（电路与系统专业论文）基于FPGA的数据采集系统研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 数据采集是信号与信息系统中一个重要的组成部分，也是数字信号处理的关键环 节。本论文主要介绍一种基于f p g a 的数据采集系统，提出一种由高速a d 转换芯片、 高性能f p g a 和p c i 总线接口组成的数据采集系统方案及其的硬件电路实现方法。该系 统利用a d 器件对信号进行放大、差分转换和模数转换，利用f p g a 设计内部模块和时 钟信号来进行电路控制及实现数据缓存、数据传递等功能，最后通过p c i 逻辑接口把 暂存在f p g a 的数据传送到p c 主机。f p g a 作为采集系统的核心部件，完成了内部数字 电路设计，使系统具有很高的可适应性、可扩展性和可调试性。 本论文从研究数据采集的理论出发，重点研究了a d 模数转换、f p g a 芯片设计及 p c i 总结接口设计，完成了系统的各级电路硬件设计，并通过系统仿真验证了系统的可 行性。 关键词：f p g a数据采集a d 模数转换p c i 总线接口 a b s t r a c t n ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sa ni n d i s p e n s a b l ea n di m p o r t a n tc o m p o n e n t o ft h es l 伊a i a l l di n f o m a t i o np 徽s s i n gs y s t e m ，a n da l s oi st h ek e y l i n ko ft h ed i 醇a ls i g n a lp r o c e s s 1n e d a p e rm a i n l yi n t r o d u c ea r e s e a r c ho fd a t aa c q u i s i t i o nb a s e d o nf p g a ，t h ep a p e rs u g g e s t e da ：c h e m e0 fd e s i g n i n gt h eh i g hs p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hi s m p o s 甜m m g | i s p e e da n d h i 曲f e s o l u t i o na dc o n v e r t e f ，h i g hp e r f o r m a n c ef p g a ，p c i b u si n t e r f a c e a st h e c o n t r o lc e n t e ra i l dt t a l l s m i s s i o nb r i d g e ，f p g a p l a y e dav e r yi m p o r t a n tp a r ti nt h l ss y s t e m u t i l i z i n gf p g a n o to n l ya c c o m p l i s h e dt h ew h o l ed i g i t a lc i r c u i ta n d a l s oh i g h l yi m p r 0 v e d h e a d a p ta b i l i t ya n df l e x i b i l i t yo f t h es y s t e m t h ep a p e rb a s e d0 n t h em e m o r yo ft h e d a t aa c q u i s i t i o n ，m a i n l y s t u d i e st n e a i i a l o 分d i 西t a lc o n v e r s i o n 、f p g ad e s i g na n d t h ep c ib u si n t e r f a c ed e s i g n c o m p l e t e ( ：t h e d r c u i th a r d w a r ed e s i g i la n ds o f t w a r ed e s i g n t h r o u g ht h es y s t e m s i m u l a t i o nv e n f l e dt h e f e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n a d cf p g a p c ib u si n t e m c e 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于f p g a 的数据采集系统研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者躲逸二磐二月扔 | 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签 年月4 年互月迎日 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论 人们平时的日常生活、生产活动和科学实验都离不开对数据的测试和信息的采集。 测试和信息采集简单来说就是获得信息，是人们在实际的工作中对被检测的对象的物 理、化学、工程技术等各个方面的数值信息和参量进行提取的一个过程。由于信息本 身它不具备传输和交换的功能，所以我们只能够通过一定的方法和手段将信息转化为 我们能够知道的信号。信息采集系统在确定了信息的采集原理和测量方法之后，就需 要设计和组成信息采集的测量系统。根据系统中所要处理不同类型的信号，信息采集 测量系统可分为数字式和模拟式两种不同数据的测量系统。随着现代数字技术的发展， 越来越多的信息采集系统采用数字式的采集系统，因此把信息采集称为作数据采集。 随着科学技术的迅猛发展，特别是在雷达、声纳、瞬态信号测量等一些高速、高 精度的信息测量中，更需要进行一些列的高速数据采集。当前，数据采集系统在高速 a ，d 、d a 模数转换器件发展的带动下，数据信息的采集带宽正在稳步提高。 随着计算机技术的高速发展，人们利用现代数字信号处理技术来进行高速、大量 地处理信息有了非常有效的手段，而数据采集技术在其中起着非常关键的作用。数据 采集系统的任务，就是将采集传感器输出的模拟信号进行处理并转换成计算机能识别 的数字信号，由计算机进行相应的计算和处理来满足不同的需要，得出所需的数据。 与此同时，将计算机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 部分数据还在生产的过程中被计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性 能的好坏，是由它的精度和速度来决定的。在保证精度的前提下，应当用尽可能高的 采样速度，这样才能满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求l l j 。 数字信号处理就是利用专用处理设备和计算机，以数字形式对信号进行采集、变 换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到满足需要的信号形式。数字信号 处理技术的实质就是将我们现实生活中的一些信号( 如模拟信号) 转化为数字信号， 然后对转换后的数字信号进行相应的处理( 放大、调理等) 。数字信号处理是从2 0 世纪 6 0 年代以来，随着计算机学科和信息科学的快速发展而迅速形成发展起来的- - 1 3 新兴 学科。7 0 年代以后，随着电子计算机、大规模集成电路、超大规模集成电路以及微处 理器技术等的迅速发展，数字信号处理得到了飞速的发展，它的重要性同益在各个领 域的应用中表现出来，主要包括数字通信、语音处理、光学、雷达、图像处理、医学 仪器和天文等等。 现场可编程门阵列( f p g a ) 的出现是超大规模集成电路技术和计算机辅助设计技 术发展的共同结果，是现在电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的硬 件描述语言具有可修改性，高集成性，高速低功耗，开发周期短，硬件和软件的并行 性，决定了f p g a 崛起的必然趋势。现场可编程门阵列f p g a 器件是由x i l i n x 公司1 9 8 5 年首家推出的，一种新型的高密度p l d ，采用c m o s s r a m 工艺制作，它内部由许多 独立的可编程逻辑模块( c l b ) 组成，逻辑块之间可以灵活的相互连接。c l b 的功能很强， 不仅能够实现逻辑函数，还可配置成r a m 等复杂的形式。配置数据存放在片内的 s r a m 或者熔丝图上，基于s r a m 的f p g a 器件工作前需要从芯片外部加载配置数据。 配置数据可以存储在片外的e p r o m 或者计算机上，设计人员可以控制加载过程，在 现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场可编程。 现代信号处理技术是高速和大容量数据流的实时处理，它的特点在于系统的输入、 处理、和输出等的不同处理阶段都具有绝对的时间限制，对于实时性提出了非常高的 要求。因此，处理数据单元的速度必须足够快，这样才能满足操作的实时性限制。由 研究表明可以通过高速v l s i 器件并行处理或多级流水处理等来达到高速、大容量数据 流的实时处理。随着现场可编程技术的发展及应用的不断成熟，器件规模大小和品种 类型的不断增加，现场可编程i c 设计和应用的成本也在不断降低，在越来越多的生产 领域和产品中，特别是生产批量小、更新快的数字化系统产品中，直接采用f p g a 为 来实现硬件单片集成，已经称为了一种必然趋势。 现在全新的f p g a 系列正在越来越多地替代a s i c 和d s p 用作前端数字信号处理 的运算。随着f p g a 在数字信号处理中的大规模应用，它正在不断地影响着我们的生 产和生活，也会在这领域中有引起深刻的变革。把现代信号处理实时性的要求和f p g a 芯片设计得灵活性结合起来，实现并行算法与硬件结构的优化配置，提高信号处理速 度，满足现代信号处理的高速度、高可靠性要求，成为了现今我国数字信号处理的一 个研究方向。所以为了满足科学研究和实际应用的需要，对于基于f p g a 的数据采集 系统的研究具有非常重要的意义1 2 j 。 1 2 数据采集的研究现状及发展 数据采集和处理系统的控制芯片也在不停发展和进步，从原来的单一的单片机发 展到数字处理芯片d s p ，嵌入式j 漆片等更高速、高性能的芯片。在商性能数据采集系 统中，我们通常采用单片机或d s p 做为整个系统的c p u ，来控制a d 模数转换、存储 器以及其他一些外围电路的工作。基于单片机和d s p 而设计的数据采集系统都有一定 的不足： ( 1 ) 单片机的时钟频率较低，需要软件支持来实现其功能，软件的运行时间在整 个采样时间中占据很大的比例，效率很低，很难适应高速、高精度数据的采集系统的 要求。 ( 2 ) d s p 的虽然运算速度快而且擅长处理密集的乘加运算，但是它很难完成对外 围的复杂硬件进行逻辑控制。 2 在高速数据采集方面，f p g a ( 现场可编程门阵列) 有着单片机和d s p 无法比拟的优 势。f p g a 的时钟频率很高，内部时延非常小；全部的控制逻辑都可由硬件完成，速度 快，效率高，非常适于大数据量的高速传输控制；f p g a 的组成形式灵活，而且可以集 成外围控制、译码和接口等各种电路。 现在主要由以下两种方式来实现数字信号处理： ( 1 ) 使用数字信号处理器( d s p ) ，可以通过软件编程来实现其功能。d s p 具有低 功耗、高速、高集成度的特点，在军用、工业和民用领域担负越来越重要的任务，特 别是在现代信息产业，许多的通信系统功能逐渐由硬件定义向软件定义的方向发展， 而d s p 是实行这一转变的不可缺少的核心技术。利用软件编程来实现，虽然有很大的 灵活性，但是受到d s p 本身的性能及程序指令顺序执行的限制，很难实现高速、大规 模的运算。 ( 2 ) 应用专用集成电路芯片( a s i c ) 来实现。专用集成电路芯片能够实现很高的运 算速度，适合应用在高速信号处理系统中。但是a s i c 芯片不能够重新组态，它的可编 程能力有限，在产品发展过程中，它的功能很难进行修改或改进。因此，任何的线路 改版都需要重新设计并且重新制造，这样不仅会增加开发成本，而且造成影响了产品 的快速上市，不太适合处理算法和参数经常改变的场合。 随着现代大容量、高速度的f p g a 的出现，克服了上述这些方案的不足。f p g a 是八十年代中期出现的一种新型高密度、可编程逻辑器件，它是在p a l ，g a l ，e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。在f p g a 内部，一般都内嵌着具有可配置 的高速r a m 、p l l 、i ，邢，以及硬件乘法累加器等d s p 模块，用f p g a 来实现数字 信号处理可以很好地解决并行性和速度问题。通过编程，可以立刻把一个通用的f p g a 芯片配置成用户需要的硬件数字电路，其灵活的可配置特性，使得f p g a 构成的d s p 系统非常易于修改、易于测试及系统升级。这样使设计方便，设计费用降低，设计的 周期减少。 f p g a 实现数字信号处理最显著的特点就是高速性能好。以软件方式控制操作和运 算的系统速度显然无法与纯硬件系统相比，因为软件是通过顺序执行指令的方式来完 成控制和运算步骤的，而用h d l 语言描述的系统是以并行方式工作的。 从目前的情况来看，数据采集系统的发展趋势是由低速、低分辨率朝着高速、高 分辨率的方向发展。但要真正实现高速、高分辨率的数据采集系具有相当大的苦难， 因为受到器件和工艺的限制。数据采集系统的核心器件a d 模数转换器的两个主要指 标，即采样速率和分辨率是转换器中的一对矛盾。测量业界的两大巨头泰克和安捷伦， 投入了大量的资金在a d 转换器的发展上用来来提高其产品的性能，安捷伦公司利用 2 0 个2 5 0 m g s 的8 位分辨率a d 来组合成了5 g s s 的a d ，泰克公司利用第三代技 术的“7 h p ”制程，制成了取样率8 g s s 、1 0 g s s 和2 0 g s s 的分辨率8 位a d c 。尽 管测量仪器供应商在2 0 0 0 年即开始使用取样率2 g s s 的a ，d ，由于这些芯片都是用户 定制的专用i c ，不会出现在半导体元件的销售市场货架上。直到2 0 0 5 年，m a x i m 、 3 n s 和a t m e l 三家在技术得到突破，相继推出取样率1 g s s 、1 s g s s 、2 g s s 和分辨率 8 位、1 0 位的a ，d ，推动了高速数据采集系统的发展。最具代表性的高速a d 芯片如 下：m a x i m 公司的蝴1 0 4 1 0 6 1 0 8 ，最高取样率1 5 g s s ，分辨率为8 位，模拟输入 带宽2 0 g h z 。n s 公司的a d c 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 ，最高取样率1 5 g s s ，分辨率8 位，双 路模拟输入带宽1 7 g h z 。a t m e l 公司的a t 8 4 a s 0 0 3 脚4 ，最高取样率2 g s s ，分辨率 1 0 位，模拟输入带宽3 0 g h z 。因此国内外的数据采集相关产品主要局限于高速低分辨 率和低速高分辨率的数据采集系纠3 1 。 1 3 本课题的主要工作及论文的组织结构 本论文主要研究基于f p g a 的数据采集系统，论文的主要内容是： ( 1 ) 数据采集系统的基本理论研究； ( 2 ) 提出了基于f p g a 的数据采集系统总体设计方案及完成外围的硬件电路设计； ( 3 ) 完成f p g a 内部模块设计； ( 4 ) 对系统各级电路进行仿真并给出仿真结果。 本文共分六章，第一章绪论中概述了数据采集系统的用途和意义，以及数据采集 系统的组成结构。第二章阐述了数据采集系统的理论知识中信号采样、模数转换等基 本理论。第三章提出了基于f p g a 的数据采集系统的总体设计方案及完成对外围的硬 件电路设计。第四章完成对f p g a 内部模块电路设计。第五章完成系统各级电路进行 仿真并给出仿真结果。最后在第六章结束语中，对本文进行了总结和概括，并对设计 中存在的问题加以了分析。 4 第二章数据采集系统的基本理论 2 1 数据采集的基本概念 数据采集就是将被测对象的各种参量( 可以是物理量，也可以是化学量、生物量等) 通过各种传感器做适当转换后，再经信号处理电路对信号进行调理、采样、量化、编 码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理和存储记录的过程。这里所用的控制 器一般是计算机系统。 随着计算机技术的不断发展和普及，模拟设备越来越多的被数字设备所取代，在 生产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的作 用。但是大部分的信息都是以连续变化量的形式出现的，例如温度、位移、速度、压 力等。要想用计算机将这些信息进行处理，就必须首先将这些连续的物理量进行离散 化，并进行量化、编码，从而变成数字量，这过程就是数据采集。它是计算机在监测、 管理和控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。 数据采集系统的任务，具体地说，就是将采集传感器输出的模拟信号通过一定的 处理并能够转换成计算机识别的数字信号，即a 模数转换，转换后的数字信息最后 送入计算机，由计算机根据不同的需要进行相应的计算和处理。与此同时，将计算得 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生 产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。 图2 1 是一个模拟信号的数据采集系统框副4 1 。 图2 1 模拟信号数据采集系统框图 由图可知，系统主要由以下五个部分组成： 第一部分是放大器电路。程控放大器的作用是将传感器产生微弱的模拟信号进行 放大处理。放大器把信号放大到与d 转换器满量程电压相应的电平值，以便充分利 用a d 转换器的分辨率，放大器的放大倍数可以通过设计放大电路来进行实时控制。 第二部分是a d 模数转换电路，其功能是将放大后的模拟信号转换为计算机能够 5 识别的数字信号。a d 转换器是采样通道的核心，所以a d 转换器是影响数据采集系 统采样速率和精度的主要因素之一。 第三部分是数据缓存电路，a d 转换后的数据信息一般不能直接传送到计算机， 所以在读入计算机或其他处理设备之前应该增加数据缓存模块，这样能有利于将数据 连续的送入计算机。 第四部分是时序逻辑控制电路。它可以控制程控放大器、刖d 模数转换器、数据 缓存等单元，并实现与计算机的通信。 第五部分接口电路。接口电路是数据缓存区的数据传输至计算机等设备的纽带。 2 2 采样定理及频混的产生和抑制 在数据的采样中过程所应遵循的规律，称为采样定理。采样定理说明采样频率与 信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据，是数据采集的理论基础。 若连续信号x ( f ) 是有限带宽的，其频谱的最高频率为，对x o ) 抽样时，若保证抽 样频率：l22 l 。 那么，可由x ( n r ) 恢复出x ( f ) ，即x ( n t , ) 保留了x ( t ) 的全部信息。通常把最低允许 的抽样率正t 2 l 。称为“n y q u i s t 频率”。 采样定理严格地规定了采样时间间隔i 的上限，即互 1 2 l 时，那么将会发生x ( f ) 中的高频成分q ，i 1 2 t , ) 被叠加到低频成分 d 厂i 1 2 t , 。 信号中能够相互混淆的频率为： = 。疋+ 勾乞 ， ( 七= 1 ，2 ，3 ) 式中，五、，2 为能相互混淆的频率。 为了减少频混现象，通常可以采用两种方法。 ( 1 ) 抗混叠滤波器 在采样前，用一截止频率为正的消除频混滤波器，先将信号x ( f ) 低通滤波，将不 6 感兴趣或不需要的高频成分滤掉，然后再进行采样和数据处理，这样才能保证采样后 的数据不发生频混。抗混叠滤波器它是一个低通滤波器，应有良好的截止特性。比较 理想的是多阶有源r c 巴特沃斯( b u t t e r - w o r t h ) 滤波器。 由于信号的频率都不是严格有限的，并且实际我们使用的滤波器也都不具备理想 滤波器在截止频率处的垂直截止特性。实际的滤波器的衰减是从截至频率到阻带逐渐 增加的，而且阻带衰减也无法达到无穷大。因此，对于一个给定截止频率的实际滤波 器，以两倍截止频率采样将产生部分频谱混叠。从通带到阻带的过渡带越陡，采样信 号由频谱混叠引起的失真就越小。通常，需要用比较复杂的滤波器得到较陡的过渡带 和较高的阻带衰减，这样的模拟滤波器实现比较困难。另外，随着过渡带陡度的增加， 相位响应变得更加非线性，这又引起了采样信号的失真，因为信号通带内相位的失真 引起信号不同频率分量产生不同的延时，造成信号的失真。 为了缓解n y q u i s t 采样对抗混叠滤波器的要求，可以适当提高采样率，即使用过采 样的方法。 ( 2 ) 过采样 采样率大于n y q u i s t 采样率称为过采样，过采样的一个好处是采样信号频谱的重复 周期增大了，降低了对抗混叠滤波器的要求。因为在信号最高频率和二分之一采样率 之间有一个缓冲带，因此在设计抗混叠滤波器时，可以放宽对滤波器陡度的要求，因 此这样的滤波器的实现比较简单，同时可以有效地降低由于频谱混叠造成的信号失真。 当然，付出的代价是，同样的输入信号条件下，需要更高的采样率，这就对a d c 提出 了更高的要求1 5 j 。 2 3a d 模数转换 a d 模数转换是数据采集的主要任务和关键步骤，a d 转换的好坏直接关系到数 据采集的精度和质量。所谓a d 模数转换，就是将传感器输出的模拟信号转换成计算 机能够识别的数字信号。在a d c 器件中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输 出的数字信号是离散的，所以转换只能在一些列选定的瞬间对输入的模拟信号取样， 然后再把这些取样值转换成输出的数字量，见图2 2 。 非电量 模拟电量 数字皱 图2 2a d 模数转换框图 其过程可包括为四个步骤：采样，保持，量化和编码，如图2 3 所示，首先对输入 的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为 7 数字量，然后编码。按照一定的编码格式给出转换结果。然后再开始下一次取样。 图2 3a d 转换的基本步骤 采样就是是对模拟信号在时问上进行离散的过程。数字信号不仅在时间上是离散 的，而且数值大小的变化也是不连续的。就是说，任何一个数字量的大小只能是某个 规定的最小数量单位的整数倍。在进行d 转换时，必须把取样电压表示为这个最小 单位的整数倍。这个转化过程叫做量化，所取的最小数量单位叫做量化单位，用表 示。显然，数字信号最低有效位( l s b ) 的1 所代表的数量大小就等于。 把量化的结果用代码可以是二进制，也可以是其他进制表示出来，称为编码。这些 代码就是转换的结果。 既然模拟电压是连续的，那么它就比一定能被整除，因而量化过程不可避免地 会引入误差”这种误差称为量化误差。 a d 转换器的主要性能参数： ( 1 ) 分辨率( r e s o l u t i o n ) ：分辨率指数字量的变化一个最小量模拟信号的变化量。分 辨率又称为精度，通常以数字信号的位数来表示。 ( 2 ) 转换速率( c o n v e r s i o nr a t e ) ：指完成一次从模拟到数字的a d c 转换过程所需时 间的倒数。积分型a d c 的转换时间是毫秒级属低速a d c ，逐次比较型a d c 是微秒级 属中速a d c ，全并行串并行型a d c 可达到纳秒级。采样时问则是另外一个概念，是 指两次转换的i 、日j 隔。为了保证转换的正确完成，采样速率( 必须小于或等于转换速率。 因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是 k s s 和m s s ，表示每秒采样千百万次。 ( 3 ) 偏移误差( o f f s e te r r o r ) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器 调至最小。 ( 2 ) 满刻度误差( f u l ls c a l ee r r o r ) ：满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值 之差。 ( 5 ) 量化误差( o u a n t i z i n ge r r o r ) ：由于a d c 的有限分辨率而引起的误差，即有限分 辨率a d 的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率a d c ( 理想a d c ) 的转移特性曲线( 直 线) 之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1 l s b 、 1 2 l s b 。 ( 6 ) 线性度( l i n c a r i t y ) ：实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以 上三种误差 1 。 其他指标还有转换精度、温度系数漂移等，由于本系统中并不采用d a 转换器， 所以这罩对其不作过多介绍。 8 2 4 高速数据传输和存储技术 高速数据采集系统中，为了保证处理器能够正确的处理a d 输出的数据，数据的 正确传输和存储显得非常重要。高速稳定可靠的数据传输技术在高速数据采集系统中 扮演着重要的角色，而随着数据传输速度越来越快，对数据的抗干扰性的要求也越来 越高，传统的数据传输标准，例如r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 ，s c s e 和p e c l 等传输标准己无法满 足设计高速数据采集系统的设计要求，而l v d s 技术的出现无疑解决了一般传输标准 无法满足高速数据传输要求的窘困。 低速数据采集系统在对数据进行处理时，由于数据传输率低，采集到的数据量较 小且不需要备分，往往采取实时处理的方法。但是，在诸如遥测、遥感等采集操作的 数据传输速率高、需要采集保存的数据量大的时候，无法做到实时分析和处理，而必 须将采集到的数据以适当的方式存储起来，以供后续的分析和处理。所以在设计这样 的高速数据采集系统时，必须采取恰当的存储策略。 高速数据存储主要分为异地存储和本地存储。异地存储，是指高速数据采集机采 集下来的数据不是存储在高速数据采集系统本身，而是通过例如高速总线等途径存储 在远程介质中，本地存储是将数据存储到高速数据采集系统自带的存储系统中。这里， 只针对本地存储进行讨论，本地存储必然涉及到存储器，选择什么样的存储器以满足 系统的要求是非常重要的，如果存储器跟不上高速数据采集系统的输出数据的速度， 那么数据就会丢失，这是设计中不希望发生的。要跟上高速数据的速度则需要高速存 储器，但高速的存储器的价格随着工作频率成倍的增加，因此，如何突破存储器工作 频率的限制，降低高速数据采集系统的成本是系统设计需要充分考虑的。为此，可以 采用分时存储技术和数据降速存储技术解决该问题。 ( 1 ) 分时存储 分时存储技术利用一个高速锁存器将采集的高速数据锁存，而后利用多个相对慢 速的存储器对数据进行存储以保证数据存储的可靠性。由于多个静态存储器分时参与 了数据存储的过程，使得多个慢速静态存储器分时存储操作过程进行了叠加，其效果 等效于高速静态存储器的操作。 ( 2 ) 数据降速存储技术 所谓数据降速存储技术，就是对在数据存储之前将高速数据的速度降低到低速存 储器可以及时存储的程度。该方法避免了多个存储器的使用，只需利用一个大容量的 存储器就可以实现数据的存储，实现起来相对分时存储简单。设计中可以利用串并转 换电路对数据进行降速处理以满足后续的存储器速度较低的要求。串并转换电路的基 本原理为数据的串并转换，将数据依次存入串行移位寄存器中，然后并行输出，降低 了传输数据的速度，以满足存储器工作速度的要求【6 j 。 9 第三章系统总体方案及硬件电路设计 3 1 系统总体方案设计 数据采集包括模拟信号和数字信号的采集，本课题主要研究对模拟信号的数据采 集。本系统主要由对信号处理的模拟部分、f p g a 内部模块设计的数字部分和p c i 接 口部分三大板块组成。其中模拟部分主要完成对模拟信号的a d 转换设计；数字部分 完成对部分时钟产生电路和f p g a 内部模块设计，接口部分主要完成对f p g a 和p c i 总线的接口设计。图3 1 为本课题数据采集系统的总体框图。 模拟信号输入l - 放大电路_ - 卜 分器h a d c 4 土 m 蝴c 1 2 黻0 1 3ha 。i 胁f p 啪g a c 2 。b p c 主机 图3 1 数据采集系统框图 如图3 1 所示，在模拟信号采集的过程中，模拟信号首先经过放大器，将信号进行 放大，放大后的信号经过单转差分器将调整后的模拟信号输入给a d 转换器( 选用的 a d c 芯片需要差分形式的信号输入) ，然后经模数转换之后将1 6 b i t 的数字信号直接输 出给f p g a 进行存储。在f p g a 中设计了数据缓冲器f i f o 和数据存储器r a m 以及和 各级电路对应的的时钟信号，以保证能够实时的将a d c 转换过来的数据进行存储。在 本系统中，采用p c i 总线接口对接收到的数据进行存储。 f p g a 是整个数据采集系统的核心模块，对所有的信号处理过程及存储、转发过程 进行时序控制。在设计p c 端的控制软件时，可以实时的给f p g a 发送控制信号，如系 统复位信号，工作使能信号和时钟使能信号，模式选择信号等，同时f p g a 也将给p c 机反馈相应的状态信号，如存储器的满、空信号等，从而配合上层软件来控制系统的 工作过程。 利用p c i 接口，可以通过调整数据的采集速度和接口的传输速度，使得存储器两 端的传输率达到一致，从而实现数据的实时传输，这个时候，数据的采集深度则取决 于p c 机中分配用来进行数据存储的内存容量大小，f p g a 中的存储器并不真正用作数 据存储，而是用作数据传输率的转换以及数据格式的转换。由此可以看出f p g a 在本 系统中，起到了一个传输桥梁的作用。 1 0 3 2 系统外围硬件电路设计 3 2 1 信号放大电路设计 系统采用2 片a d 9 6 1 8 芯片组合来完成对信号的放大。a d 9 6 1 8 的性能指标均较高， 能起到对模拟信号放大和改善的作用。图3 2 是a d 9 6 1 8 的引脚图f l l 】。 + v s o u t p u t 。o p t i o n a l + v s。o p t i o n a l v s 图3 2 a d 9 6 1 8 的引脚图 a d 9 6 1 8 的一些性能指标为： 可用闭环增益范围：+ 5 1 + 1 0 0 1 0 0 弱信号带宽：1 6 0 m h z ( a v = + 1 0 ) 大信号带宽：1 5 0 m h z5 vp p 设置时间：1 0 n s 到0 1 ；1 4 n s 到0 2 系统中利用2 片a d 9 6 1 8 设计的放大电路如图3 3 所示： 图3 3 两级a d 9 6 1 8 的放人器电路图 a d 9 6 1 8 放大器的反向增益表达式如式3 1 ： g ；一譬 ( 3 1 ) r 、 7 c 盯 盯 k 搬 附 附 吖 咐 啦 _ 其中& 指r 、恐，弓指r 、r 。通常情况下的阻值为lk q ，通过调节蜀的 阻值以便适应输入信号幅度。 3 2 2a d 8 1 3 8 差分转换器 a d 8 1 3 8 完成将经过二级放大器单端输出的信号转化为a d 6 6 4 4 进行a ，d 转换器 输入所需要的差分形式。在模拟信号阶段使用差分形式，可以有效地滤除偶次谐波分 量，同时对其它共模杂散信号( 如由电源和地引入的噪声) 及对晶振的反馈信号也有 很好的抑制作用。 在本系统中，使用a d 8 1 3 8 对模拟信号进行差分转换。由于a d 9 6 1 8 输出的是单 端模拟信号而a d 6 6 4 4 需要的是差分输入，所以选择a d 8 1 3 8 芯片来对模拟信号进行 差分转换，a d 8 1 3 8 增益为1 。 图3 4 是a d 8 1 3 8 的引脚图和典型应用电路图【1 2 】： 、 - i n v 煳 v + 埘盯 l n 雠 羹乙 o l r 图3 4 a d 8 1 3 8 的引脚图和差分转换电路图 3 2 3 模数转换电路设计 i ( ；l t a l u 1 1 l u t 在本系统中，选用a d i 公司的a d 6 6 4 4 来进行模数转换。a d 6 6 4 4 芯片是高性能 的1 4 位采样率为6 5 m 的模数转换器，芯片内自带着参考电压电路和采样保持器，能 够提供比较完整的转换应用和解决方案。 1 2 a d 6 6 4 4 对于采样时钟要求比较高，需要低噪声和高质量的时钟，为了保证精度就 得抑制较大的时钟信号抖动，以防信噪比恶化。采用差分形式的时钟信号输入能够优 化性能，a d c 内部产生a d 6 6 4 4 的时钟信号所需要的直流偏置。a d 6 6 4 4 的模拟信号 得也要求差分的输入形式。在在信号进行处理部分，差分信号能够有效的滤掉偶次谐 波分量、共模干扰信号。 a d 6 6 4 4 芯片的主要特点为： ( 1 ) 内含基准电压源和跟踪保持放大器； ( 2 ) 保持采样率可达到6 5 m h z ； ( 3 ) 采用完全差动模拟输入；为了便于和数字a s i c 接e l ，数字输出级可工作在+ 3 3 v 电源上，因此其数字输出信号不需要接缓冲器即可直接送入f p g a 中； ( 4 ) 采用小型表面贴装5 2 脚封装( l q f p ) 1 3 】。 a d 6 6 4 4 芯片是s o f l c e l l 芯片组中的一个芯片，是为了第三代移动通信系统而专门 设计的芯片，它的芯片性能指标有显著的提高，适用于多通道、多模式的接收机应用 中。同其它的a d c 芯片相比，由于在n y q u i s t 频率范围内，所以a d 6 6 4 4 的无杂散动 态范围指标超过1 0 0 d b ，从而能够大大地增强了输入端杂散分量中检测有用小信号的 能力，使它能够更加的适用于多模式的数字接收机。同时，a d 6 6 4 4 的信噪比的典型值 也达到了7 4 d b 。a d 6 6 4 4 还能够应用在单通道的数字接收机中，例如宽通道带宽系统 中( c d m a ，w 二c d m a ) ，能够精确变换宽带模拟信号( 2 0 0 m h z 输入带宽) 。通过欠 采样( 带通采样) ，可以将谐波成分分配到有用频带之外，配合使用数字下变频芯片可 降低有用信号带宽内的噪声平台。 图3 5a d 6 6 4 4 的内部结构框图 如上图3 5 所示，a d 6 6 4 4 采用的是三级快闪式结构。第一级a d c l 和第二级a d c 2 的宽度都为5 位；而第三级a d c 3 的宽度则为6 位；三级加起来就是是1 6 位，a d 6 6 4 4 是1 4 位的芯片，所以其中两位是用于两级之间的误差校j 下位。由于a d 6 6 4 4 内部的参 考电压、线性放大器、采样保持电路和校正位，所以使得它的微分非线性非常小。这 种设计不但保证了实际所需要的转换精度和转换速率，同时又降低了功耗。a d 6 6 4 4 的 输入方式为差分结构，可以有效的抑制共模干扰，每个输入的电压范围都以2 4 v 为中 心，上下的摆动在0 5 5 v 范围以内。因为两个输入端的相位相差1 8 0 0 ，所以输入信号 1 3 峰值为2 2 v 。 a d 6 6 4 4 输出负载电流较大，为了尽量限制负载电流流入接收器件( f p g a ) ，故在 每条数据输出线上放置了一定阻值的电阻。采样后的数据通过d r y 引脚指示，同时这 个d r y 信号还起着随路时钟的作用，用来将由a d c 采集后的数据输入给f p g a 中的 f i f o 进行存储。 a d 6 6 4 4 的采样时钟由外部晶体振荡器提供，信号源首先送入f p g a 的特定引脚中 中，利用f p g a 内部的p l l 来调整所需要的采样时钟频率。一方面通过用于存储和控 制由a d 6 6 4 4 转换的数据传送给f p g a ；另一方面通过f p g a 的l v d s 引脚作差分输 出，用作a d 6 6 4 4 的采样时钟输入。 图3 6 为a d 6 6 4 4 的工作时序图： c 豫 q 1 埘m t 图3 6a d 6 6 4 4 的工作时序图 a d 6 6 4 4 片上提供了基准电位和采样保持电路，这样能使它成为一个完整的a d 模数转换解决方案。a d 6 6 4 的转换灵敏度可以达到1 3 4 u f ，在n y q u i s t 带宽上获得了 1 0 0 d b 的s f d r ，大大增强了当其输入端存在杂散分量时从中检测出有用小信号的能 力。因为a d 6 6 4 4 的内部采用了三级子区式转换结构，这样既保证了精度，同时降低 了功耗。图3 7 是a d 8 1 3 8 和a d 6 6 4 4 的硬件连接图： r 1 图3 7a d 8 1 3 8 与a d 6 6 4 4 连接电路图 1 4 在系统中，经过a d 6 6 4 4 转换后的信号直接传送到f p g a ，f p g a 是整个数据采集 系统的核心，采样后的数据由f p g a 传输给p c i 总线，关于这部份的内容，将在第四 章中介绍。 3 2 4a d c _ c l k 和p c i - c l k 时钟产生电路设计 在系统中，时钟可以通过时钟信号发生器或外部晶体振荡器产生，在加到f p g a 的专用引脚输入端前先对其前置分频，在f p g a 中使用全局时钟网络布线。本系统中 我们利用m c l 2 0 1 3 双模前置分频器进行对时钟信号的前置分频。 m c l 2 0 1 3 是超高速双模前置分频芯片，它的模数比为1 0 ：1 1 ，分频比由模式控制 电平的高低决定。m c l 2 0 1 3 的最高工作频率可以达到5 5 0 m h z ，它是e c l 集成电路， 内部带一个e c l 到t t l 的转换电路。当变模控制端输出高电平“1 时，双模前置分 频器按低模分频比m 工作；当输出低电平“o ”时按高模分频比m + i 工作。这里只使 用除1 0 分频功能，图3 8 、3 9 为其工作原理图【1 4 j ： 图3 8m c l 2 0 1 3 产生a dc l k 电路 图3 9m c l 2 0 1 3 产生p c i c l k 电路 由于本系统中需要2 个时钟，一个是f p g a 控制a d 转换器的采样时钟以及f p g a 和p c i 总线接口时钟，图中利用m c l 2 0 1 3 分别产生a d c l k 和p c i c l k ，中a d c l k 代表a d 转换器的采样时钟；p c i c l k 代表p c i 总线接口时钟。 1 5 3 2 5 电源产生电路设计 在本数据采集系统中，需要+ 5 v ，+ 3 3 v ，+ 2 5 v ，+ 1 5 v ，5 v 五种电源。、p c i 槽 中可以产生+ 5 v 和+ 3 3 v 两种电源，所以我们选用r e g l l l 7 和电压反相器m a x 6 6 0 分 别产生了其余需要的三种电源。+ 2 5 v 和+ 1 5 v 电压由r e g l l l 7 产生，由m a x 6 6 0 电 压反相器产生5 v 电压。 r e g l l l 7 产生电压的模式有两种，一种是固定电压模式，另外一种为可调电压模 式。图3 1 0 表示r e g l l l 7 产生固定电压模式的电路图，图3 1 1 表示r e g l l l 7 产生可 调电压模式的电路图。 v l nv o 图3 1 0 固定电压模式基本连接图 如图可见，在r e g l l l 7 固定电压模式中，添加了一个合适的输出电容。图中使用 了一个1 0 u f 钽电容来满足高频负载的要求。用高质量的电容应当保证e s r 小于o 5q 。 v l n 1 j m d 图3 1 1可调电压模式基本连接图 在可调电压模式中，使用的是r e g l l l 7 型号的稳压块。当需要产生其他电压时， 则可以通过公式3 2 计算： 。学( 1 2 5 m ( 5 0 , u a 溉 ( 3 2 ) 在本系统中，就是用这种模式，基于r e g l l l 7 来产生了系统需要的+ 2 5 v 和+ 1 5 v 。 1 6 由图中公式可知，当r i = 1 0 0 q ，r 2 = 1 0 0 q 时，产生电压为+ 2 5 v ；当r 1 = 7 5 0 f l ，r 2 = 1 4 7 q 时，产生+ 1 5 v 。图3 1 2 、3 1 3 分别是产生这两种电压的电路原理图，其中的+ 5 v 均来 自于p c i 插槽中提供的电压。 图3 1 2r e g l l l 7 产生+ 2 5 v 电路图 图3 1 3r e g l l l 7 产生+ 1 5 v 电路图 图3 1 4 是m a x 6 6 0 作为电压反相器的工作模式。图3 1 5 是产生5 v 电压的电路图， p c i 插槽提供+ 5 v 电压。 钕：貉 t 纸 2 5 v 0 5 it j y b 曩嚏嘲 ：。* 寿筑一隗； 二二铭 ，、 耸 勉 ；。、舀v二 ! 二p ，e 。二 图3 1 4m a x 6 6 0 的电压反相器i ：作模式 1 7 溜鞭懈隰黝赡 c 3 1 1 5 t 耻! 图3 1 5 用m a x 6 6 0 产生5 v 电路图 1 8 第四章f p g a 内部模块设计 4 1f p g a ( 现场可编程门阵列) 在本系统中，f p g a 是数据采集的核心部件，主要完成控制a d 采样和与p c i