基于可編程邏輯器件和A/D轉(zhuǎn)換器的高速數(shù)據(jù)采集卡方案設(shè)計(jì)

　用于PC的采集系統(tǒng)以前大多有用ISA總線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)是傳輸速率低，無法實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。而PCI總線則以其卓越的性能受到了廣泛的應(yīng)用。32位PCI總線的最大傳輸數(shù)據(jù)速率可達(dá)132MB/s，64位PCI總線的最大傳輸速率可達(dá)528MB/s。實(shí)際上，采用高性能的總線已經(jīng)成為高速采集技術(shù)發(fā)展的趨勢。

　　利用FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）來連接高速A/D轉(zhuǎn)換器和PC的PCI接口，可以充分利用可編程器件高速、靈活、易于升級、抗干擾性能的優(yōu)點(diǎn)，并且可以大大縮短開發(fā)時間[1]。

　　1 CLC5958型A/D轉(zhuǎn)換器

　　本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器采用美國國家半導(dǎo)體公司的CLC5958，該電路具有14位分辨率和52Mb/s的轉(zhuǎn)換速度，而且動態(tài)輸入頻帶寬，轉(zhuǎn)換噪聲低，非常適合于寬帶、高頻信號的采集。CLC5958集高保真采樣保持器和14位多通道轉(zhuǎn)換器于一體，其信號和時鐘均采用差動輸入方式，且內(nèi)部集成有參考電壓，可支持CMOS和TTL雙重輸出標(biāo)準(zhǔn)。采用0.8μmBiCMOS制作工藝。CLC5958的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　CLC5958的基本特性如下：

　　●具有極寬的動態(tài)輸入范圍；

　　●奈奎斯特濾波器特性卓越；

　　●取樣保持能力強(qiáng)；

　　●采用48引腳CSP封裝；

　　●CMOS、TTL輸出可選；

　　●取樣速度可達(dá)52Ms/s，SFDR可達(dá)90dB,SNR可達(dá)70dB。

　　CLC5958可應(yīng)用于GSM、WCDMA、DAMPS、精確天線系統(tǒng)等通訊領(lǐng)域。其工作時序如圖2所示。但在具體應(yīng)用時，應(yīng)注意以下問題。

　　（1）由于AIN和AIN模擬量差分輸入端可通過片內(nèi)500Ω輸入電阻器接入，且內(nèi)置3.25V標(biāo)準(zhǔn)參考電壓。為了減小非線性輸入的偏置電流，其輸入耦合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡可能接近電路。

　?。?）ENCODE和ENCODE為時鐘差分輸入端，其參考電源為VCC，時鐘輸入可以為PECL電平，也可以為其他波形（如直流為1.2V峰值在VCC以下的正弦波）。輸入時鐘的噪聲超低，轉(zhuǎn)換時的SNR性能越高。但由于時鐘輸入采用非自偏置輸入，所以每個輸入信號必須指定“地”電平。

　　（3）該電路的噪聲主要來自采樣保持器的非線性特性和轉(zhuǎn)換器，因此，通過變壓器的磁耦合來傳遞輸入信號可以有效減少低頻噪聲。輸入時鐘在電路內(nèi)部被分頻產(chǎn)生內(nèi)部控制信號，但在分頻過程中可能產(chǎn)生1/4倍和1/8倍的時鐘噪聲，這些噪聲一般不大于-90dBFS。

　?。?）CLC5958的內(nèi)部電源由V cc供給，但是輸出信號電源由DVcc供給（3.3V到5V均可），使用時，每一個電源引腳都必須接入相應(yīng)的電平，且最好并接0.01μF的去耦電容器。

　?。?）該電路在高速采樣時性能最好，如果采樣速率過低，內(nèi)部采樣保持電路將會產(chǎn)生較大誤差。

　　根據(jù)以上注意事項(xiàng)，給出CLC5958在采樣系統(tǒng)中的電路，如圖3所示。

　　2 FPGA的內(nèi)部設(shè)計(jì)

　　由于CLC5958的轉(zhuǎn)換速度高且控制操作簡單，因此一般單片機(jī)因速度太低而很難控制該電路。如果采用高速DSP來控制，顯然，對DSP超強(qiáng)的運(yùn)算能力來說又是一種浪費(fèi)。

　　現(xiàn)在市面上銷售的各種PCI接口控制電路，如果AMCC公司的S5933及PLX的9080系列等，雖然可以實(shí)現(xiàn)完整的PCI主、從設(shè)備模式的接口功能，將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)化為相對簡單的用戶接口，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受接口電路的限制，不能靈活地設(shè)計(jì)目標(biāo)系統(tǒng)，且成本較高。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡則不需要完整的PCI接口功能。

　　在高速數(shù)據(jù)采集方面，F(xiàn)PGA具有單片機(jī)和DSP無法比擬的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA的時鐘頻率高，內(nèi)部時延小，全部控制邏輯均可由硬件完成；而且速度快，效率高，組成形式靈活，并集成有外圍控制、譯碼和接口電路。根據(jù)本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，F(xiàn)PGA分為以下幾個模塊：A/D控制模塊：產(chǎn)生A/D時鐘和控制信號用于控制CLC5958，讀取A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并存儲。雙口RAM：作為緩存，一邊存儲A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，一邊通過PCI向PC傳輸數(shù)據(jù)。雙口RAM控制模塊：產(chǎn)生存儲和取數(shù)的讀寫信號和地址信號，控制雙口RAM的正常工作。PCI接口控制模塊：從雙口RAM中讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過符合PCI協(xié)議的變換后，傳送給PC。FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　（1）A/D轉(zhuǎn)換器控制模塊

　　該模塊首先從PCI總線控制模塊接收采樣速度控制字，然后根據(jù)控制字對FPGA時鐘進(jìn)行分頻以得到用于CLC5958的時鐘。同時可在A/D轉(zhuǎn)換器中斷輸入線的每一個上升沿給雙口RAM一個寫入信號，并讀取A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)。此外，還用于給雙口RAM控制模塊一個控制信號以使其輸出的雙口RAM地址控制字加1。 2）雙口RAM

　　當(dāng)寫入控制信號到達(dá)時，根據(jù)當(dāng)前寫入地址控制字向相應(yīng)單元寫入數(shù)據(jù)輸入總線上的內(nèi)容，并在讀出控制信號到達(dá)時，根據(jù)讀出地址控制字從相應(yīng)單元讀出內(nèi)容，送到數(shù)據(jù)輸出總線。

　?。?）雙RAM控制模塊

　　當(dāng)啟動寫入地址控制信號到達(dá)時，把當(dāng)前的寫入地址加1，加滿之后清零并重新開始，同時，當(dāng)啟動讀出地址控制信號到達(dá)時，對當(dāng)前讀出地址加1，加滿之后清零并重新開始。

　?。?）PCI接口控制模塊

　　PCI總線接口控制模塊中的信號按照功能可以分為系統(tǒng)信號、地址和數(shù)據(jù)信號、接口控制信號等。系統(tǒng)信號包括CLK和RST兩個信號，為系統(tǒng)提供時鐘和復(fù)位。對地址和數(shù)據(jù)信號來說，在總線傳輸操作周期中，一個PCI總線周期由一個地址段和緊隨其后的一個或多個數(shù)據(jù)段組成，其中AD[30：0]是地址和數(shù)據(jù)復(fù)用總線，它可為PCI接口電路提供地址和數(shù)據(jù)信號。復(fù)用引腳C/BE[3：0]為PCI接口電路提供總線命令和這節(jié)允許兩組信號。

　　接口控制信號主要由FRAME、IRDY、TRDY和DEVSEL等組成。其中FRAME信叫是總線周期構(gòu)成信號，由當(dāng)前總線中主要設(shè)備驅(qū)動，用以表明一個總線風(fēng)吹草動期的開始和延續(xù)；IRDY表明啟動方準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)；TRDY是目標(biāo)設(shè)備就緒信號，在寫操作中，TRDY有效說明從設(shè)備已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，在讀操作中，它說明AD[30：0]上已有有效數(shù)據(jù)；DEVSEL為設(shè)備選擇信號，當(dāng)其有效時，說明驅(qū)動它的主設(shè)備已將其地址譯碼作為當(dāng)前操作的目標(biāo)設(shè)備，該信號作為輸入信號時，DEVSEL用來表示總線上已有目標(biāo)設(shè)備被選中。

　　其他PCI總線所需但本系統(tǒng)不用的信號則可用高阻態(tài)來代替。圖5示出PCI接口控制模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　PCI總線上的基本傳輸機(jī)制是突發(fā)分組傳輸。一個突發(fā)分組由一個地址周期和一個（或多個）數(shù)據(jù)周期組成。PCI支持存儲空間和I/O的突發(fā)傳輸，所有的數(shù)據(jù)傳輸基本上都是由FRAME、IRDY和TRDY三條信號線控制的。

　　當(dāng)數(shù)據(jù)有效時，數(shù)據(jù)資源需要無條件設(shè)置IRDY信號（寫操作為IRDY，讀操作為TRDY）。接收方可在適當(dāng)時間發(fā)出它的xRDY信號。FRAME信號有效后的第一個時鐘上升沿是地址周期的開始，此時傳送地址信息和總線命令。下一個時鐘上升沿即是一個（或多個）數(shù)據(jù)周期的開始，每當(dāng)IRDY和TRDY同時有效時，所對應(yīng)的時鐘上升沿，數(shù)據(jù)可以在主、從設(shè)備之間傳送。在此期間，可由主設(shè)備或從設(shè)備分別利用IRDY和TRDY的無效而插入等待周期。PCI總線的讀寫時序如圖6所示。

　　本設(shè)計(jì)采用Verilog語言來進(jìn)行編程，在MAXpluse II仿真平臺上進(jìn)行仿真，采用的電中是Altera公司的EPM7160SQC160-6。PCI接口控制部分的仿真結(jié)果如圖7所示。

　　3 結(jié)束語

　　本文提出一種采用可編程邏輯器件和A/D轉(zhuǎn)換器組成的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)方案，該采集卡只用兩塊主體電路，因而結(jié)構(gòu)簡單，可以直接插入PC，適用于智能儀器和其他需要高速數(shù)據(jù)采集的場合。如果在該采集卡前置處理部分增加通道轉(zhuǎn)換和可控放大部分，則該采集卡的功能將更加完美。