基于FPGA的PMC數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)

0 引言

PCI[1]夾層卡 PMC(PCI Mezzanine Cards)是 IEEE P1386.1的標(biāo)準(zhǔn)，作為一個(gè)IEEE標(biāo)準(zhǔn)，PMC確保了任何符合該標(biāo)準(zhǔn)的主板或者模塊能夠與其他按照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的主板或者模塊兼容[2]。從而用戶可以任意組合、搭配主板及模塊，具有很強(qiáng)的靈活性。依照這種結(jié)構(gòu)組合，用戶可以靈活設(shè)計(jì)具有不同I/O前端接口的模塊，通過(guò)改變PMC上FPGA代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)所需功能。同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，F(xiàn)PGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，field programmable gate array)以其高速、靈活、高集成度、高性能、抗干擾、現(xiàn)場(chǎng)可編程等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[3]。

根據(jù)應(yīng)用需求，本設(shè)計(jì)在PMC規(guī)范基礎(chǔ)之上，結(jié)合高效FPGA算法，設(shè)計(jì)出一款實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、事后讀取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

PMC數(shù)據(jù)采集卡板載4路A/D和2路D/A，以FPGA芯片為控制核心，其總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。A/D原始輸入信號(hào)為單端信號(hào)，電壓范圍為±2.5 V，通過(guò)前面板SMA連接器進(jìn)入A/D調(diào)理電路。信號(hào)經(jīng)AD8138調(diào)理之后，由單端轉(zhuǎn)為差分，電壓范圍調(diào)理為AD9248的輸入范圍±1 V，之后信號(hào)進(jìn)入AD9248進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)經(jīng)AXM連接器送入FPGA數(shù)據(jù)處理中心XC6SLX150，結(jié)合高效FPGA算法進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取等操作。根據(jù)應(yīng)用需求，D/A最終輸出信號(hào)范圍為±5 V。經(jīng)FPGA處理后數(shù)據(jù)首先由AD5547進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，再由AD8620調(diào)理放大，通過(guò)SMA連接器輸出。高速A/D、D/A轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，達(dá)到了應(yīng)用需求。

圖1 PMC數(shù)據(jù)采集卡總體方案設(shè)計(jì)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 FPGA芯片選型與設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理的最佳性能，綜合考慮FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)單元數(shù)量、IO引腳數(shù)量、成本及功耗等因素，選擇Xilinx公司的XC6SLX150用于功能模塊開發(fā)。XC6SLX150可提供147 443個(gè)邏輯單元，提供全新且更高效的雙寄存器6輸入查找表(LUT)邏輯和一系列豐富的內(nèi)置系統(tǒng)級(jí)模塊。

FPGA控制邏輯作為本數(shù)據(jù)采集卡的控制核心，主要涉及上位機(jī)接口模塊、ADCFIFO模塊、DACFIFO模塊、DPRAM模塊等功能模塊，其功能結(jié)構(gòu)劃分如圖2所示。通過(guò)上位機(jī)接口模塊，數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示功能。ADCFIFO模塊、DACFIFO模塊分別對(duì)A/D及D/A轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于DPRAM模塊中，可以隨時(shí)從該模塊中讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析。

圖2 FPGA功能模塊整體結(jié)構(gòu)

2.2 A/D電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡的A/D原始輸入信號(hào)為單端信號(hào)，電壓范圍為±2.5 V，而ADI公司的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9248信號(hào)輸入范圍為±1 V，且輸入為差分信號(hào)時(shí)達(dá)到最佳性能，故需將采集到的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，且將信號(hào)電壓范圍調(diào)理到AD9248的輸入范圍。設(shè)計(jì)中利用ADI公司的AD8138芯片進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，其差分調(diào)理電路基本模型如圖3所示。

圖3 A/D前端調(diào)理電路基本模型

采集到的信號(hào)經(jīng)AD8138調(diào)理后，直接接入AD9248。AD9248 是一款雙核、3 V、14 bit、20/40/65 MS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，集成了兩個(gè)高性能采樣保持放大器和一個(gè)基準(zhǔn)電壓源。它采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，內(nèi)置輸出糾錯(cuò)邏輯，在最高65 MS/s數(shù)據(jù)速率時(shí)可提供14 bit精度，并保證在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)無(wú)失碼[4]。A/D工作時(shí)序如圖4所示。

2.3 D/A電路設(shè)計(jì)

圖4 A/D工作時(shí)序

經(jīng)FPGA核心處理器處理后的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，在輸出之前需經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換、調(diào)理放大等處理。D/A轉(zhuǎn)換芯片選用ADI公司的AD5547，其為單電源供電。為保證D/A轉(zhuǎn)換有足夠高的精度，需為D/A轉(zhuǎn)換芯片提供非常穩(wěn)定的電壓源，故本設(shè)計(jì)采用ADR02精密帶隙基準(zhǔn)電壓源，作為D/A芯片的參考電壓。ADR02能在較寬的電壓范圍內(nèi)提供極穩(wěn)定的輸出電壓，具有高精度、高穩(wěn)定性和低功耗等特性，將12 V的電壓通過(guò)ADR02轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5 V，供D/A芯片使用,從而保證了足夠高的D/A轉(zhuǎn)換精度。同時(shí)，采用AD8620做為D/A外加運(yùn)放使用。AD8620為兩通道運(yùn)放，是高精度的JFET的放大器。兩路D/A，每一路使用一片AD8620，其中一個(gè)通道用于參考電壓的調(diào)制，另一個(gè)通道用于電流到電壓的轉(zhuǎn)換[4]。D/A工作時(shí)序如圖 5所示。

圖5 D/A工作時(shí)序

2.4 時(shí)鐘及電源的設(shè)計(jì)

在數(shù)字電路中，時(shí)序的同步對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵性的作用。本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA、DPRAM和AD9248都需要一個(gè)20 MHz的時(shí)鐘。為保證時(shí)序同步，采集卡將板載的20 MHz時(shí)鐘分成兩路，分別利用MC74VHC1G進(jìn)行時(shí)鐘緩沖，一路供板載的AD9428使用，一路供FPGA使用。

電子系統(tǒng)中，電源的設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵因素。電源設(shè)計(jì)需要考慮紋波和功耗等因素。本采集卡所有功率由PMC載板提供，并留有余量。本采集卡的電源涉及到模擬 12 V和數(shù)字 12 V、模擬-12 V和數(shù)字-12 V、模擬 3.3 V和數(shù)字3.3 V、模擬5 V和數(shù)字5 V及D/A參考電壓5 V。各模擬電壓通過(guò)各數(shù)字電壓LC濾波獲得。所有芯片電源管腳都配有足夠的電容網(wǎng)絡(luò)，使電源紋波工作在容許范圍內(nèi)，保證芯片穩(wěn)定工作。

圖6 FPGA程序設(shè)計(jì)主流程圖

3 FPGA程序設(shè)計(jì)

本采集卡FPGA邏輯設(shè)計(jì)采用 Verilog代碼[5]實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、讀寫等命令控制，其主流程圖如圖6所示。在PCI BAR2地址空間，分別定義了ADCFIFO寄存器、DACFIFO寄存器，通過(guò)這些寄存器分別控制A/D、D/A的狀態(tài)。

ADCFIFO模塊內(nèi)定義了中斷閾值可設(shè)的FIFO，F(xiàn)PGA使能A/D后，將A/D數(shù)據(jù)采樣到FIFO中，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)采集到設(shè)定的閾值后停止采樣，發(fā)出中斷給上位機(jī)，收到中斷的上位機(jī)將數(shù)據(jù)讀取到系統(tǒng)指定位置存儲(chǔ)并顯示。DACFIFO模塊通過(guò)讀寫DAC模塊所映射的寄存器控制D/A工作，模塊內(nèi)定義了中斷閾值可設(shè)的FIFO，通過(guò)本地接口邏輯向FIFO中寫數(shù)據(jù)，根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)高三位的不同組合選擇對(duì)應(yīng)的D/A通道，輸出所需模擬信號(hào)。DPRAM模塊中定義一些和傳輸控制相關(guān)的寄存器，實(shí)現(xiàn)了DPRAM讀寫時(shí)序接口邏輯，能夠正確地讀寫DPRAM端口，實(shí)現(xiàn)了A/D采集后數(shù)據(jù)的快速上傳。DPRAM讀寫時(shí)序如圖7所示。

圖7 DPRAM讀寫時(shí)序

4 結(jié)果分析與結(jié)論

仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA內(nèi)部中的FIFO進(jìn)行緩存，并根據(jù)相關(guān)指令，成功將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于DPRAM中。上位機(jī)發(fā)出讀取數(shù)據(jù)指令，并加以顯示。該P(yáng)MC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、顯示等功能，目前已投入實(shí)際應(yīng)用之中，具有較高的使用價(jià)值。

圖8 ADCFIFO仿真

圖9 DACFIFO仿真

圖10 DPRAM讀寫仿真

[1]李貴山，陳金鵬.PCI局部總線及其應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[2]IEEE P1386.1.Draft standard physical and environmental layers for PCI mezzanine cards：PMC[S].2001.

[3]羅苑棠.CPLD/FPGA常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第四版[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.