基于PCI總線的微弱信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)方案

1.引言

隨著微電子技術(shù)的廣泛普及、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的性能越來越受到大量關(guān)注。從測(cè)試系統(tǒng)和科研領(lǐng)域產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)信息中提取有用數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)顯得尤為重要。設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目要求，提出基于PCI總線的微弱數(shù)據(jù)信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)方案，將采集數(shù)據(jù)流通過前端處理電路和AD轉(zhuǎn)換電路后，在中央控制模塊FPGA控制下將數(shù)據(jù)流通過PCI總線傳輸給上位機(jī)保存，以便分析處理和顯示，從而實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)對(duì)微弱數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行高速采集存儲(chǔ)和分析。

2.總體設(shè)計(jì)方案

在實(shí)際研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，數(shù)采系統(tǒng)常采用PC機(jī)為測(cè)試平臺(tái)，使用PCI總線作為中介實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流采集和傳輸?shù)絇C機(jī)中進(jìn)行顯示分析。

系統(tǒng)常采用傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)，經(jīng)過前端調(diào)理電路濾波放大將幅度放大到可測(cè)試范圍。但在實(shí)際信號(hào)采集時(shí)存在由系統(tǒng)本身和外界產(chǎn)生的各種噪聲影響，使得傳感器輸出的微弱有用信號(hào)被淹沒，因此需要采取有效的措施和算法來抑制噪聲、增大微弱信號(hào)幅度，從而提取有用信號(hào)，提高系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的高精度采集?；赑CI總線的微弱信號(hào)采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)可分為：信號(hào)采集，F(xiàn)PGA邏輯控制，PCI總線界面以及電源管理等模塊。信號(hào)采集即實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的接收和將其數(shù)字化;FPGA邏輯控制則實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)流緩沖處理、控制采樣時(shí)鐘頻率以及采集模塊與PCI9054界面芯片的握手通信完成數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案如圖1所示。

采集系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，PC機(jī)掃描查找采集卡，然后通過上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并配置采樣參數(shù)。系統(tǒng)采集部分在FPGA控制下將接收數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)到FPGA內(nèi)部FIFO中緩存，繼而通過PCI總線將數(shù)據(jù)傳入PC機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析顯示和存儲(chǔ)。

3.硬件電路設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)主要包括AD轉(zhuǎn)換電路、PCI總線界面電路以及外圍電路。設(shè)計(jì)采用可編程FPGA和高速AD實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集處理功能，PCI總線界面電路采用控制器PCI9054實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并通過FPGA控制電路時(shí)序。

3.1 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊采用1.8V單電源供電的14位高速AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9246,最高采樣率為125MSPS,采用多級(jí)差分流水線結(jié)構(gòu)。

采樣頻率為70MHz輸入時(shí)，無雜散動(dòng)態(tài)范圍為8 5 d B c,信噪比為7 1 . 7 d B c,低功耗設(shè)計(jì)(395mW@125MSPS)。AD9246為差分輸入器件，輸入信號(hào)通過衰減等處理抑制外界干擾，實(shí)現(xiàn)在干擾信號(hào)比較強(qiáng)時(shí)有效的捕捉有用頻帶寬度范圍內(nèi)的微弱信號(hào)。為有效抑制周圍環(huán)境噪聲對(duì)輸入信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)將AD轉(zhuǎn)換芯片的信號(hào)和時(shí)鐘輸入設(shè)為差分輸入，即采用差分轉(zhuǎn)換芯片AD8138將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)送入AD轉(zhuǎn)換器，使其在時(shí)鐘控制下輸出14位并行數(shù)據(jù)傳送給后續(xù)電路。差分時(shí)鐘則通過FPGA分頻轉(zhuǎn)換產(chǎn)生以實(shí)現(xiàn)AD9246內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換周期的控制。

3.2 PCI總線界面模塊設(shè)計(jì)

PCI界面模塊選用控制器芯片PCI9054來實(shí)現(xiàn)PCI總線和本地總線之間信息的傳遞。

PCI9054是PLX公司生產(chǎn)的32位，33MHz的PCI總線通用橋接芯片，具有最高132MB/S的突發(fā)傳輸速率，可以將PCI總線復(fù)雜的邏輯控制轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)易的本地總線的邏輯控制。設(shè)計(jì)通過對(duì)PCI總線界面電路進(jìn)行讀寫來實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸和上位機(jī)控制信號(hào)的下傳。PCI9054提供有PCI總線界面、本地總線界面和E2PROM界面。

在設(shè)計(jì)PCI9054與本地總線界面電路中，將本地總線界面配置為C模式，即設(shè)置MODE[1:0]=00,將MODE0和MODE1管腳接地。在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，PCI9054根據(jù)串行E2PROM界面參數(shù)配置內(nèi)部寄存器，采用2Kb的E2PROM芯片93CS56L來存儲(chǔ)PCI9054界面芯片的配置參數(shù)。

4.FPGA控制邏輯設(shè)計(jì)

FPGA控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)AD采集信號(hào)的控制和預(yù)處理，以及PCI的界面功能，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集處理。系統(tǒng)中FPGA選用Xilinx公司的Virtex-4系列芯片XC4VLX25-10SF363I作為設(shè)計(jì)主控器件，并選擇XCF08PVO48C作為配置芯片。

FPGA內(nèi)部邏輯包括控制模塊，雙口RAM緩沖模塊，時(shí)鐘控制模塊，32位加法器模塊。

其中由控制模塊完成對(duì)累計(jì)次數(shù)，AD讀寫，PCI總線讀寫，采樣時(shí)鐘轉(zhuǎn)換，加法器等的控制功能。其中時(shí)鐘轉(zhuǎn)換即實(shí)現(xiàn)數(shù)采頻率100MHz和PCI讀數(shù)40MHz時(shí)鐘的轉(zhuǎn)換;累加次數(shù)控制是通過上位機(jī)軟件發(fā)送給的，由PCI寫時(shí)序控制的，由于AD9246為14位轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)數(shù)據(jù)寬度為32位，所以最大可達(dá)218次的累加次數(shù)。

4.1 FPGA數(shù)采邏輯控制

在FPGA對(duì)數(shù)據(jù)采集AD轉(zhuǎn)換的控制設(shè)計(jì)中，主要在FPGA中對(duì)采樣時(shí)鐘分頻以輸出AD時(shí)鐘信號(hào)和控制允許信號(hào)，以及為AD提供不同的采樣頻率和數(shù)據(jù)接收觸發(fā)信號(hào)來完成AD數(shù)采功能。

4.2 FPGA對(duì)PCI界面控制

通過使用FPGA對(duì)PCI總線界面邏輯控制實(shí)現(xiàn)PCI界面芯片PCI9054與本地總線之間數(shù)據(jù)通信。設(shè)計(jì)采用DMA方式作為PCI9054本地總線端的傳輸方式，并將操作模式配置為C模式。DMA傳輸方式即使用PCI9054芯片內(nèi)部DMA控制器來實(shí)現(xiàn)PCI總線與本地總線之間數(shù)據(jù)傳輸。通過上位機(jī)軟件設(shè)置芯片工作方式和參數(shù)，從而確定數(shù)據(jù)傳輸要求，直接利用芯片內(nèi)DAM控制器啟動(dòng)傳輸工作對(duì)PCI總線和本地總線之間讀寫進(jìn)行操作，節(jié)省了占有計(jì)算機(jī)CUP從而加快傳輸速率。[!--empirenews.page--]

5.測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)采集信號(hào)測(cè)試，可以看到原始包含噪聲的信號(hào)如圖2所示，對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同累加取平均的結(jié)果如圖3和4所示。通過分析可得當(dāng)提供累加次數(shù)可改善信號(hào)的信噪比。

6.小結(jié)

本文提出了一種基于PCI總線的微弱數(shù)據(jù)信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)方案， 方案中設(shè)計(jì)了基于PCI總線的數(shù)采系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸。設(shè)計(jì)選用高速AD轉(zhuǎn)換芯片AD9246采樣，選用差分方式有效抑制噪聲影響。通過對(duì)采集信號(hào)源測(cè)試分析，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行可靠實(shí)時(shí)的傳輸，從而證實(shí)本方案的可行性。