多通道數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計

陳光輝

（湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

多通道數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計

陳光輝

（湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

交通管制監(jiān)控，大型超市、公共場所安防領(lǐng)域，現(xiàn)代溫室農(nóng)業(yè)，都需要實時數(shù)據(jù)的采集與傳輸，能高效準確的采集到實時數(shù)據(jù)是核心。本文介紹基于PCI總線的高速多通道數(shù)據(jù)采集卡硬件設(shè)計，包括整體設(shè)計方案的解決，以及關(guān)鍵模塊的電路詳細設(shè)計和仿真。

數(shù)據(jù)采集卡；PCI9054；多通道

0　引 言

公共安全問題日益突出，大型超市內(nèi)部的實時情形和監(jiān)控管理[1]問題凸顯，家庭轎車的普及，掌握主要路段的交通狀況變得不可缺少。資源短缺、環(huán)境惡化與人口劇增的矛盾卻越來越突出，如何用有限的耕地資源滿足無限增長的人口需求困擾著世界各國。發(fā)展高科技現(xiàn)代農(nóng)業(yè)[2,3]，實時掌控農(nóng)田土壤中的營養(yǎng)成分，通過及時調(diào)整土壤營養(yǎng)滿足農(nóng)作物的生長需要，達到高產(chǎn)。交通管制監(jiān)控[4,5,6]，大型超市、公共場所安防領(lǐng)域?qū)崟r監(jiān)控，現(xiàn)代溫室農(nóng)業(yè)中的溫度、濕度的實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[7,8]是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分。本數(shù)據(jù)采集卡就是用于解決如何采集實時信息，跟換不同數(shù)據(jù)接受模塊可以完成不同信息的采集，能有效降低設(shè)計成本。

1　硬件整體設(shè)計方案

本數(shù)據(jù)采集卡使用PCI接口芯片與FPGA相結(jié)合的方案, 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集卡只能處理數(shù)字信號，接收到的音頻信號、視頻信號、溫度、濕度信號都是模擬信號，所以需要首先將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。一次可以接收最多四通道模擬信號并完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。采集到的數(shù)據(jù)量比較大的情況下，數(shù)據(jù)來不及傳輸出去，就需要RAM來緩存。可以選用單獨是RAM或者SDRAM來做緩存，由于本方案采用FPGA芯片，F(xiàn)PGA內(nèi)部有一定數(shù)量的存儲單元，可以直接運用這些存儲單元來緩存數(shù)據(jù)，既減少開發(fā)周期，又能減少開發(fā)成本。數(shù)據(jù)采集到后，要傳輸給數(shù)據(jù)處理芯片，本設(shè)計采用PCI總線協(xié)議，支持32位/33MHz；本地端可編程實現(xiàn)8、16、32位數(shù)據(jù)寬度,傳輸速率最高可到132M字節(jié)/秒，本地總線端時鐘最高可達50MHz,支持復(fù)用(J模式)和非復(fù)用32位地址/數(shù)據(jù)(C模式)，還直接主模式,直接從模式和DMA模式。緩存到存儲單元中的數(shù)據(jù)按照PCI協(xié)議傳輸給主機，從而完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸過程。數(shù)據(jù)采集卡包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等。

2　模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊主要完成對接收到的各類模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，選用analog公司生產(chǎn)的AD7819芯片。工作電壓范圍是2.7～5.5v，8-bit并行數(shù)據(jù)接口。在57.75μW功耗下數(shù)據(jù)后傳輸速度為1kSPS?？偣灿兴膫€通道，可以單獨選擇莫一通道，也可以任意選擇多個通道。通道的選擇通過AD控制器，應(yīng)用FPGA編程實現(xiàn)。DB_AD1/DB_AD2/DB_AD3/DB_AD4為采集輸入信號，F(xiàn)IFO_out為采集到數(shù)字信號

圖1. 硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2. AD控制器仿真

圖3. 模數(shù)轉(zhuǎn)換仿真數(shù)據(jù)緩存設(shè)計

經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，如果數(shù)據(jù)量比較大，那么首先需要把數(shù)據(jù)緩存起來以免丟失，造成信號的不完整。可以采用單獨的存儲芯片，如SDRAM,SRAM等，這樣可以緩存更多數(shù)據(jù)，但是這樣的設(shè)計復(fù)雜度和設(shè)計成本增加，由于選用FPGA芯片來實現(xiàn)粘合邏輯，并且FPGA芯片中含有豐富的FIFO存儲單元，讀寫方便，速度也快，這就正好解決數(shù)據(jù)緩存的問題。FIFO的讀寫要注意，不能空讀，滿寫。這樣也會造成數(shù)據(jù)的丟失。如何控制FIFO的讀寫，也是通過FPGA編寫FIFO控制器來完成。Rdreq、wrreq為讀寫請求信號，empty、full為fifo空滿標志位。

圖4. 數(shù)據(jù)緩存仿真數(shù)據(jù)傳輸

A/D采集到的數(shù)據(jù)輸入到FIFO中（寫入FIFO），PCI9054通過讀操作，讀取LocalBus端的數(shù)據(jù)，也即是FIFO的讀操作。當(dāng)PCI9054讀取FIFO中的數(shù)據(jù)時，A/D采樣的數(shù)據(jù)連續(xù)不斷的寫入FIFO中，如果產(chǎn)生FIFO滿時（full），此時FIFO的寫信號有效(即繼續(xù)向FIFO中寫數(shù)據(jù))，或者當(dāng)FIFO的empty有效的時候，此時讀信號有效(即繼續(xù)讀FIFO)，則產(chǎn)生本地端中斷（LINT#）。

圖5. 中斷發(fā)生仿真

數(shù)據(jù)按照PCI總線協(xié)議傳輸，PCI總線支持32位/33 MHz，本地端可以傳輸8、16、32位寬的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達132 MB/s。本文使用PCI9054橋接芯片在LocalBus和PCI總線之間傳遞信息。PLX公司生產(chǎn)的PCI 總線通用接口芯片PCI9054，應(yīng)用PLX數(shù)據(jù)管道結(jié)構(gòu)技術(shù)，適合PCIV2.1和V2.2協(xié)議規(guī)范。PCI9054提供兩個獨立的可編程 DMA 控制器，都支持塊和分散/集中的DMA方式。本地總線支持復(fù)用/非復(fù)用32位地址數(shù)據(jù)，本地時鐘最高可達50 MHz。在數(shù)據(jù)傳輸工程中，PCI9054既可以作為主設(shè)備去控制本地總線，發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)的命令，也可以作為LocalBus的從設(shè)備把LocalBus端數(shù)據(jù)傳輸給PCI總線。同時PCI9054含有6個零等待可編程FIFO存儲器，用以完成PCI發(fā)起讀、寫操作，以及PCI目標寫、讀操作和DMA寫、讀操作。正是存在FIFO存儲器，數(shù)據(jù)可以大量突發(fā)傳輸而不丟失。

圖6. 數(shù)據(jù)傳輸仿真圖

具體過程為，當(dāng)AD7819的讀信號有效，就把AD7819采集到的數(shù)據(jù)傳入FIFO中，當(dāng)PCI9054從LocalBus端讀取數(shù)據(jù)時，則FIFO的讀信號有效。當(dāng)PCI9054讀取數(shù)據(jù)快/慢于FIFO采集到的數(shù)據(jù)時，則empty/full有效，此時產(chǎn)生中斷，產(chǎn)生中斷后，等待PCI控制端向Local端寫一個中斷信號（通過LD總線），當(dāng)Local端“讀到”（即當(dāng)LocalBus端的LD為事先約定好的數(shù)據(jù)時，則表明PCI控制器已經(jīng)接受到中斷）。在AD7819數(shù)據(jù)可被讀出的時候，即RD_信號有效，此時FIFO的寫入信號應(yīng)該有效，且一個時鐘寫入data后，立刻無效，等待下個AD7819可讀周期，以此連續(xù)反復(fù)，則AD7819的RD_信號可以作為FIFO寫入使能的判斷信號。

3　奇偶校驗

當(dāng)PCI9054從LocalBus端讀取數(shù)據(jù)時（編寫程序的時候注意讀信號有效），那么LD相對LocalBus端為輸出數(shù)據(jù)，則在PCI9054中會進行奇偶校驗，在LocalBus端自己設(shè)計奇偶校驗程序，并得出一個奇偶校驗位DP_local，然后把產(chǎn)生的奇偶校驗位作為PCI9054的奇偶校驗位DP[3:0]的輸入，PCI9054內(nèi)部應(yīng)該會比較本地端輸入的奇偶校驗位和內(nèi)部產(chǎn)生的奇偶校驗位是否相等，而給出系統(tǒng)數(shù)據(jù)錯誤提示。

4　印制電路板制作

此印制板電路設(shè)計為4層（底層、頂層、電源層、地層），系統(tǒng)電壓為3.3V。本設(shè)計采用屏蔽、隔離、抑制、接地保護等技術(shù)進行抗干擾處理。在 PCB 板電源加10μF的電解電容或鉭電容和0. 1μF的電容去除高頻或者低頻干擾，在芯片電源與地之間加0. 1μF去耦電容。

5　結(jié)束語

本文設(shè)計一款多通道的數(shù)據(jù)采集卡，最多能同時采集4路不同數(shù)據(jù)。使用FPGA來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡中的粘合電路，通過現(xiàn)場可編程器件設(shè)計的靈活性可以方便改變數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用場合。如，可以進行通道的選擇，數(shù)據(jù)采集類型的選擇等等。此數(shù)據(jù)采集卡是本人在公司所做項目，已經(jīng)可以完成音頻和視屏信號的采集應(yīng)用。

[1]裴喜龍,童莉.基于PCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].北京:微計算機信息,2006:1-5.

[2]王勉.高效設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].經(jīng)濟論壇,2012,(02) :108-111.

[3]部琴.農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變淺析現(xiàn)代經(jīng)濟信息,2011,(10).

[4]北京歐立信經(jīng)濟信息咨詢中心,2008-2009年中國智能交通行業(yè)市場研究分析報告,2008.

[5]王海濤,黃文杰,朱永凱,田貴云,姬建崗.基于聚類分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車牌字符識別[J]數(shù)據(jù)釆集與處理,23(2):238-242,2008,(2).

[6]路雪超,劉桂雄,馮云慶,申柏華.一種基于車牌特征信息的車牌識別方法[J]華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),31(4):70-73, 2003,(4).

[7]景志,馬琰森.基于PCI9054 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計[J]電子設(shè)計工程,2011,(1).

[8]韓士勝,吳華春.基于PCI總線的多通道數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計[J]儀表技術(shù),2009,(5).

（責(zé)任編校：宮彥軍）

TP29

A

1673-2219（2015）05-0037-04

2014－12－08

湖南科技學(xué)院校級項目資助（項目編號13XKY103）。

陳光輝（1983－），男，四川資陽人，湖南科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院教師，主要研究方向：集成電路設(shè)計與驗證，系統(tǒng)設(shè)計，數(shù)字信號處理。