基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集控制模塊設(shè)計(jì)

周 倩

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所雷達(dá)部，陜西 西安 710068)

在雷達(dá)、通信、氣象、軍事監(jiān)控及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，現(xiàn)場信號具有重要的作用。這些信號的主要特點(diǎn)是:實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)速率高、數(shù)據(jù)量大、處理復(fù)雜。為能夠完整、準(zhǔn)確地捕獲到各種信號并及時(shí)進(jìn)行處理，需要監(jiān)測系統(tǒng)能夠具備任意長度連續(xù)采集和存儲的功能，且具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率［1－2］。考慮到FPGA擁有豐富的可編程I/O引腳、時(shí)鐘頻率高、時(shí)序控制精確、運(yùn)行速度快、編程配置靈活等特點(diǎn)，采用其作為核心控制模塊。因?yàn)楣饫w通信使用簡單的點(diǎn)到點(diǎn)互連，具有傳輸損耗低、傳輸頻帶寬、速率高和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在增加可靠性的同時(shí)降低了電纜連接的復(fù)雜程度［3－5］，所以采用光纖作為信號傳輸媒介。

這里設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集控制模塊能夠?qū)?通道模擬信號進(jìn)行兩種不同頻率的采集，采集時(shí)間的長短可以進(jìn)行控制，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了編幀，編解碼處理，利用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

8通道的模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后進(jìn)入FPGA。上位機(jī)發(fā)送的控制幀經(jīng)光收發(fā)模塊、串并轉(zhuǎn)換器后進(jìn)入FPGA，作為采集數(shù)據(jù)的幀頭部分，該幀中有1 Byte決定了采樣的頻率。上位機(jī)向FPGA發(fā)送采樣控制信號:采樣導(dǎo)前信號以及采樣時(shí)間長度信號。在FPGA中將8通道采集的數(shù)據(jù)以兩通道為一組分成4份分別與幀頭打包組幀，存入雙口RAM，編碼處理后經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換器、光收發(fā)模塊發(fā)送出去。模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)采集控制模塊主要由3部分組成，分別為模擬信號處理部分、邏輯控制部分和光纖通信部分。

采用AD8036實(shí)現(xiàn)對模擬信號的調(diào)理，將其控制在ADC轉(zhuǎn)換的電壓范圍內(nèi)。該芯片為單位增益穩(wěn)定型箝位放大器，具有異?？焖偾揖_的脈沖響應(yīng)特性，是快速及高分辨率 ADC的理想驅(qū)動器及緩沖器。ADC選用AD10242，它是一種高速度、高性能、低功耗的雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。40 MHz采樣速率，12位分辨率，片內(nèi)帶有跟蹤/保護(hù)放大器(T/H)、基準(zhǔn)電源和輸出緩沖器。片內(nèi)兩個(gè)通道完全獨(dú)立，均有各自的譯碼和模擬輸入，采用激光修正增益和偏移匹配，可保證兩個(gè)通道之間的串?dāng)_＜80 dB。ADC的輸出為TTL電平，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器件SN74LVCC3245A轉(zhuǎn)換為LVTTL電平后送至FPGA。

圖1 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

FPGA采用Xilinx公司Spartan－3E系列的XC3S1200E，它有120萬系統(tǒng)門、136 kB分布式RAM、504 kB塊RAM、8個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理模塊(Digital Clock Manager，DCM)、最大可用I/O數(shù)為304。其內(nèi)部資源以及管腳數(shù)量能夠滿足本模塊的設(shè)計(jì)需要。本模塊用兩種方式配置FPGA，在調(diào)試中使用JTAG口配置，在最終產(chǎn)品中使用PROM配置，選用XCF04S芯片。

MXP－123MD－F是HG Genuine公司生產(chǎn)的一種支持熱插拔的高速小型光收發(fā)模塊，用于光電轉(zhuǎn)換，其信號傳輸率為622 Mbit·s－1，輸入輸出電平為差分LVPECL電平。在光纖數(shù)據(jù)接收端通過MAX9376將信號轉(zhuǎn)換為LVDS電平后再通過串并轉(zhuǎn)換器SN65LV1224B送至FPGA。FPGA將采集數(shù)據(jù)輸出給并串轉(zhuǎn)換器SN65LV1023A后經(jīng)過MAX9376轉(zhuǎn)換為LVPECL電平再通過光纖發(fā)送出去。

3 軟件設(shè)計(jì)

FPGA編程軟件為Xilinx公司的ISE，分別采用原理圖方式和VHDL硬件編程語言編寫，頂級文件為原理圖方式。

時(shí)鐘的管理與控制采用DCM模塊實(shí)現(xiàn)。DCM的功能包括消除時(shí)鐘的延時(shí)、頻率的合成、時(shí)鐘相位的調(diào)整等;并能映射到PCB上，用于同步外部芯片，將芯片內(nèi)、外的時(shí)鐘控制一體化［6－7］。在模塊設(shè)計(jì)中，DCM將晶振提供的40 MHz時(shí)鐘信號，經(jīng)頻率合成為12 MHz、60 MHz時(shí)鐘進(jìn)行邏輯處理;并將時(shí)鐘映射在PCB上用于同步并串轉(zhuǎn)換器。

數(shù)據(jù)的緩存使用雙口RAM，利用FPGA內(nèi)部的邏輯資源實(shí)現(xiàn)。其中大容量的緩存使用塊RAM，使用它們可以達(dá)到較高的讀寫速度，同時(shí)不會占用邏輯資源。小容量的緩存使用分布式RAM。

8B/10B編碼技術(shù)具有很好的直流平衡特性，具有一定的抗干擾和檢錯(cuò)能力，適用于高速串行光纖傳輸系統(tǒng)。它將8 bit的基帶數(shù)據(jù)按照3B/4B和5B/6B兩個(gè)編碼映射成10 bit的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，防止在基帶數(shù)據(jù)中有過多的0碼流或1碼流，保證輸出碼流的直流平衡［8－9］。該技術(shù)能夠有效地檢測錯(cuò)誤;提供有效的比特變化密度用于時(shí)鐘恢復(fù);可以抵抗較差傳輸信道的干擾;實(shí)現(xiàn)相對簡單，以廉價(jià)的方式制造可靠的收發(fā)器。

FPGA的邏輯框圖如圖2所示。輸入數(shù)據(jù)包括8組12位的A/D數(shù)字信號;串并轉(zhuǎn)換器的輸出恢復(fù)時(shí)鐘及10位并行數(shù)據(jù);上位機(jī)發(fā)送的采樣導(dǎo)前信號(DQ)以及采樣時(shí)間長度信號(ES)。FPGA的輸出數(shù)據(jù)包括4路并串轉(zhuǎn)換器的參考輸入時(shí)鐘及4組10位的并行信號。

圖2 FPGA邏輯框圖

為提高信道利用率，每兩組A/D數(shù)據(jù)組合在一起。如圖3所示，24 bit數(shù)據(jù)以20 MHz速率緩存后再通過60 MHz的計(jì)數(shù)器分為3 Byte。

圖3 A/D緩存邏輯框圖

FPGA收到的10位并行數(shù)據(jù)，經(jīng)過10B/8B解碼、數(shù)據(jù)判斷、幀提取后得到12 MHz速率的數(shù)據(jù)幀。根據(jù)系統(tǒng)通信協(xié)議，取出數(shù)據(jù)幀的一部分緩存入雙口RAM作為采集數(shù)據(jù)的幀頭。數(shù)據(jù)幀第2個(gè)Byte的第3位確定采樣頻率，當(dāng)其為1時(shí)采樣頻率為20 MHz，當(dāng)其為0時(shí)采樣頻率為2 MHz。FPGA接收到上位機(jī)發(fā)送的采樣導(dǎo)前信號后將幀頭以60 MHz速率緩存，當(dāng)采樣時(shí)間長度信號到來后按照所需的采樣頻率開始進(jìn)行采樣，同樣以60 MHz速率緩存。然后將幀頭和采集數(shù)據(jù)經(jīng)過組幀、8B/10B編碼后發(fā)送出去。

圖4為經(jīng)光纖收到的數(shù)據(jù)在解碼后的處理結(jié)果。其中clk12為12 MHz的時(shí)鐘;dina為解碼后的數(shù)據(jù)幀;st與數(shù)據(jù)幀的第1個(gè)Byte對齊，方便后續(xù)編程工作的進(jìn)行。由于數(shù)據(jù)幀的第2個(gè)Byte AE的第3位為1，所以采樣頻率為20 MHz。

圖4 10B/8B解碼結(jié)果

圖5為采樣數(shù)據(jù)處理結(jié)果。其中es為采樣時(shí)間長度信號;clk為40 MHz的時(shí)鐘;d為40 MHz采樣數(shù)據(jù);clk60為60 MHz時(shí)鐘;dz為d經(jīng)20 MHz采樣，轉(zhuǎn)換為3個(gè)Byte后的數(shù)據(jù)。例如示例中d為A6F56E，287E11，E9AA14，41F19C，CF9D0D，448E4F 等，dz取其中的隔項(xiàng)，如:A6F56E，E9AA14，CF9D0D 等，將每項(xiàng)轉(zhuǎn)換為 3 Byte，如 A6，F(xiàn)5，6E，E9，AA，14，CF，9D，0D等。

圖5 采樣數(shù)據(jù)處理結(jié)果

4 結(jié)束語

文中所設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集控制模塊以FPGA為核心，配以信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、光收發(fā)模塊等電路，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集和光纖傳輸。該模塊具有精度高，處理速度快，實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用于某項(xiàng)目中，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，完全滿足系統(tǒng)對信號采集和處理的實(shí)際要求。

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