基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔 煒，陳 磊

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

0 引言

隨著目前各種信號處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集模塊的采集速度和采集精度的要求的提高，傳統(tǒng)的基于MCU或 DSP為主控器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)明顯不能滿足目前系統(tǒng)要求。伴隨著高速FPGA和高速AD芯片技術(shù)的發(fā)展，使用FPGA來設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)勢越來越明顯。

FPGA的內(nèi)部延時(shí)非常小，控制邏輯均由硬件邏輯產(chǎn)生。在這種技術(shù)下，想要獲得高性能的采集系統(tǒng)是很容易的。本文采用SPARTAN-3 FPGA作為核心控制芯片，完成了對AD9211、AD9740和CY7C68001驅(qū)動(dòng)。通過最后的實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的采樣率為300MHz，采樣精度為10-Bits，此時(shí)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和速度都能達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的要求。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖如圖1所示，主要包括五部分：A/D采樣電路、D/A、USB接口電路、FPGA控制電路和外圍擴(kuò)展接口電路。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中FPGA的主要工作是產(chǎn)生各個(gè)模塊的控制信號和驅(qū)動(dòng)時(shí)序，完成整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制和各模塊的驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)的外部輸入時(shí)鐘為60M，在FPGA內(nèi)由DCM經(jīng)行倍頻到300M作為系統(tǒng)的工作時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所以邏輯控制單元，并且作為A/D的采樣時(shí)鐘。

1.2 AD9211

AD9211是ADI公司的10位高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有低功耗、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，并且具有高達(dá)300MSPS的數(shù)據(jù)采樣率，其突出的動(dòng)態(tài)性能使其具有廣泛的應(yīng)用各種寬帶系統(tǒng)。

AD9211數(shù)據(jù)輸出為LVDS接口模式并且支持二進(jìn)制補(bǔ)碼、二進(jìn)制偏移碼和格雷碼模式。用戶可以通過數(shù)據(jù)時(shí)鐘對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行同步，AD9211允許控制器通過一個(gè)SPI接口寫其內(nèi)部工作模式寄存器來設(shè)置其工作模式和數(shù)據(jù)輸出方式。

1.3 AD9740

AD9740是一款10位低功耗的寬帶DAC,由于其低功耗的操作特性，被運(yùn)用在很多場合，當(dāng)其進(jìn)入低功耗模式下時(shí)，功率損耗低至1 5 m W。其電壓輸出關(guān)系式為：

AD9740的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括以下4個(gè)方面：外部電路設(shè)計(jì)、運(yùn)行時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊和配置電路設(shè)計(jì)。

1.4 CY7C68001

CY7C68001為一款USB接口驅(qū)動(dòng)芯片，有一個(gè)內(nèi)置的USB發(fā)生器和一個(gè)串口接口引擎（SIE），隨著命令譯碼器發(fā)送和接收USB數(shù)據(jù)。該控制器有4個(gè)可配置的端點(diǎn)共享4KB的FIFO最大彈性空間和吞吐量，并且支持控制端點(diǎn)0用于處理USB的設(shè)備請求。它有三個(gè)地址引腳和可選擇8-16位的數(shù)據(jù)命令總線和數(shù)據(jù)輸入或輸出[3]。

1.5 XC3S400

本次設(shè)計(jì)采用的核心控制器是XC3S400，這是Xilinx公司的一款高性能FPGA。它具有豐富的邏輯單元和I/O口來完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和其它設(shè)備的連接，內(nèi)部還集成了大量的RAM存儲器來作為中間數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。本次設(shè)計(jì)的主要時(shí)鐘模塊也是采用它內(nèi)部的DCM，通過PLL為系統(tǒng)的各個(gè)模塊提供時(shí)鐘。

1.6 模擬信號處理

模擬信號處理主要是通過信號放大和濾波模塊來調(diào)整信號的幅度等參數(shù)進(jìn)而滿足采樣電路的要求。我們也可以通過采樣后輸出信號的幅值來調(diào)整放大器的倍數(shù)。另外，外擴(kuò)接口是為系統(tǒng)擴(kuò)展預(yù)留的，能提高系統(tǒng)的靈活性，方便系統(tǒng)以后的更新?lián)Q代。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 AD9211 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

當(dāng)給系統(tǒng)供電時(shí)，通過FPGA的SPI串行外設(shè)接口對A/D,D/A和USB這些外設(shè)模塊進(jìn)行復(fù)位和初始化，使它們工作在我們設(shè)定的模式下。AD9211的初始化時(shí)鐘如圖2所示。

圖2 SPI 時(shí)序原理圖

對AD9211初始化也是通過SPI模塊設(shè)置的，可以很方便的修改AD的工作模式，用Medelsim軟件仿真的SPI工作時(shí)鐘如圖3所示。

圖3 SPI仿真時(shí)序圖

該模塊在FPGA中的原理圖如4所示。

初始化完成后，當(dāng)給AD9211提供時(shí)鐘時(shí)，數(shù)據(jù)開始輸出。數(shù)據(jù)的輸出速率由時(shí)鐘和輸出模式?jīng)Q定。AD9211有兩種數(shù)據(jù)輸出模式：單數(shù)據(jù)模式和雙數(shù)據(jù)模式。它們兩種的時(shí)序原理圖如圖5和圖6所示。

圖4 SPI 模塊

圖5 單數(shù)據(jù)模式

圖6 雙數(shù)據(jù)模式

在這里根據(jù)兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，我們設(shè)計(jì)了兩個(gè)模塊。在使用過程中根據(jù)具體的情況來選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳輸速率。驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘是通過FPGA內(nèi)部的DCM頻率綜合器來產(chǎn)生的，當(dāng)DCM的鎖存信號為高電平時(shí)，時(shí)鐘信號被鎖存，此時(shí)數(shù)據(jù)是有效的。圖7是用Modelsim仿真的不同時(shí)鐘輸出。

圖7 不同的時(shí)鐘輸出

2.2 AD9740 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

AD9740驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要包括時(shí)鐘產(chǎn)生模塊和數(shù)據(jù)寫時(shí)鐘模塊，它的時(shí)鐘也是由FPGA內(nèi)部的DCM提供。在時(shí)鐘的下降沿，F(xiàn)PGA寫數(shù)據(jù)導(dǎo)數(shù)據(jù)總線，在上升沿時(shí)刻，AD9740輸出模擬信號。

2.3 CY7C68001 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

USB應(yīng)用程序包括三個(gè)部分，用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。它可以用來作為轉(zhuǎn)移命令接口，我們將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過它發(fā)送給PC機(jī)。這程序模塊主要包括三個(gè)部分：工作模式控制器、數(shù)據(jù)輸入輸出模塊和時(shí)序控制模塊。在Modelsim中用異步時(shí)序?qū)懨钸M(jìn)行了仿真，仿真時(shí)序如圖8所示。

圖8 異步命令寫時(shí)序

在這里就不一一討論其他的時(shí)序工作模式了。

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制模塊

在本次設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)需要一個(gè)控制器來協(xié)調(diào)各模塊之間的工作時(shí)序。該控制器的主要工作就是根據(jù)實(shí)際環(huán)境來改變時(shí)鐘的工作模式使各個(gè)模塊工作在和諧狀態(tài)，使系統(tǒng)在不同的工作環(huán)境下獲得最佳的工作條件。該控制器主要包括工作時(shí)鐘控制模塊和工作模式控制模塊。各模塊之間的連接如圖9所示。

圖9 各模塊之間的連接圖

對硬件電路進(jìn)行調(diào)試后，得到了AD9211的LVDS輸出眼圖，如圖10所示。從眼圖可以看出，當(dāng)系統(tǒng)采樣頻率達(dá)到300MHz/s時(shí)仍能可靠工作。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了300MHz/s的采樣率，采樣精度為10-Bits，此時(shí)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和速度都能達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的要求。本文設(shè)計(jì)的高速率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有尺寸小、質(zhì)量輕、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛的應(yīng)用于各種高速環(huán)境中。USB2.0接口確保數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確高速的傳輸，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求。

圖10 LVDS輸出眼圖

[1] Analog Devices.AD9211 Complete Data sheet.www.analog.com

[2] Analog Devices.AD9740 Complete Data Sheet.www.analog.com

[3] CY7C68001 Complete Data Sheet.http://www.cypress.com

[4] Xilinx.XC3S400 FPGA:Complete Data Sheet.www.xilinx.com

[5] Rajsuman R.System on a Chip Design and Test [M]. Artech House,2000.

[6] Sforza F,Battu L,Brunelli M.A Design for Verification Methodology.2nd International Symposium on Quality of Elect ronic Design,San Jose,2001.

[7] Kliman GB,et al.Met hods of Motor Current Signature Analysis[J].Elect.Mach.power Syst ,Sept.1992,20,5:4632474.

[8] Thomson W T,et al.On Line Current Monitoring and Application of a Finite Element Method to Predict the Level of Static air Gap Eccentricity in three Phase Induction Motors[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion,December 1998,13