多種觸發(fā)功能的可編程高速數(shù)據(jù)采集模塊

摘要：給出一種具有多種觸發(fā)功能的可編程高速數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)方法。模塊可以動(dòng)態(tài)設(shè)置觸發(fā)窗長度、觸發(fā)點(diǎn)電平、觸發(fā)極性和觸發(fā)模式；依據(jù)觸發(fā)字與存儲(chǔ)在FIFO中的A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)比較確定觸發(fā)位置，并根據(jù)設(shè)置的預(yù)觸發(fā)深度實(shí)現(xiàn)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸。由于觸發(fā)電路采用了全數(shù)字化設(shè)計(jì)，與采用模擬電平比較器實(shí)現(xiàn)觸發(fā)電平比較相比，無需硬件改動(dòng)，可以靈活地配置觸發(fā)方式，同時(shí)也降低了系統(tǒng)調(diào)試難度。
關(guān)鍵詞：高速數(shù)據(jù)采集；數(shù)字電路；觸發(fā)窗；先進(jìn)先出存儲(chǔ)器

引言
    在數(shù)據(jù)采集的過程中，為了不漏掉任何一個(gè)既定特征的信號(hào)，A／D轉(zhuǎn)換器必須不斷地采集數(shù)據(jù)。但是由于存儲(chǔ)器容量的限制，不可能無限制地采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。如何使模塊能自動(dòng)檢測(cè)、采集并存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)呢?觸發(fā)技術(shù)的引入可以解決這一問題。觸發(fā)是為了有效地觀測(cè)信號(hào)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)滿足觸發(fā)條件時(shí)，啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集，使用戶在屏幕上能觀測(cè)到滿足觸發(fā)條件的波形。
    觸發(fā)電路在以往的設(shè)計(jì)中，多采用電平比較器，其缺點(diǎn)是：采用的分立元件多，不利于模塊移植和速度的提升，同時(shí)觸發(fā)方式多樣化配置也受到硬件限制，不具備智能化特點(diǎn)。本模塊基于高速A／D轉(zhuǎn)換器和FPGA，提出了一種全數(shù)字化的多種觸發(fā)功能的高速數(shù)字采集設(shè)計(jì)方案。模塊接口易于移植，采集頻率高達(dá)50 MHz，具有多種可編程觸發(fā)功能，采用的觸發(fā)窗技術(shù)進(jìn)一步保證了采樣存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的正確性和有效性。

1 高速數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)
    高速數(shù)據(jù)采集模塊由FPGA存儲(chǔ)控制、傳輸電路和AD9057數(shù)據(jù)采集部分構(gòu)成。其中FPGA為此次模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。多種觸發(fā)功能的高速數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。采用Cyclone系列EP1C6Q240C8型號(hào)的FPGA控制芯片，其Bank4 I／O口與AD9057相連，有源晶振提供了50 MHz的時(shí)鐘頻率。

    此模塊通過通信接口動(dòng)態(tài)設(shè)置觸發(fā)極性、觸發(fā)模式、觸發(fā)窗長度、觸發(fā)點(diǎn)電平，觸發(fā)極性可選上升沿觸發(fā)rising_edge和下降沿觸發(fā)falling_edge兩種。觸發(fā)模式可分為前觸發(fā)pre_trigger、中間觸發(fā)mid_trigger、后觸發(fā)post_trigger三種模式。觸發(fā)窗長度設(shè)置為0～100的整數(shù)，觸發(fā)點(diǎn)電平可設(shè)置為0～255的整數(shù)。
    當(dāng)連接通信接口的外部顯示控制界面設(shè)置好觸發(fā)極性、觸發(fā)模式、觸發(fā)窗長度、觸發(fā)點(diǎn)電平時(shí)，開始啟動(dòng)采集命令，包裝好的40位數(shù)據(jù)流將被發(fā)送到FPGA；FPGA接收到40位數(shù)據(jù)后，迅速分離成5個(gè)8位數(shù)據(jù)，即觸發(fā)極性、觸發(fā)模式、觸發(fā)窗長度、觸發(fā)點(diǎn)電平和采集啟動(dòng)信號(hào)，利用FIFO存儲(chǔ)器先進(jìn)先出的特性以及對(duì)AD9057的控制時(shí)序，配合觸發(fā)信號(hào)存儲(chǔ)A／D數(shù)據(jù)；當(dāng)采樣完成后，F(xiàn)IFO中的數(shù)據(jù)可以被發(fā)送到外部的顯示控制界面直觀地顯示出來。
1．1 觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生
    傳感器探測(cè)和感知的模擬信號(hào)一般都帶有一定干擾，如果僅憑一個(gè)觸發(fā)點(diǎn)來決定觸發(fā)的位置則很難控制，在本模塊觸發(fā)位置的設(shè)計(jì)中采用了三點(diǎn)觸發(fā)窗技術(shù)，觸發(fā)窗的設(shè)置可以有效地屏蔽模擬信號(hào)的抖動(dòng)，使模塊正常運(yùn)行。
    觸發(fā)極性triggerpolar有上升沿觸發(fā)rising_edge和下降沿觸發(fā)falling_edge兩種模式，在這兩種觸發(fā)極性下，觸發(fā)信號(hào)上升沿表示模塊開始存儲(chǔ)A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。模塊設(shè)置了觸發(fā)字1和觸發(fā)字2，觸發(fā)字1為觸發(fā)點(diǎn)加上觸發(fā)窗長度，如果結(jié)果小于255則觸發(fā)字為兩者相加結(jié)果，否則為255；觸發(fā)字2為觸發(fā)點(diǎn)減去觸發(fā)窗長度，如果結(jié)果大于0則觸發(fā)字為兩者相減結(jié)果，否則為0。
    圖2是下降沿觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生圖。圖中模塊開始采樣時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與觸發(fā)字1和觸發(fā)字2不斷地比較，當(dāng)A／D數(shù)據(jù)大于觸發(fā)字1時(shí)，觸發(fā)信號(hào)輸出為低電平；此后A／D數(shù)據(jù)與觸發(fā)字2比較，當(dāng)A／D數(shù)據(jù)小于觸發(fā)字2，觸發(fā)信號(hào)輸出高電平。

    compare_standardl、compare_standard2分別是觸發(fā)字1和觸發(fā)字2。flag為標(biāo)志變量，當(dāng)A／D數(shù)據(jù)大于觸發(fā)字1時(shí)，flag=1；當(dāng)A／D數(shù)據(jù)小于觸發(fā)字2時(shí)，flag=0。具體實(shí)現(xiàn)的代碼如下：
   
   
1．2 觸發(fā)模式的選擇
    觸發(fā)模式分為前觸發(fā)、中間觸發(fā)和后觸發(fā)。觸發(fā)模式的選擇決定了觸發(fā)的預(yù)觸發(fā)深度N的不同。在一定的存儲(chǔ)深度M下，捕捉的波形在觸發(fā)點(diǎn)P附近被最大化地存儲(chǔ)和顯示。觸發(fā)點(diǎn)前端波形的觀察選擇前觸發(fā)模式，即預(yù)觸發(fā)深度占存儲(chǔ)深度的比例要大。觸發(fā)模式如圖3所示。S代表起點(diǎn)，E代表結(jié)束點(diǎn)。觸發(fā)點(diǎn)前后波形的觀察選擇中間觸發(fā)模式，觸發(fā)點(diǎn)后端波形的觀察選擇后觸發(fā)模式。

1．3 FIFO讀寫數(shù)據(jù)控制
    FIFO存儲(chǔ)器的讀寫是用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。5個(gè)狀態(tài)分別為wait、wr_trigger、wr_read、wr_full、read。FIFO控制器流程如圖4所示。模塊開始進(jìn)入wait狀態(tài)等待啟動(dòng)信號(hào)start上升沿，如果start上升沿到來模塊轉(zhuǎn)到wr_trigger狀態(tài)，否則將在wait狀態(tài)一直等待；當(dāng)模塊進(jìn)入wr_trigger狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)IFO開始寫數(shù)據(jù)直到滿足觸發(fā)模式的預(yù)觸發(fā)深度，此時(shí)的寫時(shí)鐘等于采樣時(shí)鐘；此后模塊進(jìn)入wr_read狀態(tài)，F(xiàn)IFO開始一邊讀數(shù)據(jù)一邊寫數(shù)據(jù)，即一直保持FIFO中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是最新A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，此時(shí)的讀寫時(shí)鐘與采樣時(shí)鐘是同頻的。直到觸發(fā)信號(hào)上升沿的到來，否則FIFO存儲(chǔ)器將一直讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)；當(dāng)觸發(fā)信號(hào)上升沿有效時(shí)，模塊進(jìn)入wr_full狀態(tài)，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器停止讀數(shù)據(jù)，開始寫數(shù)據(jù)，直到FIFO寫滿數(shù)據(jù)；當(dāng)FIFO寫滿數(shù)據(jù)(full=1)以后，模塊轉(zhuǎn)到read狀態(tài)，F(xiàn)IFO開始讀數(shù)據(jù)并通過通信接口發(fā)送到顯示控制界面進(jìn)行直觀的顯示，直到FIFO為空empty=1，此時(shí)讀時(shí)鐘為顯示時(shí)鐘；FIFO讀數(shù)據(jù)操作完畢，模塊將一直停留在wait狀態(tài)等待下一次采集啟動(dòng)信號(hào)的到來，如此反復(fù)執(zhí)行。

1．4 高速數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)
    AD9057是8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以達(dá)到60 MHz的最大采樣頻率。設(shè)計(jì)中，模塊采用50 MHz的采樣頻率，AD9057帶有2．5V的基準(zhǔn)電壓，可以對(duì)1 V峰峰值輸入模擬信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。通常采用高頻、寬帶運(yùn)放對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行緩沖，本設(shè)計(jì)中采用AD8041作為放大器，AD9057高速數(shù)據(jù)采集模塊電路圖電路圖如圖5所示。

2 結(jié)論
    模塊可以工作在50 MHz的采樣頻率下，并且在模擬信號(hào)幅度偏小和有一定干擾的情況下也可以正常地工作。本次設(shè)計(jì)中采用了VC++6．0編寫的顯示控制界面進(jìn)行模塊驗(yàn)證。圖6是數(shù)據(jù)采集模塊捕捉的頻率為5 MHz、300mVpp交替出現(xiàn)間隔為1 ms的一個(gè)脈沖波形圖。

    其中，觸發(fā)模式選用中間觸發(fā)，觸發(fā)極性為上升沿，采樣頻率為50 MHz。由此可見，本模塊的技術(shù)方案可行，具有靈活簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)，可以應(yīng)用在程控儀器和自適應(yīng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)中。