[学位论文]高速数据采集系统设计和CPCI接口研究.pdf

电子科技大学 硕士学位论文 高速数据采集系统设计和CPCI接口研究 姓名 黄德勇 申请学位级别 硕士 专业 信号与信息处理 指导教师 张扬 20040604 屯子科技大学硕士论文 摘要 本课题是信息产业部第十研究所某科研课题的子课题 其主要目的是对 中频输入脉冲信号进行数字化处理 提取信号的细微特征 从而达到识别敌 我目的 由于输入脉冲信号的上升沿宽度为3 0 l O O n s 因此为了得到完整的 脉冲信号 需要较高的采样频率 我们选用2 5 0 M H z 采样频率 由于信号是突 发方式到达 每次信号长度不超过4 0 0 m s 因而 我们选用5 1 2 M b y t e 的S D R A M 用于存储到达的信号 另外 项目要求对信号进行准实时处理 我们选用T I 公司T M S 3 2 0 C 6 7 1 l B 对采集数据进行准实时处理 并通过C P C I 总线将处理结果 送计算机作进一步处理 同时还要保留一对外高速接口 以便在需要时将原 始数据直接传输到远端其它设备 因而本处理板设计有高速以太网接口 用 于满足上述要求 该项目涉及到高速数据采集 高速数据存储 处理技术 高速P C B 设计技术 高速总线接口技术及网络传输技术等 本人所做主要工作如下 1 阐述了中频数字化的理论基础 2 提出了本高速采集处理卡的设计思路和完成了整个数据采 集处理卡的原理图设计 3 利用高速P C B 技术完成了本高速采集卡的P C B 设计 4 完成了采集卡A D 部分和C P C I 接口部分调试并给出了调试结果 关键词 采样 F P G A 芯片 D S P 芯片 P C I 9 0 5 4 芯片 高速电路 信号完整性仿真 I B I S 模型 C P C I 总线 C P C I 接口 w i n d r i v e r 电子科技大学硕士论文 A b s t r a c t T h i ss u b j e c ti sas o ni t e mo fs o m ep r o j e c to ft h eN O1 0R e s e a r c hI n s t i t u t eo ft h e D e p a r t m e n to fI n f o r m a t i o nI n d u s t r y T h em a i np u r p o s ei sd i g i t a lp r o c e s s i n go ft h ei n p u t i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y p u l s es i g n a l s d r a w i n gt h ed e t a i lc h a r a c t e r so f t h ep u l s es i g n a l s s ot h a t d i s t i n g u i s h i n g m ef r o m e n e m y B e c a u s et h ew i d t ho f t h er i s i n ge d g eo f e a c hi n p u tp u l s ei s3 0 t o10 0 n s i no r d e rt og a i nt h ee n t i r ep u l s es i g n a l h i g e r s a m p l i n gs p e e di sn e e d e d 2 5 0 M H zw a s c h o s e na ss a m p l i n g s p e e d A st h ep u l s es i g n a l sr e a c ht h es y s t e mi nap a r o x y s m a lw a y e a c ht i m e t h es i g n a l s l e n g t ha r el e s st h a n4 0 0 m s S ot h e S D R A M s e a c hw i t hc a p a c i t yo f51 2M b y t e s w e r ec h o s e nt os t o r et h e a r r i v i n gs i g n a l s I na d d i t i o n t h eq u a s i r e a lt i m ep r o c e s s i n go ft h e i n p u ts i g n a l si sn e e d e da c c o r d i n g t ot h ep r o j e e t T h eT M S 3 2 0 C 6 7 1 I Bo f T lC o m p a n yw a sc h o s e n t om e e t i t M e a n w h i l e t h er e s u l t sc o m i n gf r o mT M S 3 2 0 C 6 7 1I Bw i l lb es e n tt oP Cb vw a yo f C P C Ib u sf o rf u r t h e rp r o c e s s i n g A tt h es a m e t i m e k e e p i n g ah i g hs p e e di n t e r f a c et oo u t s i d es o t h a tt h ep r i m a ld a t aw i l lb es e n td i r e c tt ot h ef a r a w a yd e v i c e s a c c o r d i n g t ot h ed e m a n d s oa h i g h s p e e dE t h e m e ti n t e r f a c ew a sd e s i g n e d T h i ss u b j e c ti n v o l v e s h i g hs p e e ds a m p l i n g s t o r i n g p r o c e s s i n g P C B b u si n t e r f a c ea n dn e t w o r kt r a n s f e r i n gt e c h n o l o g i e s T h e p r i m a r yw o r k si nt h i sp a p e r a r e p r e s e n t e d a sf o l l o w s 1 T h eb a s i ct h e o r i e so f t h eI F i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y d i g i t a lt e c h n o l o g ya r ed e t a i l e d 2 T h et h o u g h to fd e s i g nf o rt h eh i g hs p ds a m p l i n gb o a r dw I I s p u tf o r w a r da n da l lt h e s c h e m a t i e sw e r ef i n i s h e d 3 T h e h i g hs p e e dP C B p r i n t e dc i r c u i tb o a r d w a sw e l ld e s i g n e da c c o r d i n gt h eh i g hs p e e dP C B t e c h n o l o g i e s 4 T h e d e b u g o f t h eA Da n dC P C Ii n t e r f a c eo f t h e s a m p l i n gc a r dw a sf i n i s h e da n dt h er e s u l t s w e r e g i v e n K e yw o r d s a m p l i n gF P G Ac h i pD S P c h i p P C I 9 0 5 4 c h i ph i g hs p e e dc i r c u i tS i g n a li n t e g r i t y I B I Sm o d e JC P C Ib u sC P C Ii n t e r f a c e w i n d r i v e I l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外 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 为获得电子科技大学或其它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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 签名 垫墅 日期 细伊年厂月妇 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或 扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名厂彘鼋移易签名厂鲰鼋眵易 电子科技大学硕十论文 1 1项目来源 第一章序言 本论文所研究的课题是信息产业部第十研究所某科研项目的一部分 该 项目主要是对中频信号高速采样 通过数字信号处理器 D S P 对采样数据 作预处理 然后把预处理后的数据通过C P C I 总线送P e 机作进一步处理 提取 所需要的相关参数 同时 还要对采样后的原始数据通过高速网络送远端设 备备份 该项目涉及到高速数据采集 高速数据存储 处理技术 高速P C B 设计技术 C P C I 总线接口技术及网络传输技术等 本文主要研究的是高速数 据采集 处理系统的设计 高速P C B 设计和C P C I 接口技术 1 2 高速数据采集的特点和发展趋势 数据采集的应用十分广泛 比如水文 地震 火灾等方面的监测 生产 的自动控制 雷达 声纳信号处理等 随着数字信号处理技术在生产和生活 中的应用不断深入 数据采集技术的应用越来越广 数据采集技术从原先的 低速率 窄带向高速 宽带方向发展 从而导致高速数据存储 处理 传输 及高速P C B 技术的应用和发展 典型的数据采集系统的构成是由A D D S P F P O A C P L D D A 其中 A D 完成把模拟信号转化为数字信号 D S P 用来对A D 采样后的数据进行处 理 而F P O A 或C P L D 是用来对整个系统进行控制 而D A 是用来将输出的 数字信号转化为模拟信号而来驱动外部设备 当采样频率很高时 D A 采样 后的数据量很大 D S P 数字信号处理器 来不及对采样后的数据进行处 理 所以此时一般在D A 和D S P 之间使用F I F O F i r s t I n F i r s t0 u t 或者双口 R A M 来对采集届的数据进行缓存 如果数据量特别大 有时还要使用 S D R A M 同步动态存储器 来对采集后的数据作以保存 由于现在使用的 D S P 内部数据存储器和程序存储器容量不够 往往外挂R A M S R A M 或 S B S R A M 作数据存储器 外挂R O M 或F L A S H 作为程序存储器 同时 采集系统有时需要与外界进行数据交换 所以需要设置一些对外接口 比 如 采集卡有时需要与计算机进行数据交换 就可以在采集卡上设计一些 P C I I S A U S B 串口或并口等接口 采集卡需要时钟作为基准 所以应 电子科技大学硕士论文 该具备时钟电路 当然 必须提供采集卡工作的必要电源 所以也应该具有 电源电路 当系统的工作频率很高时 在低频时不大明显的信号完整性和电 磁兼容性问题就突出地表现出来 所以 此时对P C B 的布局和布线就相当严 格 通过适当的布局和布线 可以将影响信号完整性的因素降低到很低的水 平 为了合理的进行布局和布线 使用具有仿真功能的E D A 工具就显得尤为 必要 在P C B 布局和布线之前 对布局的拓扑结构和布线进行仿真 为实际 的布局 布线提供有力的参考 现在的A D 的采样频率可达G H z 的量级 有效位可达1 0 位 对于采样频 率较低的A D 其有效位可达1 6 位以上 数字信号处理器D S P 的时钟频率可 达6 0 0 M H z 以上 每秒钟能够进行千万此以上的乘加运算 F P G A 的时钟频 率也可达到1 0 0 M H z 以上 内部逻辑门数可达5 0 0 万以上 S D R A M 的容量 单片可达6 4 M b y t e 并且可以多片级联 能够满足高速缓存的需要 D A 的 位数可达1 8 位以上 转换时间可以达到小于1 微妙 现在的一些总线 比如 P C I 总线 传输速率可达1 3 2 M b y t e s U S B 总线 传输速率可达4 8 0 M b i t s 可以满足数据采集卡与其它设备的高速数据传输 所有这些条件 都使数据 采集向宽带 高速方向发展成为现实 1 3 本文的主要内容及结构 本文主要讨论了高速采集系统的设计 包括系统方框图 原理图设计 由于本系统工作频率很高 涉及到高速电路设计 所以本文对高速电路 特 别是高速P C B 技术进行了详尽的介绍 文章还介绍了C P C I 总线技术 并对 C P C I 接口的设计及调试进行了详尽的介绍 本文共分六章 分别是 第一章引言 第二章中频数字化的理论基础 第三章高速数据采集 处理系统的设计及论证 第四章高速P C B 设计 第五 章C P C I 接口设计 第六章A D 和C P C I 接口测试结果及分析 电子科技火学硕士论文 一 一 第二章中频数字化理论基础 2 1 信号采样理论 2 1 1 采样定理 由于数字信号的抗干扰性和精度等方面都比模拟信号信号优越 所以在 现代信号处理中 都是将模拟信号采样 量化为数字信号之后处理 奈奎斯 特 N y q u i s t 采样定理告诉我们 对于一个频带有限信号x r 其频带限 制在 o 厶 内 如果以不小于正 2 厶的采样率对x r 进行等间隔采样 得 到时间离散的采样信号x 原信号x f 能被采样信号z 疗 完全恢复 从数学上可以进一步证明N y q u i s t 采样定理 也就是推导用离散采样值 x n 表示带限信号x r 的数学表达式 多种文献对此有详细推导 故不再赘 述 只给出结果 1 兰 置 珊 x 缈一 国 2 1 1 式中 X 沏 为采样信号的傅立叶变换 X o J 为原信号的傅立叶变换 t 万1为采样间隔 国 等 2 矾为采样角频率 飞确0 即o 口 6 图2 1 1 采样前后的信号频谱 式 2 1 1 表明 连续信号以取样率工进行取样后所得取样信号X s O 的 频谱是原信号频谱的周期重复 在频域重复周期为f O 幅度是原频谱幅度 的必 如果原信号x f 的频谱如图2 1 1 a 所示 则取样信号 的 频谱如图2 1 1 b 所示 由图2 1 1 可见 以归 中包含有J 频谱成分 而且只要满足以下条 电子科技大学硕士论文 件 脚 2 0 口 或 六 2 6 2 1 2 则原信号的频谱成分不会与其它频率成分相混叠 这时只需要用一个带 宽不小于出 的滤波器 就能够滤出原来的信号x N y q u i s t 采样定理的意义在于 时间上连续的模拟信号可以用时间上离 散的采样值来代替 这样就为模拟信号的数字化处理奠定了理论基础 2 1 2 带通采样定理 设频率带通信号x r 其频带限制在 兀 厶 内 带宽B 厶一兀 中心频 率正 丑 丑 如果其采样频率五满足 f 丝 型 L 2 1 3 一 2 N 一12 N 一1 则用工进行等间隔采样所得到的信号采样值能准确的反映原信号 x f 式中 为满足工 2 B 的正整数 图21 2 给出了带通信号采样前 后的频谱 0 五石扫 0 知f s 2氧 Q 图2 1 2 带通信号采样前后的频谱 通常在满足工 2 B 条件下取尽可能大的正整数 这就决定了所需采 样频率的最小值 同时N的取值对应于采样过程所处的奈奎斯特区 啪 埘z D P 如图2 1 2 所示 第一奈奎斯特区指的是从 o 一辱 的频 率段 电子科技大学硕士论文 2 1 3 过采样 与 欠采样 当采样频率 超过信号最高频率的2 倍 对应于采样过程处于第一 N y q u i s t 时称为 过采样 相反地 当采样频率工低于2 倍信号最高 频率 对应于采样过程处于第 N y q u i s t 以外 时称为 欠采样 又称谐 波采样或超N y q u i s t 采样 0 a z f 工 3 2 f s骐 f 欠采样 示意 b 过采样 示意 图2 3 理想情况下的 过采样 与 欠采 对一个带通中频信号的采样可以既是 过采样 相对于调制过程 又 是 欠采样 相对于载波信号 欠采样无疑降低了A D C 的采样频率 对A D C 器件和抽取滤波数字信号处理器件的要求大为降低 此外 欠采样 有可能避开带外的谐波杂散混叠到带内来 欠采样还具有类似于变频器的作 用 一般对于信号进行欠采样 其频谱将会被折叠到基带 又称第一 g 腑f 区 在数字化过程中 采样频率 f 越大 噪声基底越低 因为总的积分噪 声保持不变而噪声将在更宽的频段上扩展 因此 疋的减低将导致信噪比 S N的恶化 与过采样相比 欠采样相对于基带采样方案抬高了噪声基 底 在后面的篇幅中 我们会详细讨论f 对s N 的影响 2 1 4 多抽样率信号处理 软件无线电所基于的最基本的理论是带通采样定理 带通采样定理的应 用大大降低了所需的射频采样速度 为后面的实时处理奠定了基础 但是从 对软件无线电的要求来看 带通采样的带宽应该越宽越好 这样对不同的信 号会有更好的适应性 要实现上述点就要提高采样频率f 另外 对一个 频率很高的射频信号采样时 如果正取得太低 对提高采样量化的信噪比 是不利的 所以在可能的情况下 带通采样速率应该选得高一些 使瞬时采 电子科技大学硕士论文 样带宽尽可能地宽 然而随着采样速率的提高带来的另外一个问题就是采样 后的数据流速率很高 导致后续的信号处理速度跟不上 此时使用大容量的 存储器来协助解决 2 数字滤波器 2 2 1 数字低通滤波器设计的理论基础 输入为x n 输出为y n 冲激响应为h n 的数字滤波器可用图2 2 1 表示 用数字表达为 y o 2 厅 x n t 2 2 1 女一 用离散卷积符号 t 可以表示为 月 5 n z 门 2 2 2 H n 1 竺 r 一 一 图2 2 1 数字滤波器 数字滤波器可以用两种形式来表示 即有限冲激响应 F I R 滤波器和 无限冲激响应 I I R 滤波器 F I R 滤波器相对于I I R 滤波器有许多独特的 优越性 如线性相位 稳定性等 而且 F I R 滤波器的设计相对成熟 方法 更多 下面的叙述中主要讨论F I R 滤波器的设计 2 2 2F I R 滤波器的设计 设计F I R 滤波器最简单的方法就是用一个窗函数w 句去截取一个理想滤 波器的冲击函数h i d k 得到一个实际可用的F I R 滤波器冲击函数办国 w 2 2 3 其中窗函数何妨可以有各种形式 如矩形窗 汉宁窗 H a r m i n g 海 明窗 H a m m i n g 布一哈窗 B l a c k m a n H a r r i s 以及恺撒窗 K a i s e r 等 对于一个低通滤波器可以用如下的一组参数来描述 如图2 2 2 所示 其 中 6 为通带波纹 6 s 为阻带波纹 为截止频率 相对于采样频率归一化 6 电子科技大学硕士论文 s 为阻带起始频率 相对于采样频率归一化 l 为过渡带宽度 相对于采样频率归一化 t s y 1 8 P 1 图2 2 2 滤波器参数的定义 对于某些类型的窗函数 给定6 p G s S 等滤波器参数就可以确定 所需的窗函数长度 即为滤波器的阶数N 例如对于恺撒窗 有 8 6 D 8 s 则N 由下式给出 二 g 生二 l 1 4 3 6 1 2 0 藏I g 丽f i 7 9 5 11 4 3 6 F 脚 蒜簧焉 民 m 式中 F e F s AF 分别为实际信号带宽和频率值 F s A 为采样频率 2 2 3 半带滤波器 H B F 和它的特性 设一种F I R 滤波器的冲激响应厅 n 为实数且为偶对称 即 n n I n l L 的长度为N 由于I n l L 所以N 2 L I 为一奇数 如图2 3 3 所示 图2 2 3F I R 滤波器的冲激响应 根据上述条件 这个滤波器的频率响应域e 是以2 兀为周期的实函数 而且是0 3 的偶函数 这是因为 H e b n P 1 2 25 所以 H e h n e H g P 2 26 下面推导川一 和研一阳砌 的关系 从 2 2 5 式 有 抄净 圭坳 早2 d r c z z 如果将等号两侧对k 求和 则 耕肋等 傩扣e e 1 壹矗 咖一t K I e J J 砌 勤 0 2 2 8 l0 当n 0 如果设h 0 1 2 及K i 2 则 H C 日 P m J 1 2 2 9 又因为项内是以2 7 为周期的实函数 且是0 的偶函数 所以 日k m 训 1 一H e J 2 2 1 0 在 珊 万一缈口 2 2 1 1 的条件下 坝 勺如图2 2 4 中实线所示 其中蚺及叻分别为滤波器的通带 上限和阻带下限频率 依据 2 2 1 0 式 研 1 如图2 2 5 所示 将图 俄 w 朋 7 7 7 7 l 图2 2 4F I R 滤波器的零相位频率响应及其频移7 c 角的样本 2 3 5 中的曲线用虚线画在2 2 4 中 则可以看出当0 7 t 1 2 时 电f 科技大学硕士论文 H e 7 4 2 1 1 2 X一趴I 0 n 2 图2 2 5二倍抽取后半带滤波器的频率响应 坝一勺与研 1 是关于T c 2 对称的 而 r i d 1 则恰好是二倍抽取 即 抽样率降低一倍 后滤波器以冗为周期的频率响应 这样在通带内是没有混 叠的 而过渡带中是有混叠的 符合 2 2 1 0 和 2 2 1 1 式所示的频率响应和频率关系的滤波器称 为半带滤波器 H a l f B a n dF i l t e r 半带滤波器具有如下特性 1 可以证明半带滤波器偶数序列 不包括序号0 的冲激响应的值 为0 即 A H 0 当 2 4 士6 n O 2 2 1 2 2 半带滤波器的频率响应于信号的抽样率降低一倍以后 在过渡带 中是有混叠的 但保护了通带不受混叠 3 半带滤波器要求通带误差容限 与阻带误差容限6 s 相等 即 6 0 5 2 2 1 3 从 2 2 1 0 及图 2 2 4 都可看出当二倍抽取之后觑一 的通带恰好 就是研一协唧 的阻带 坝一勺的阻带恰好就是研 印的通带 而 2 2 1 0 式示出日k 叫 1 H e j 6 所以通带误差容限须与阻带误差 容限相等 2 2 4 积分梳状 C I C 滤波器 所谓积分梳状滤波器 是指滤波器的冲激响应具有如下形式 c n 胛 妥 c z z 式中的 为积分梳状滤波器的系数长度 后面将会看到这里的 也就是 抽取因子 根据z 变换的定义 C I C 滤波器的Z 变换为 日 z h n z 电子科技大学硕士论文 1 一Z F 1 丁 1 z N H l z H 2 z 式中 州z 专 胃2 z 1 一z 其实现框图如图2 2 6 所示 2 2 1 5 2 2 1 6 H i 0 z 图2 2 6 积分梳状滤波器的实现框 可见 C I C 滤波器是由两部分组成 积分器H l z 和梳状滤波器H 2 z 的级联 这就是为什么称之为积分梳状滤波器的原因 下面分析一下C I C 滤 波器的幅频特性 把z 矿代入可得H 2 z 的频率响应为 H 2 0 1 e 一删 一一 2 丝 竺竺 2 e 一 s i n c o N 2 1 2 2 1 7 其幅频特性为 H 2 f z f s m 譬 z s 如果设N 1 6 则可以得到如图2 2 7 所示的相应频谱特性曲线 电子科技大学硕士论文 V V V V V V V 圈2 2 7 1 6 阴梳状嬷坡器幅频特性曲线 由图2 3 7 可以清楚地看到 I 如 P 勺I 的形状犹如一把梳子 故把其形象 地称之为梳状滤波器 同样可以求得积分器玩0 的频率相应为 片 一 2 矗才 e J t2 坐辜竺 I 竿 s i n z 故C I C 滤波器的总频率相应为 1 日 扩 日 e 如 H 1 P 训 j c 警 1 纠 z 瑚 式中 S a z 半为取样函数 且S a O l 所以C I C 滤波器在 o 处的幅度值为 即 p e 扣 f C I C 滤波器的幅频特性曲线如图2 3 8 所示 N 1 6 图2 2 8 C I C 滤波器的幅频特性曲线 在 0 兀 范围上称 0 2 r d N 的区间为C I C 滤波器的主瓣 而其它 区间称为旁瓣 由图2 2 8 可知 在 0 兀 区间上随着频率的增大 旁瓣电 电子科技大学硕士论文 平不断减小 其中第一旁瓣电平为 I H e j 9 1 等 1 嚣刮 面面1 比如说当N 1 6 时 主瓣电乎为2 4 0 8 d B 而第一旁瓣电平为 l o 7 4 d B 不过 当 1 时 有I s i n 烈m 景 故第一旁瓣电平爿 为 爿 竺 2 2 2 2 2 因此 它与主瓣电平的差值 用d B 数表示 为 口 2 1 8 i N 2 u 1 8 了3 z 1 3 4 6 拈 2 2 2 3 可见 单级C I C 滤波器的旁瓣电平是比较大的 只比主瓣低1 3 4 6 d B 这也就意味这阻带衰减很差 一般很难直接满足实用要求 为了降低旁瓣电 平 可以采用多级C I C 滤波器级联的方法 设用M 级C I C 滤波器级联 那么 总的频率相应为 剐矿 鬻 M c c o N 矿c 尹0 9 可求得M 级C I C 滤波器的旁瓣抑制为 2 0 1 9 等 M 2 0 1 9 孚 M 1 3 4 扭 比如当吖 5 时 主瓣与旁瓣的差值为6 7 3 地 这样的阻带衰减基本上 能满足实际要求 但在实际的抽样率变换系统中 C I C 滤波器旁瓣区域往往 作为不确定西带来处理 也就是说在这些旁瓣区域是不会有信号频谱 镜像 或混叠频谱 的 因此在C I C 滤波器的设计及使用中所要考虑的重要指标之 一是抗混叠问题 同时 在使用C I C 滤波器的时候 还有一个问题值得注 意 由 2 2 2 4 式可以看到 M 级C I C 滤波器有一个处理增益 而且 随着级数吖的增多和抽取因子 的加大 处理因子也越大 所以在用软件或 者硬件实现C 1 C 滤波器时 每一级必须保留足够的运算精度 否则就有可能 引起溢出错误 或运算精度的降低 电子科技大学硕十论文 第三章高速数据采集 处理系统设计 3 1 系统方案设计 3 1 1项目对系统的主要功能和技术指标要求 1 主要功能要求 通过A D 将中频信号数字化 并将采样后的数据送D S P 进行处理 要求 设计的系统完成以下几个方面的功能 1 采集卡能对信号进行准实时处理 2 采集卡能将处理后的数据通过C P C I 总线送计算机 3 能将采集到的数据不加处理的输出到外部设备备份 4 采集卡具有自检功能 2 技术指标要求 1 采样频率 2 5 0 M H z 2 采样精度 l O b i t 3 存储容量 1 G b y t e 3 1 2 系统组成及工作原理 1 方案设计 在本高速采集系统中 我们采用高速A D 器件 高速缓存 可编程逻辑 器件 高速数字信号处理器 高速存储芯片 外围接口芯片组成 采集卡设 计成C P C I 卡 安装在工控机上 卡上的电源都由工控机提供 由于工控机提 供的电源不能直接完全满足要求 所以在卡上还应有电源电路 进行D C 至I J D C 的变换 由于采集卡上A D 和D S P 以及某些接口芯片的时钟各不相同 所以 在采集卡上还应该有时钟及管理电路 由于采样率达到2 5 0 M H z 的A D 在市场 上难于买到 所以我们在前端把中频信号分成两路 分别送到两个A D 中 使用1 2 5 M H z 的采样时钟 一路A D 在时钟的上升沿对信号采样 另一路在时 钟的下降沿对信号采样 这样两路采样后的数据合起来就达到一路A D 进行 2 5 0 M H z 采样的效果 这种设计既符合传统数据采集系统的设计思想 又有其 电子科技大学硕士论文 独到之处 此方案的优点是元器件集成度高 体积小 重量小 2 工作原理 中频信号送运放放大后 经变压器分成两路 再分别送两路A o 采样 后 数据通过F I F O 后合成 路数据送入F P G A F P G A 将数据送入S D R A M A 年D S D R A M B 当T M S 3 2 0 C 6 7 1 l 进行数据处理时通过F P G A 从相应的S D R A M 中取出数 据进行处理 处理后的数据通过C P C I 总线接口送入计算机 在F P G A 上还有一 以太网接口 用于将未处理的采样数据送到远端设备备份 两路A D 采样时 钟为一路 频率为1 2 5 M H z 其中 路用时钟上沿采 另一路用下沿采 这样 两路A D 数据合起来就可达到2 5 0 M B s 的数据率 本采集卡组成框图如图3 1 所示 一地址线 一数据线 图3 1数据采集处理卡的原理框图 3 主要芯片选择 1 A D 采用A N A L O G 公司的A D 9 4 3 3 B S Q 它的模拟输入带宽是3 5 0 M H z 最高采样 时钟为1 2 5 M H z 采样精度是1 2 位 输入信号范围是2 V p D 2 数字信号处理器 D S P 1 4 电子科技大学硕士论文 我们采用T I 公司的T M S 3 2 0 C 6 7 1 1 B 它的主要指标是 时钟频率为1 0 0 M H z 或1 5 0 M H z 总线宽度为3 2b i t 程序c a c h e 为4 K B y t e 数据c a c h e 为 4 K B y t e 内部R A M 为6 4 K b y t e 可以寻址1 0 2 4 M B y t e 的E M I F 外部空间 外部 接口有E M I F E D M A H P I M c B S P s 等 2 C P C I 桥接芯片 选用P L X 公司的P C I 9 0 5 4 该芯片支持局部总线传输率达2 0 0 M B s C P C I 总线的时钟为3 3 M H z 数据传输速率达到1 3 2 M B s 3 以太网接口芯片 采用A X I S 公司的A X 8 8 7 9 6 L 它内部带有一个8 K 1 6 b i t 的S R A M 支持 l O M b s 和1 0 0 M b s 两种数据传输速率 4 可编程逻辑器件F P G A 选用A l t e r a 公司生产的E P l K l 0 0 该芯片的门数为1 0 f i 时钟速度可达 1 5 6 M H z 能实现复杂的逻辑控制 5 大容量的存储器件S D R A M 选用三星公司的K 4 S 5 1 1 6 3 2 M 它的存储容量为6 4 M b y t e 支持同步存取 3 2 系统硬件设计 由图3 1 可知 整个采集卡硬件可分5 个部分 A D 部分 存储控制 部分 D S P 处理部分 C P C I 接口部分 以太网接口部分 下面分别论述 3 2 1 A D 部分 由于本采集处理卡是用于中频信号细微特征分析 输入信号中心频率为 7 0 M H z 带宽为5 0 M H z 为满足细微特征分析的需要 A D 的采样频率和输 入信号的最高频率之间应满足奈奎斯特定律的要求 以便可以从采样数据中 恢复输入信号的波形 因为输入信号的最高频率为9 5 M H z 因而采样频率应 该在1 9 0 M H z 以上 虽然较高的采样频率对信号的细微特征分析可能更有利 但太高的采样频率会带来一系列的硬件问题 首先 较高的采样频率意味着 较高的数据率 使得D S P 的处理速度必须提高 而本方案中采取的D S P 处理 速度已经相当高 再提高处理速度比较困难 其次 当A D 的采样速度较高 后 现有k l o 的采样精度不可能做的很高 而这对后续信号分析是不利的 最后 较高的数据率对数据的存储电路要求更为苛刻 综上所述 本方案采 用的采样频率为2 5 0 M H z 由T 2 5 0 M H z 采样频率的A D 购买非常困难 因而决 定采用两路A D 对信号进行采样 从而降低了对A I l u F P G A 的要求 同时也 电子科技大学硕士论文 降低了数据传输速率和数据存储速率 如前所述两路A D 均采用频率为 1 2 5 M H z 的时钟 其中一路用时钟上沿采样 另一路用下沿采样 这样两路 A D 数据合起来就可达到2 5 0 M B s 的数据率 而A D 采用A N A L O G 公司的 A D 9 4 3 3 B S Q 该A D 的采样时钟输入既可为单端 又可为差分 在本方案中 A D 的时钟采用差分输入方惑 由于A D 采样速率较高 且其有效位数对输 入时钟的抖动很敏感 要求输入时钟的相位抖动小于8 p s 因此外部单端时 钟的相位抖动至少应当接近这个指标 并尽可能使用差分时钟输入 对于采 样时钟另一个需要注意的是要保证两路A D 的采样时钟相位保持相差为1 8 0 度 这意味着两路A D 时钟的上升沿之间有4 n s 的延时 为了保证延时的精 确性 本方案采用专用延时芯片M C l O O E l 9 6 对其中一路A D 的时钟延时进行 程控 该芯片的最大延时精度可到2 0 p s 这对于本方案的要求是足够的 信 号采用差分输入的办法 以获得更好的采样效果 由于系统所给信号为单端 信号 因而拟采用耦合线圈将单端信号转为差分信号 并起到隔直流的作 用 A D 模拟电路与所有其它数字电路布局分开 以避免电磁干扰 A D 采 样及数据存储原理框图如图3 2 所示 图3 2A D 采样及数据存储原理框图 3 2 2 存储部分 考虑到1 2 5 M 的数据率 本方案采用S D R A M 对数据进行存储 由于S D R A M 需要动态刷新 对其写入也需要一些初始化操作 这些都会带来一些时间上 1 6 电子科技大学硕士论文 的开销 因而在设计中采耿在A D 和S D R A M 之间插入F I F O 的办法来保证写入 数据的完整性 同时还可以将两路A D 的数据进行同步 对于S D R A M 以及 F I F O 的读写控制是通过F P G A 来完成的 F P G A 同时还完成以太网卡接口芯片控 制以及S D R A M 与D S P 接口等功能 考虑到在D S P 对数据进行处理时以太网卡 可能也需要同时传输原始数据 因而采用两组独立的S D R A M 分别存储送给 D S P 和以太网卡的采样数据 两组S D R A M 中存储的数据完全一样 其原理框 图如图3 3 所示 DD S PL S D R A M I D S P J DD S P L 1 一 r IA 组 1 一 1r F P G A IA X 8 8 7 9 6 L J D L C A R DL DC A R D 医i 1r 1 一 r IB 组 3 2 3D S P 部分 D S P 采用T I 公司的T M S 3 2 0 C 6 7 1 1 B 该芯片可以进行浮点运算 主要完成 对采样数据的准实时处理 并将处理结果通过C P C I 总线送工控机 虽然 T M s 3 2 0 C 6 7 1 I B 与S D R A l I l I 之间可以直接衔接 但对数据的读取速度较慢 因而 在设计中并没有将S D R A M 直接挂接到D S P 而是先通过F P G A 从S D R A M 中取数 据 并将数据预存到S R A M 中 然后再进行处理 3 2 4 C P C I 接口部分 C P C I 接口主要完成将采集卡接入工控机C P C I 总线的功能 如前所述 D S P 处理完数据后通过P C I 接口芯片将处理结果送到计算机中 考虑到传输 速度的问题 在本方案中 将P C I 9 0 5 4 通过E P L D 挂接到D S P 的E M I F 上 以提 高数据传输速率 3 2 5 以太网接口 以太网接口完成对以太网卡的控制 主要功能是将数据从S D R A M 中读 出 并通过以太网卡发送出去 以太网卡的初始化和控制由F P G A 完成 在本 方案中选用A x I s 公司的A x 8 8 7 9 6 L 作为以太网控制器 以太网卡传输速率选为 电子科技大学硕士论文 l O O M b s A X 8 8 7 9 5 L 可以与C P U 直接接口 对于简单的网络通信 使用F P G A 控制也可以完成 3 2 6自检设计 根据任务书上的要求 数据采集卡应有自检功能 自检的目的在于实时 反馈高速采集处理板主要器件的工作状况是否正常以及与后级数据通路是否 可靠 针对数据采集板 自检包括 A D 存储器 以太网卡 D S P 及C P C I 总线自检 1 A D 自检通过外接单频正弦信号 并分析采样数据来完成 2 存储器自检可以通过F P G A 向S D R A M 写数据 再由D S P 读回比较来完 成 3 D S P 自检通过D S P 向片外R A M 写数据并读回比较来完成 4 C P C I 总线自检 由D S P 向工控机发自检请求 当D S P 收到工控机通过 C P C I 总线送回的应答后自检完成 5 以太网卡自检 由以太网卡自发自收数据并比较即可 3 2 7布局布线 由于采集卡涉及到高速采样和高速存取 因而P C B 板的布局布线变得尤 为重要 设计中要充分考虑到高速电路设计的问题 在P C B 设计前先采用 M e n t o r 公司的E D A 工具B o a r dS t a t i o n 进行仿真 验证信号的完整性和信号 延迟是否满足要求 当仿真满足要求后再进行P C B 的布局布线 这样可以保 证P C B 的质量 由于元器件较多 电路较复杂 既有模拟电路 又有数字电 路 同时电源种类比较多 因而器件的布局比较重要 在布局中 尽可能把 模拟电路部分和数字电路部分分开 并使得数据流向尽可能的成直线 在 D S P 的数据总线上加总线控制器 以避免高速数据信号干扰低速器件 将匹 配电阻尽可能靠近终端摆放 高速器件应尽量靠近摆放 在布局的同时也要 考虑电源层的分割 采集卡采用1 0 层板 5 层走线 2 层电源 一层模拟 地 二层数字地 这样使得信号可以有一个很好的回流平面 减少高频信号 的电磁辐射 3 3 电源 功耗 散热及其它 3 3 1电源 采集卡中所使用电源电压主要有 数字3 3 V 模拟和数字5 V 数字 电子科技大学硕士论文 1 8 V 数字2 5 v 和数字一5 V C P C I 总线只提供 1 2 V 一1 2 V 5 V 3 3 V 数字电 源和数字地 模拟3 3 V 由数字3 3 V 通过滤波后产生 数字2 5 V 和数字1 8 V 由 电源管理芯片通过数字5 v 产生 数字 5 V 由电源管理芯片通过数字 1 2 V 产 生 模拟5 v 由数字 1 2 V 产生 其中A D 使用模拟5 V 和数字3 3 V D S P 使用数 字1 8 v 和数字3 3 V F P G A 使用数字2 5 V 和数字3 3 V 数字5 V 和数字一5 V 主要 供一些E C L 器件使用 3 3 2功耗 采集板的功耗主要分成两部分 A D 与D S P 部分 A D 部分的峰值功耗 为2 2 W D S P 的功耗不超过4 w 整个采集板的总功耗不超过8 w 可以不考虑 整个采集板的散热问题 3 3 3 信号兼容性及抗干扰 在采集卡上 数字信号主要有两种类型 E C L 和L V T T L 这两种信号不 兼容 因而必须使用电平转换芯片进行转换 由于本采集处理板工作频率很高 时钟信号和其它高频信号含有丰富的 谐波 会对整个应用系统造成干扰 因而采用多层电路板布局 电路板层间 最好采用环氧树脂隔离 为抑制干扰 数字和模拟地采用单点星形连接且靠 近电源 数字地和模拟地连接在铁氧体磁珠抑制器上 模拟电源由数字电源 通过铁氧体磁珠去耦后得到 防止射频干扰最佳的方法是保证层间布线尽量 短并加阻尼电阻 避免产生额外的谐振回路 短的连线能减小电感阻抗 缩 短信号传输延时 经过测量大约为5 7 p s m m 1 4 5 p s i n c h 对于本采集 系统来说 传输延时是一个重要的考虑因素 建议布线长度不超过0 5 英寸 1 2 m m 每条连线的最大延迟限制在7 0 p s 当然 这种指标并非总能实 现 更重要的是 要保证相关连线等长并注意恰当的终止方式 3 4 接口关系 本采集处理卡对外接口分数据接口和信号接口 数据接口主要用于接收 主机控制信号和输出采样数据以及采集卡处理后的结果 信号接口用于输入 中频信号 视频触发信号 采集卡自检所需的自检输入信号和时间信号 3 4 1信号接口 1 敌我识别器中频输入信号 中频信号通过高频电缆由S M A 插座输入到采集处理卡 输入信号的电平 为一5 0 l O d B m 动态范围优于1 8 d B 信号的信噪比为1 3 d B 输入阻抗为5 0 1 9 电子科技大学硕士论文 S j 2 时间信号 时 分 秒 输入时间信号是G P S 时 分 秒信号 通过扁平电缆由标准9 芯串口通 信插座输入 满足R S 2 3 2 串口通信协议 3 G P S 秒脉冲 通过电缆由S M A 插座输入 G P S 秒脉冲信号是正脉冲 T T L 电平 4 采样触发信号 通过电缆由S M A 插座输入 采样触发信号为正脉冲 T T L 电平 使用边 沿触发方式 3 4 2 数据接口 1 C P C I 总线接口 C P C I 总线接口使用C P C I 总线传输方式 传输的内容是I F F I d e n t i f i c a t i o nF r i e n do yF o e 视频信号识别结果 I F F 信号波形描述 字 计算机控制命令 I F F 信号中频处理结果 采集卡状态自检上报等内 容 2 以太网接口 以太网接口的传输方式是是T C P 或者U D P 方式 传输的内容是A D 采集 后的原始数据 电子科技大学硕士论文 第四章高速P C 8 设计技术 4 1 高速电路设计的由来 在现代电子系统设计中 为了对大量数据快速实施处理 要求器件的工 作频率越来越高 速率在5 0 M H z 以上的器件比比皆是 随着