基于可编程逻辑器件实现多路数据采集系统的设计

基于可编程逻辑器件实现多路数据采集系统的设计对于国内而言，正如DSP在20年前出现的情形一样，如今，FPGA正处于数字信号处理技术的前沿。而DSP都是基于一种精简指令集的计算机体系架构，其固定的硬件结构和数据总线宽度已不适合许多面向用户型（可重配置型）的DSP应用系统；其速度也受制于CPU的指令顺序执行的基本工作模式，这已成为DSP处理器一个难以突破的瓶颈。现代的大容量、高速度FPGA器件通常都内嵌有可配置的高速RAM、PLL、LVDS、LVTTL以及硬件乘法累加器（MAC）等DSP模块，而且都提供了支持以低系统开销、低成本实现高速乘－累加（MAC）超前进位链的DSP算法。在许多宽带信号处理领域（如无线通信、多媒体系统、卫星通信、雷达系统等），FPGA技术具有更广阔的应用前景，已代替DSP实现许多前端的数字信号处理算法。用FPGA来实现数字信号处理可以很好地解决并行性和速度问题，而且其灵活的可配置特性，使得FPGA构成的数字信号处理系统易于修改、测试及系统升级，能降低设计成本，缩短开发周期。本文应用FPGA技术针对一个远程监控系统的多路数据采集系统，实现了64bit位宽的海量数据实时采集、存储以及时钟匹配。1数据存储板的结构图1为数据采集系统中数据存储板的基本框图，数据采集时钟为20MHz，远低于SDRAM存储的工作时钟100MHz，需要进行缓冲处理。通用CPU的SDRAM控制器只支持32bit位宽数据，而且容量也很难做到480M，笔者运用Altera公司的Cyclone系列高性价比EP1CQ240C8定制SDRAM控制器。EP1CQ240C8是该数据存储板的核心器件，其主要功能有：完成数据的缓冲；对SDRAM的读写时序控制；完成EPP（增强型并口）协议与计算机通信；提供SDRAM的100MHz工作时钟；产生SDRAM所需的定时刷新、充电、配置等控制命令；提供SDRAM的地址空间等。SDRAM选择HYNIX公司32M×8bit×16组的HYM72V64636BT8。20MHz晶振为EP1CO240C8提供输入时钟，同时被EP1CQ240C8内部的PLL倍频到100MHz和跟随的20MHz，前者被CY2309功分到SDRAM，为SDRAM的存储器组提供工作时钟；后者被时钟驱动芯片74FCT3807分为多路，为A/D提供采样时钟。2EP1CQ240C8与SDRAM的接口设计SDRAM的工作模式配置HYM72V64636BT8具有同步接口，其所有输入和输出都与系统时钟CLK上升沿同步，由输入信号RAS、CAS、WE组合产生SDRAM控制命令，完成相应的模式寄存器设置、刷新、激活、读写、预充电等操作。SDRAM在工作之前必须设置模式寄存器，其读写工作模式分为普通模式和页模式。普通模式的数据长度可以为1，2，4，8；页模式和普通模式不同，一旦确定行列地址，则数据按照工作时钟（本系统工作时钟为100MHz）读出或写完一页（1024列）。为了编程方便，笔者选取读写不同的工作模式：向SDRAM写入数据时采用页模式，写满后读出数据时采用是突发长度为1的普通模式。读写操作完成后用PCH命令或BT命令预充电中止读或写操作。在没有读写操作的时候，每64ms必须用ARF命令刷新存储单元，防止数据丢失。SDRAM的控制接口设计根据本系统SDRAM的工作要求，EP1CQ240C8与SDRAM的接口电路方框图如图2示，笔者对FPGA的内部硬件资源进行了详细配置。（1）PLL（锁相环）完成时钟管理。（2）地址产生模块由计数器构成，包括写地址模块和读地址模块。写地址模块产生的地址同时送到双口RAM和状态机，状态机发出初始化、刷新、读写、充电等命令，交给仲裁机制，在不冲突的情况下完成命令的译码和地址的行列复用，这时数据被存入到由地址的行和列所确定的SDRAM地址中去。数据存满SDRAM后再切换到读地址模块，通过读地址模块产生读地址将数据读出到并口，然后导入计算机进行相关的处理。（3）仲裁机制完成对读写命令和刷新命令的仲裁，杜绝同时操作；命令译码主要用于控制SDRAM的各种时序，完成SDRAM的读写和刷新。（4）刷新控制电路主要完成对SDRAM数据刷新进行计时，确保每64ms刷新8192行数据；刷新控制电路主要由781计数器构成。由于SDRAM工作时钟是100MHz，SDRAM要求在64ms之内刷新8192行数据，因此该计数器应小于：64ms/8192/0.01us=781.25。当计数器计满781次后，刷新控制电路向仲裁电路发出刷新请求，仲裁机制根据请求向SDRAM发出刷新命令。（5）状态机是SDRAM控制器的核心。在程序方案上，笔者设计了两个模块：一个模块产生状态机命令和控制命令；另一个模块完成命令的译码，包括读写、刷新、充电等操作，将命令翻译成SDRAM的命令码字，完成特定的操作。在本系统中，由于多通道数据采集后进入FPGA的时钟是20MHz，而FPGA的状态机以及SDRAM的时钟是100MHz，因此，数据需要做缓冲处理。笔者利用FPGA内部的硬件资源构造双口RAM解决时钟匹配问题，同时又考虑到SDRAM工作在页模式，因此将双口RAM的容量构造成SDRAM一页的数据容量1024×64bits，这样数据缓冲一页就存入一页。双口RAM作为FPGA配置中的关键模块，下面将详细介绍双口RAM的设计。3双口RAM的构造由于本系统中数据读出时钟是写入时钟的五倍，所以必须注意时钟追赶的问题，即读出一定要滞后写入，否则读出的数据就不是存入双口RAM的数据。笔者的编程思路是：当数据以20MHz时钟写入到双口RAM容量的7/8时，便以100MHz时钟开始读出，读完一页后必须就等待下次写满7/8。读出的一页数据刚好存满SDRAM的一页，依次类推，这样就完成了数据的缓冲。当然，读写地址的产生是FPGA内部用计数器实现的，因此，就得到如图3示的算法流程图。图3中clk1为20MHz时钟，clk2为100MHz时钟；count1［9:0］输入到双口RAM的wraddress［9:0］，count2［9:0］输入到rdaddress［9:0］。并和“1110000000”比较，判断是否写满了双口RAM的容量的7/8，如果写满了就触发100MHz的读出时钟，数据开始从双口RAM读出。根据上述思路，利用Altera公司的开发平台QUARTUSII完成编译、仿真得到双口RAM的功能仿真波形如图4示，由仿真结果可知该方案很好地解决了时钟追赶问题，完成了数据缓冲。4数据存储板的性能测试笔者利用在FPGA内部资源编写了一个测试模块，用它产生有规律的数据信号（模拟采样的数据），并存入SDRAM，当存满后通过EPP将数据存储到计算机，利用相关软件读出保