LXI總線數字化儀模塊設計

摘要：介紹了一種基于LXI總線數字化儀模塊的總體設計方案。該數字化儀模塊以FPGA和DSP作為采集控制和信號處理核心單元，兼容兩種標準頻率中頻信號的采集與數據處理，采用基于IEEE15/88精密時鐘協議提供的時間基準進行精確定時觸發。軟件系統在Windows NT平臺上實現，開發了基于Lab Windows／CVI的虛擬儀器軟面板，保證了模塊運行的穩定性和人機界面的友好。本數字化儀模塊的特點在于該模塊在高性能FPGA的控制下實現兩種中頻信號采集，最高采樣頻率可達130MHz，可靠性、穩定性好，具有較好的實用價值。

關鍵字：LXI總線；FPGA；DSP；IEEE1588

引言

LXI是基于以太網技術等工業標準，由中小型總線模塊組成的新型儀器平臺。它由安捷倫公司和VXI科技公司于2004年9月共同合作成立的LXI聯盟提出的，利用現有Ethernet標準、Internet工具、LAN協議、IEC物理尺寸和IVI驅動程序的各方優點，使測試系統的互連平臺轉向更高速的PC標準的I／O，是構成新一代合成儀器平臺的標準。

LXI總線數字化儀模塊能夠對兩種標準頻率的中頻信號進行數據采集和數字中頻處理與分析、并且給出幅頻特性分析結果、也可以直接輸出數字中頻I／Q數據，提供給其他分析設備進行用戶需要的特定分析。

總體實現方案

LXI總線數字化儀模塊主要包括中頻信號處理通路、高速ADC、基于FPGA與DSP的數字中頻信號處理、數據存儲單元以及嵌入式微處理器等部分，具體實現方案如圖1所示。中頻信號處理通路部分主要完成模擬中頻信號預采樣處理、程控增益控制、抗混疊濾波等，處理后的中頻信號經過高速ADC采樣，采樣得到的數字中頻信號首先送到FPGA進行數字下變頻、數字濾波等處理后得到IQ兩路數據，再存儲在存儲器中，然后由DSP進行本地數據運算，以得到要分析信號相應的特性信息。IQ數據也可以直接送到模塊前面板，即IQ數據輸出。嵌入式微處理器是整個模塊的控制核心，完成系統間的通訊、圖形控制，同時提供豐富的接口。

關鍵電路實現

中頻信號處理通路設計

由于中頻數字化儀模塊能夠對兩種頻率的中頻信號進行采樣與信號處理，因此整個中頻信號通道覆蓋兩種中頻帶寬。中頻信號處理通路主要完成中頻信號濾波、信號放大、抗混疊濾波以及對數檢波和預采樣等。中頻信號在進入模塊通道后，首先進行低通濾波，濾除中頻信號中的高頻分量，濾波后需要對信號進行放大控制，以滿足ADC的采樣要求。信號進入ADC之前要進行抗混疊濾波處理，在抗混疊濾波電路部分信號通道分成兩路，進行第一種中頻信號分析時，通過控制開關選擇第一中頻濾波通道；進行第二種中頻信號分析時，選擇第二中頻濾波通道。信號通道前端的對數檢波及預采樣電路輔助程控增益放大器實現模塊整個通道0dB～30dB的自動增益功能。同時為提高模塊的動態范圍，在中頻信號進入高速ADC之前設計有噪聲疊加電路。具體實現原理如圖2所示。

ADC電路設計

數字化儀模塊ADC采用14位、130Msps模數轉換器(ADC)，為減小信號干擾，采用模擬差分輸入方式。轉換器的數字輸出為低功耗LVDS、二元補碼數據格式，以方便后續數據處理。

為滿足模塊能夠完成對兩種中頻信號采集，ADC電路部分設計了可變采樣時鐘電路，模塊會根據用戶的測試需要自動選擇不同的采樣時鐘，并且采樣時鐘始終鎖定在模塊內部或外部參考上。采樣時鐘發生電路由參考電路、集成鎖相環路(內部自帶VCO)及DDS電路三部分組成，如圖3所示。基于FPGA的控制電路控制集成鎖相環路內部自帶的VCO鎖定在一個固定輸出頻率上，采樣時鐘信號則由DDS對VCO輸出的信號分頻得到。

基于FPGA和DSP的數字中頻信號處理電路設計

FPGA主要完成數字中頻信號處理和硬件電路的控制。其中信號處理部分包括數字下變頻、數字濾波等，總體結構上由DDS、下混頻器、MAC濾波器、系數存儲器等組成，DDS完成數控本振(NCO)的功能，用來產生下變頻所需的本振信號：硬件電路控制部分包括中頻信號處理通路控制、采樣時鐘控制、數據存儲控制及觸發控制等。

FPGA處理后數據的最終處理與運算工作由DSP完成，包括中頻檢波、對數處理、視頻濾波、視頻檢波以及對運算結果進行誤差修正等任務，處理完成的數據通過LXI總線接口送到虛擬儀器軟面板進行結果顯示。由于要進行兩種中頻信號測量，數據處理復雜程度高，而DSP和FPGA的存儲空間有限，因此采用動態更新DSP程序和FPGA程序的方法。根據用戶選擇的功能，重新配置DSP和FPGA代碼到芯片，此方法提高了軟件的靈活性和可擴展性，同樣縮小了硬件體積，減少了硬件成本。

LXI觸發電路設計

LXI規范提供了3種觸發方式：基于LAN的觸發；基于IEEE1588精密時鐘協議提供的時間基準進行定時觸發：通過專用LXI觸發總線的觸發。

本數字化儀模塊采用基于IEEE1588精密時鐘協議提供的時間基準進行定時觸發，該觸發需要通過網線來實現IEEE1588協議，使各設備的實時時鐘保持同步、各設備根據同步的時間實現事件的同步。由帶有以太網外設的CPU處理器和FPGA組成。FPGA仍然實現IEEE 1588時間戳和硬件觸發的功能，這樣可以大大提高同步精度，同時有利于LXI測試模塊的升級和維護。

模塊軟件設計

驅動軟件設計

在以NT為核心的WIN2K、WINXP操作系統中，由于安全性、穩定性的考慮，操作系統不允許應用程序直接訪問硬件資源，要實現對LXI總線中頻數字化儀硬件電路的控制就必須開發硬件設備驅動程序，作為下層硬件和上層應用程序的紐帶，實現應用程序對底層硬件的訪問。

在中頻數字化儀軟件開發中，我們利用工具軟件DriverStudio，按照Windows驅動程序模型(WDM)設計了本數字化儀模塊驅動程序，在驅動程序中實現端口的讀寫、中斷的響應及DMA傳輸等。

在中頻數字化儀模塊中、主機與模塊交互的數據量很大、通過CPU控制讀寫很耗費CPU資源，經常導致計算機響應遲緩，為此我們采用了DMA數據傳輸方式。DMA是利用PCI9054的DMA控制器，在本地設備與計算機內存之間進行數據傳輸。由于DMA控制器與CPU是并行操作，所以在數據傳輸的過程中，CPU可以空閑下來做數據處理等工作，這種傳輸方式特別適合大數據量、多線程的處理。在DriverStudio中，類KdmaAdapter封裝了DMA適配器。

模塊測控軟件設計

考慮到調用設備驅動程序操作比較復雜，并且需要一定的硬件知識，不利于用戶二次開發使用，在模塊中我們對設備驅動程序進行了封裝、將設備的功能模塊封裝為一個個直觀易用的高層函數，屏蔽了模塊的具體的控制方式，減少用戶在開發應用程序時對模塊的了解。

為了實現模塊驅動程序的兼容性和規范性，統一采用虛擬儀器接口，對虛擬儀器的接口函數進行了統一的命名約定，統一的函數輸出格式，能夠滿足在Microsoft Visual c++、c++Builder、Lab Windows／CVI、Lab View等多種語言環境的二次開發的需要，以動態庫的形式提供用戶。

由于LXI總線數字化儀模塊本身不具有顯示控制界面，因此開發了一個可視化的虛擬儀器軟面板控制界面，方便用戶對模塊的控制與使用，虛擬儀器軟面板控制軟件將隨模塊一并提供給用戶。

模塊自動識別

LXI測試模塊在連接到總線上時應能自動被發現并識別。該機制主要通過實現LXI測試模塊內部的RPC服務器和VXI-11協議來實現。具體的工作原理是：客戶端(主控計算機)首先向服務器發出RPC請求服務，當服務器接收到該請求后，必須將VXI11內核的網絡端口號發送給客戶端，客戶端接收到該端口號后，與服務器建立TCP／IP通訊鏈路，并向LXI測試模塊發送“*IDN?”查詢信息，LXI數字化儀模塊隨后將儀器的信息，包括廠商、型號、版本號等信息回發給客戶端，同時，客戶端和服務器也通過該鏈路來實現SCPI命令的傳輸。

結語

LXI總線數字化儀模塊可實現最高130MSa／s的采樣速率，可以進行兩種標準中頻信號數據采集與信號處理，同時具有參考輸入輸出、IQ數據輸出、觸發輸入輸出等功能。此模塊已應用于某LXI總線合成化測試儀器系統，用于頻譜分析和功率測量，圖4為進行頻譜測量時波形圖。

通過測試，LXI總線數字化儀模塊各項技術指標達到預先設計要求，具有較高的穩定性、可靠性及系統兼容性。隨著LXI總線模塊化產品的發展及LXI總線微波測試系統的需求，LXI總線數字化儀模塊將具有更好的應用和市場前景。