基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計

閆雷兵，田豐慶

（河南科技學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003）

隨著計算機的廣泛應(yīng)用和電子學(xué)的高速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟、國防建設(shè)和科學(xué)試驗的各個領(lǐng)域.與模擬系統(tǒng)相比，數(shù)字系統(tǒng)有精度高、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點，但是數(shù)字系統(tǒng)只能處理離散的數(shù)字信號.外部世界的各種各樣信息經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換以后，除了極小部分為數(shù)字信號和開關(guān)信號之外，絕大部分以電壓或電流等模擬量的形式存在，所以往往需要將這些模擬信號轉(zhuǎn)化為便于處理和存儲的數(shù)字信號，這部分工作就需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來完成.所謂數(shù)據(jù)采集就是將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并進一步予以處理、顯示、存儲和記錄的過程.實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中，常常需要將多個通道的高速信號同時采集并實時傳輸給計算機處理，而高效的設(shè)備驅(qū)動程序是實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)年P(guān)鍵，已有科研人員在Windows系統(tǒng)下，分別基于Driver Studio、DDK或WinDriver環(huán)境下研究了相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，但其數(shù)據(jù)傳輸速率不超過25 MBps[1-3]，這對于實時的高速數(shù)據(jù)或多路圖像數(shù)據(jù)采集是遠遠不夠的.在探地雷達用于礦產(chǎn)資源勘查時要求傳輸數(shù)據(jù)速率不低于80 MBps的數(shù)字接收機項目中，根據(jù)項目需求，基于PLX公司提供的芯片的基礎(chǔ)上，對其核心部分進行改進，實現(xiàn)了在PCI總線上的多通道高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計，實際數(shù)據(jù)傳輸速率可以滿足要求.本文的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是基于PCI總線具有高速傳送數(shù)據(jù)能力的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的.

1 數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計原理

PCI總線協(xié)議非常復(fù)雜，目前實現(xiàn)PCI接口的有效方案分為兩種：即使用可編程邏輯器件和使用專用總線接口的器件[4，5].可編程邏輯器件實現(xiàn)PCI接口比較靈活，可利用的器件比較多，但這種方法難度較大，設(shè)計周期較長.而采用專用接口器件實現(xiàn)完整PCI主控模塊和目標模塊的功能，則可將復(fù)雜的PCI總線接口轉(zhuǎn)換為相對簡單的用戶接口，用戶只要設(shè)計轉(zhuǎn)換后的總線接口即可.雖然這種方式不夠靈活，但由于其對PCI協(xié)議的良好支持，以及提供給設(shè)計者的良好接口，可大大減少設(shè)計開發(fā)的難度和周期.

本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是以Xilinx公司的CPLD芯片XC95144XL構(gòu)成的控制模塊和總線接口芯片PLX9054來完成的[6]，數(shù)據(jù)采集卡各個模塊之間的邏輯關(guān)系如圖1所示.FIFO模塊的狀態(tài)信號（FIFO滿、FIFO半滿和FIFO空）和接口模塊的一些狀態(tài)和命令信號接到控制模塊上，控制模塊將根據(jù)這些狀態(tài)和命令信號產(chǎn)生對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、鎖存模塊和FIFO模塊進行控制的控制信號和對接口模塊命令響應(yīng)的狀態(tài)信號.內(nèi)部時鐘模塊提供內(nèi)觸發(fā)信號，它和外觸發(fā)信號一起接到XC95144XL上，由控制模塊根據(jù)用戶要求來選擇使用那一個觸發(fā)信號.電路中大多數(shù)芯片的功耗更低，抗干擾能力更強，因而電路溫度穩(wěn)定性能更好.

圖1 數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)

1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊主要完成把模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號的工作，即把連續(xù)信號離散化[7].由奈奎斯特采樣定理可知，信號采樣頻率必須等于或大于該信號最高頻率的兩倍，才不會引起信號的失真.這里我們要采樣的信號是雷達的I、Q兩通道的視頻信號，所以根據(jù)采樣定理，再結(jié)合新型連續(xù)波雷達性能指標，我們在采樣電路中選中了高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9042AD.

AD9042AD是一種高速、高性能、低功耗的12位高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片.它采用兩級轉(zhuǎn)換模式，并以與CMOS兼容的模式輸出二進制補碼，+5 V供電，內(nèi)部提供采樣/保持電路以及參考電壓，它的轉(zhuǎn)換速率高達41MSPS.

1.2 鎖存模塊和信號調(diào)理模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換過后的數(shù)據(jù)由鎖存芯片SN74LS374組成的鎖存模塊進行鎖存，鎖存時鐘由控制模塊產(chǎn)生.兩路12位的采樣數(shù)據(jù)再加上每路 4位的數(shù)字量信息共有 32位的數(shù)據(jù)寬度，所以需要8位的SN74LS374四片.為了保護模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，我們在采樣電路的前端還設(shè)計使用了隔離限幅放大芯片AD843構(gòu)成的信號調(diào)理模塊，對輸入的雷達信號進行隔離限幅放大.

1.3 FIFO模塊

在接口芯片PLX9054中用于DMA的內(nèi)部FIFO容量只有32 DW大小，遠不能滿足高速連續(xù)大容量雷達數(shù)據(jù)采集的要求.所以數(shù)據(jù)采集卡的實現(xiàn)中，采用外加FIFO來緩存采集的數(shù)據(jù)，使得在較高的采樣頻率下，能滿足連續(xù)大容量雷達數(shù)據(jù)采集的要求.FIFO的容量與采樣頻率和計算機性能有關(guān).我們采用的FIFO芯片IDT7206為16K×9位，所以每路要用兩片IDT7206來構(gòu)成16K×18位（只用了16位），兩路共要用4片IDT7206.

1.4 接口模塊

PCI9054是PLX公司的一款低成本、低功耗、高性能的總線接口芯片，通過該芯片可以使多種局部總線快速轉(zhuǎn)換到PCI總線上.實際上，PCI9054在PCI端與局部端之間起到了橋梁的作用.數(shù)據(jù)采集卡的接口模塊是用PLX9054這樣一個專用的接口芯片來實現(xiàn)的[8].在設(shè)計中，與計算機PCI總線有關(guān)的功能完全由PLX9054來完成，我們只要實現(xiàn)LOCAL總線的有關(guān)功能即可.

1.5 控制電路模塊

在數(shù)據(jù)采集卡的開發(fā)中，由于僅要求實現(xiàn)PCITarget和DMA兩個功能，所以，本文沒有選用Intel i960 family CPU作為PLX9054Local總線的控制模塊，而采用了Xilinx公司的CPLD芯片XC95144XL作為Local總線的控制模塊，這就要求設(shè)計好的XC95144XL不但能對模數(shù)采集模塊、鎖存模塊和FIFO模塊控制，還要能產(chǎn)生必要的與Local總線相配合的控制信號和狀態(tài)信號.在該數(shù)據(jù)采集卡的硬件實現(xiàn)中，這部分是關(guān)鍵，不但要非常熟悉PLX9054的LOCAL總線C模式工作時序，還要利用CPLD器件延遲可預(yù)測這一特性和XC95144XL的延遲模型，對VHDL程序進行大量的仿真，使得XC95144XL產(chǎn)生的控制和狀態(tài)時序滿足數(shù)據(jù)采集各個模塊的要求.

2 數(shù)據(jù)采集卡的PCB設(shè)計

在設(shè)計PCB圖時，為了使金手指的尺寸、位置以及采集卡的尺寸更能符合設(shè)計要求，建議使用PCB設(shè)計向?qū)Мa(chǎn)生電路板的輪廓.同時在數(shù)據(jù)采集卡的PCB制作時，要考慮插卡的高頻性能、電源去耦與干擾的抑制、接地方式的選擇等因素.

2.1 PCB層數(shù)選擇

做PCI板卡時，選擇制作4層的PCB板，原因有二：其一，在PCI板卡中，經(jīng)常要使用封裝形式為PLCC和PQFP的需要高密度走線的芯片；其二，可以較好的克服兩層PCB板中的地噪聲干擾問題.

2.2 電源去耦

PLX9054雖然利用CMOS技術(shù)，對噪聲有很好的抑制作用，但由一些高速信號（如PCI時鐘信號）引起的噪聲必須要考慮，要選值為0.1μF的片狀電容作為去耦電容，去耦電容盡量靠近電源和地.

2.3 關(guān)于走線的要求

從PCI插槽邊緣到PLX9054的32位數(shù)據(jù)總線的最大走線長度必須限定在1 500mil以內(nèi).從PCI插槽邊緣到PLX9054的時鐘信號走線長度必須為2 500mil（±100mil），且只能與卡上的一個負載連接.該引線只能在PCB一面走線且在轉(zhuǎn)角處用弧形，切忌用直角，可用“蛇”形走線來滿足長度要求.

2.4 模擬電源和數(shù)字電源分開供電

因為快速的數(shù)字振蕩可能將轉(zhuǎn)換噪聲耦合到模擬電源中，所以模擬電源和數(shù)字電源應(yīng)該分開饋電.在數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計中，模擬電路電源由DC-DC隔離電源饋電，數(shù)字電源直接由PCI插槽中的+5 V和+3.3 V來供電.

2.5 接地的策略

在數(shù)字電路中系統(tǒng)存在大量瞬態(tài)大幅度脈沖，如果這些脈沖混入模擬地線中，必將對系統(tǒng)的測量精度和測量穩(wěn)定性等產(chǎn)生影響，所以在PCB布線時必須將模擬地線和數(shù)字地線分開.PCI插槽提供了多條地線，所以，我們將從插槽中引出的一組地線作為數(shù)據(jù)采集卡的模擬地回路，另外一組作為數(shù)字地回路.此外，盡量將地線加寬，大面積布地線，減少地線的等效電阻，以達到減少干擾的目的.

2.6 時鐘信號的保護

在PCB布線時，在數(shù)據(jù)采集板上PCI時鐘信號和AD采樣、鎖存、FIFO的讀和寫這些頻率較高的時鐘信號，應(yīng)在PCB布線時在兩邊設(shè)置地線加以保護.

3 數(shù)據(jù)采集卡測試分析

為驗證該高速數(shù)據(jù)采集卡軟、硬件設(shè)計的正確性，利用該數(shù)據(jù)采集卡對探地雷達產(chǎn)生的信號進行采集驗證[9].探地雷達系統(tǒng)是一種重要的無損探測設(shè)備，可用于礦產(chǎn)資源勘查、巖土工程測試、工程質(zhì)量無損檢測、環(huán)境工程等諸多領(lǐng)域，與其他地球物理方法相比，具有高分辨率、無損性高效率、設(shè)備輕便、抗干擾能力強等優(yōu)點.故探地雷達系統(tǒng)采集信息量大，數(shù)據(jù)需實時處理，因此，對數(shù)據(jù)傳輸速率提出很高的要求，傳輸速率需要達到80MBps以上，利用一般的串口采集或并口采集滿足不了該系統(tǒng)的要求.針對這一問題，利用PCI總線的高速傳輸特性設(shè)計出該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件如圖2所示.探地雷達的接收天線接收到的回波信號經(jīng)提取、放大處理，進入高速A/D芯片，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號.為避免探地雷達前端與后端的互相干擾，數(shù)據(jù)差分輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)FPGA進行串/并轉(zhuǎn)換和提供一系列滿足時序要求的控制信號及讀寫信號，把數(shù)據(jù)寫入高速存儲器，最后由PCI控制芯片將高速存儲器中的數(shù)據(jù)快速實時地寫入計算機內(nèi)存中，以便進行數(shù)據(jù)和圖像處理.

圖2 探地雷達數(shù)據(jù)采集原理

在探地雷達的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，PCI9054以其強大的功能和簡單的用戶接口，為PCI總線接口的開發(fā)提供了一種簡潔的方法.外擴高速SRAM，提高了數(shù)據(jù)吞吐量；在FPGA中制作“換體”的邏輯簡化了電路，增加了靈活性.實踐表明，利用PCI總線的高速特性和FPGA進行實時傳輸及存儲采集數(shù)據(jù)，可以有效地解決數(shù)據(jù)傳輸和處理的實時性，達到探地雷達所需數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，并大大降低成本.

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