ddr2 sdram 作为载板的存储介质 载板要求存储容量为 1gb 单片 的 ddr2 sdram 难以满足设计要求 在板级设计上有两种解决方案 方案一 采用内存条的形式 micron 公司的 mt8htf12864hz 内存条可 以提供 1gb 的存储容量 内存条的优势在于在板级设计上相对简单 内存条 封装通常为标准封装 可以通过选用具有相同内存条封装的内存条进行更换 选择合适容量 方 法 二 采 用8 片 内 存 颗 粒 并 联 的 形 式 采 用micron 公 司 的 mt47h128m8 单片容量为 1gb 具体实现方式是通过 8 片内存颗粒共用地 址 控制信号线 使得数据位宽扩展到 64bits 容量扩大到 1gb 选用内存 颗粒最大的优势在于占用板卡面积小 相比于内存条插接固定的方式 内存 颗粒通过 bga 的封装直接焊接到载板上 具有更高的可靠性和抗震性 使 得载板能在恶劣复杂的环境下进行工作 综合考虑以上两种方案 由于 pxie 载板尺寸为 3u 100mm 160mm 单宽度 fmc 夹层卡模块尺寸为 69mm 76 5mm fmc 夹层卡模块占据载 板百分之三十的空间 通过 allgro 软件进行简单的布局 载板整体布局示意 图如图 2 3 所示 通过载板布局示意图进行分析 在布局时如果将内存条和 夹层卡连接器放置在同一侧则会占据整个载板一半的空间 那么将无法对其 他器件进行布局 最终选用 8 片 ddr2 sdram 内存颗粒并联的形式 在载 板的正反两面各放置 4 片 如图 2 3 所示 fpga 控制模块 ddr2 电源模块 pxie总线 sram 配置电路 pxie载板 fmc夹层卡模块 sram ddr2 ddr2ddr2 160mm 100mm 69mm 76 5mm 图 2 3 载板整体布局示意图 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 12 2 2 2 fpga 芯片选型 fpga 作为 pxie 载板的主控制器 控制板卡各模块的工作 选型时要同 时考虑板卡功能 引脚数量 逻辑资源 功耗和成本等因素 从功能角度出 发 本次 fpga 选型需要重点考虑 fmc 接口电路设计 由于 fmc 接口内部 定义三组用户 i o 接口 当载板通过 fmc 接口连接不同夹层卡模块时 三组 i o 接口的电平标准是变化的 所以三组 i o 接口必须对应 fpga 至少三个不 同的 bank 在中高端的 fpga 产品中 xilinx 公司的 fpga 相比于 altera 公司具有更多的 i o bank 更适合于 fmc 接口灵活性设计 同时 fmc 标 准由 xilinx 公司参与制定 更适用于 xilinx 公司的 fpga 产品作为控制芯片 载板通讯接口为 pxi express 接口 选用的 fpga 芯片需要集成 pci express 端点硬核 xilinx 公司高端的 virtex 5 virtex 6 virtex 7 以及低端 spartan 6 系列产品中具有高速串行接口的 fpga 都具有 pci express 硬核 17 同时 fmc 接口指定高速接口需要与 fpga 高速串行接口连接 所以选择 fpga 至少需要拥有 8 个高速串行收发器接口 高端 virtex 5 系列以上的 fpga 都能提供足够的高速串行收发器接口数 对于 fpga 引脚数目 首先 fpga 连接 fmc 接口需要 160 个 i o 管脚 160 个引脚既能够用作差分对 又能够用作普通单端 i o 其次 fpga 控制 4 片 sram 需要 152 个 i o 管脚 最后控制 8 片 ddr2 sdram 内存颗粒需要 120 个 i o 管脚 共计 432 个 i o 管脚 考虑到成本问题 virtex 6 virtex 7 系列 fpga 过于昂贵 性价比不高 所以选择 virtex 5 系列 fpga 作为主控制器 virtex 5 系列 fpga 采用第二 代 asmbltm 架构 包含四个子系列 适用于解决各种高级逻辑的设计需求 virtex 5 fpga 还包含多种 ip 硬核模块 具有 selectiotm 技术并内置了数控 阻抗技术 dci 同时增强了时钟管理 集成数字时钟管理 dcm 和锁相 环 pll 时钟发生器 其中 virtex 5 的四个系列 lx 系列提供高性能通用 逻辑应用 lxt 系列增加高速串行接口连接 sxt 系列在 lxt 基础上增强 了信号处理能力 最后 fxt 系列在 lxt 基础上增加了嵌入式系统 17 根据 需求分析 要求 fpga 具有高速串行接口 并不需要具有额外的信号处理能 力以及嵌入式系统的设计 最终选择 virtex 5 lxt 系列 表 2 2 给出了 virtex 5 lxt 系列 fpga 的参数资源 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 13 表 2 2 vitex 5 lxt 系列参数资源 device total i o bank slice max distribute ram kb 18kb bram 36kb bram rocket io transceivers gtp max user i o xc5vlx50t 15 7200 480 120 60 12 480 xc5vlx85t 15 12960 840 216 108 12 480 xc5vlx110t 20 17280 1120 296 148 16 680 xc5vlx155t 20 24320 1640 424 212 16 680 xc5vlx220t 20 34560 2280 424 212 16 680 xc5vlx330t 27 51840 3420 648 324 24 960 综合上述分析 结合表中给出数据 最终选用 xc5vlx110t 作为板卡的 主控芯片 2 3 详细方案设计 2 3 1 pxie 载板 根据设计需求以及载板主要芯片选型分析 确定 fmc 通用载板硬件设 计方案如图 2 4 所示 主控芯片选用 xilinx fpga xc5vlx110t 负责实现 对板卡各部分功能器件的控制 载板设计 1 个高引脚数 fmc 连接器 hpc 重点设计 160 个用户定义 i o 和 81 个标准定义 i o 1gb 容量的存储模块由 8 片 ddr2 sdram 并联实现 并通过 fpga 内部的 mig ip 核进行控制 通 讯接口采用 pxi express 接口 设计 x4 的链路宽度 通过 fpga 的 pcie 端 点硬核进行控制 sram 缓存阵列 由 4 片 sram 组成 主要用于后续载板 扩展应用于存储系统中 本次设计不做详细说明 载板尺寸选用 3u 板卡 在硬件设计中还需要重点考虑板卡布局设计 根据 fmc 标准规定在载板连 接夹层卡区域下方可以放置器件 通过 fmc 连接器连接的载板和夹层卡之 间间距有两种 10mm 和 8 5mm 在 10mm 间距下 载板器件高度要求不超过 4 7mm 在 8 5mm 间距下 载板器件高度要求不超过 3 2mm 由于载板设计 应用于承载不同的夹层卡 为提高载板的通用性 在本次载板设计中 夹层 卡覆盖区域载板不放置器件 采用这种设计也避免了器件的接触 提高了散 热性能 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 14 fmc 接口接口 ddr2 sdram 内存颗粒阵列内存颗粒阵列 地址信号地址信号 数据信号数据信号 控制信号控制信号 pxi express 接口接口 sram 阵列阵列 地址信号地址信号 数据信号数据信号 控制信号控制信号 用户定义用户定义i o 标准定义标准定义i o 电源系统电源系统 160 81 14 64 44 64 控制器控制器 fpga fmc 接口逻辑接口逻辑 mig ip ddr2 控制逻辑控制逻辑 sram 控制逻辑控制逻辑 pcie 端点硬核端点硬核 pxie 接口逻辑接口逻辑 接口信号接口信号 fpga 配置电路配置电路 图 2 4 pxie 载板硬件框图 2 3 2 fmc 数据采集夹层卡 根据夹层卡需求分析 设计 fmc 数据采集夹层卡硬件框图如图 2 5所示 夹层卡连接器的选型和载板连接器相对应 都采用高引脚数的 fmc 连接器 hpc 连接器互联时是采用插接的形式 连接器高度即载板和夹层卡之间间 距 由夹层卡连接器选型决定 有两种高度 8 5mm 和 10mm 设计选用 10mm 更有利于器件的布局 防止夹层卡器件与载板相接处 夹层卡的结构设计应 完全依照 fmc 标准要求 标准提供多种结构设计使得夹层卡可应用于不同 的环境下 本次设计主要进行功能验证和标准的实践 所以采用最基本的商 业级结构 根据设计需求 提供两路模拟信号的采集 模拟信号通过 sma 接口输入通过差分驱动放大器芯片 将单端信号转换为 adc 芯片接收的差 分信号 adc 芯片选用 adc08d1520 双通道采样时每通道 1 5gsa s 单通 道采样时 3gsa s 两路差分信号接入到 adc 芯片的模拟输入端进行模数转 换 输出 32 路 lvds 数字信号 以及一路同步差分时钟信号 通过 fmc 接 口传输到载板的 fpga 上 进行数据的接收处理以及后续的缓存上传 fpga 提供对 fmc 载板的控制单元 通过扩展控制信号对 adc 芯片进行功能配置 通过串行接口对高速差分时钟进行配置时钟输出给 adc 芯片 作为 adc 芯 片的采样时钟 基于 fmc 标准 每块 fmc 夹层卡模块都需要板载 eeprom 芯片 用于存储板卡基本信息 主要应用于载板对夹层卡信息的核对和确定 fmc 数据采集夹层卡模块硬件框图如图 2 5 所示 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 15 触发 电路 差分 转换 差分 转换 adc fmc接口 hpc 高速差 分时钟电源 eeprom 触发信号 输入信号 输入信号 32路lvds 同步时钟 扩展控制