數(shù)字信號采集回放系統(tǒng)電路設(shè)計

李志海，潘紅兵

海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430032

數(shù)字信號采集回放系統(tǒng)電路設(shè)計

李志海，潘紅兵

海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430032

為了解決復(fù)雜數(shù)字電路板的故障診斷和維修測試問題，簡化測試過程，本文設(shè)計了一種能夠進行數(shù)字信號采集和回放的系統(tǒng)電路。本電路以FPGA為核心，以NANDFLASH芯片為存儲載體，可實現(xiàn)72路數(shù)字信號采集和回放測試，支持軟件操作和數(shù)據(jù)讀寫，為解決數(shù)字電路板維修和現(xiàn)場測試不便所帶來的問題，發(fā)現(xiàn)電路板故障，提供了新的方式或途徑。

數(shù)字信號測試采集回放；FPGA；NAND-FLASH；USB

在數(shù)字電路測試技術(shù)中，基于電壓測量的檢測技術(shù)是多年來研究的重點。該方法通過觀察正常電路和故障電路的輸出響應(yīng)來檢測故障。它主要是針對固定型故障的，改進后的電壓測試方法也可以用于檢測延時故障。該方法的優(yōu)點是測試速度快，識別高低電平的精度要求不高[1]。在電壓測量技術(shù)中，還有很多基于運算的測量方法[2]。但是，由于需要對電路做出較多的運算分析或仿真，隨著電路信號數(shù)量不斷增多，這種方法的便捷性和易用性往往會受到限制。

本文基于電壓測量技術(shù)，設(shè)計了一種能夠進行數(shù)字信號采集和回放的系統(tǒng)電路。本電路以FPGA為核心，以NAND FLASH芯片為存儲載體，可實現(xiàn)72路數(shù)字信號測試，并且每通道達到100Msps的采集（回放）速度。

1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計

整個系統(tǒng)包含存儲板、系統(tǒng)底板、USB2.0接口控制板、回放驅(qū)動板、采集轉(zhuǎn)接板等多個組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)72路數(shù)字信號的同步采集和回放。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如下。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

所有板卡均插裝在系統(tǒng)底板上，通過數(shù)據(jù)及控制總線相連。系統(tǒng)中的存儲板有9塊，每塊可存儲8路數(shù)字信號，可實現(xiàn)72路信號的數(shù)據(jù)存儲。每塊存儲板上有8片8GB FLASH芯片。系統(tǒng)總存儲容量為576GB，按照100M采樣率，可采集或回放10分鐘以上，數(shù)據(jù)存取速度達900MB/S。

在采集過程中，被測數(shù)字信號通過采集轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)移到存儲板；在回放過程中，存儲板中的數(shù)據(jù)首先通過回放驅(qū)動板輸出到被測數(shù)字電路。

1.1 FLASH存儲板設(shè)計

每塊存儲板上集成了8片NAND FLASH芯片，分別存儲8路數(shù)字信號，并通過FPGA芯片實現(xiàn)接口控制和數(shù)據(jù)存取。

器件選型方面，采用了K9HCG08U1M型號的NAND FLASH，該芯片支持最高40MB/S的瞬間數(shù)據(jù)存取速率，容量8GB。

FPGA方面采用了ALTERA公司CYCLONE 3系列芯片，型號為EP3C25Q240C8N.該芯片有149個可分配IO引腳，內(nèi)部RAM資源達608256bits，含4個鎖相環(huán)，完全滿足本設(shè)計需求[4]。

存儲板通過VME32插頭與底板數(shù)據(jù)總線連接，插頭內(nèi)包含了采集、擦除、回放等控制線和8路數(shù)字信號線。

1.2 系統(tǒng)底板設(shè)計

系統(tǒng)底板是其它板卡互連的基礎(chǔ)，還提供電源轉(zhuǎn)換、插板接口、開關(guān)控制和指示、系統(tǒng)時鐘選擇等功能。

電源轉(zhuǎn)換芯片組位于底板上側(cè)，便于散熱。提供系統(tǒng)電源。

中間部分是9塊FLASH存儲卡的VME插座位，底端是數(shù)據(jù)總線接口，用于與USB控制板和回放驅(qū)動板等進行連接。

右側(cè)是開關(guān)控制電路和晶振電路。開關(guān)控制電路主要負(fù)責(zé)對來自USB控制板的開關(guān)信號進行處理，并通過指示燈加以顯示。晶振電路則可提供25MHz和6.25MHz兩種時鐘，并在FPGA內(nèi)部進行4倍頻處理。在高速采集回放過程中，使用25MHz時鐘，可達到100MSPS的采樣率和同等回放速率。

1.3 USB接口控制板設(shè)計

USB接口控制板主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)備與上位機之間的數(shù)據(jù)交換，包括控制命令和采集回放數(shù)據(jù)的讀寫操作。電路板的接口主要有USB2.0接口，數(shù)據(jù)及控制總線接口，回放引腳設(shè)置總線接口。本設(shè)計中，采用了CYPRESS公司的USB2.0芯片CY7C68013-128AC作為USB接口芯片。該芯片最高數(shù)據(jù)速率可達48MB/S。

1.4 采集轉(zhuǎn)接板設(shè)計

它的功能是將被測數(shù)字電路板轉(zhuǎn)接出來，使之保持正常工作，并對其引腳信號加強驅(qū)動，以便本系統(tǒng)設(shè)備進行采集。采集時，將轉(zhuǎn)接口連接到待測設(shè)備的數(shù)字電路板所在位置，然后將數(shù)字電路板插在采集轉(zhuǎn)接板中間的接口上，并使用排線與本系統(tǒng)面板的采集接口相連。此時啟動待測設(shè)備，在其進入工作狀態(tài)時啟動采集。

1.5 回放驅(qū)動板設(shè)計

由于FLASH存儲卡的驅(qū)動能力較弱且沒有信號方向選擇，所以在回放時，必須經(jīng)過驅(qū)動增強和引腳輸入輸出的方向選擇，才能使被測數(shù)字電路板正常工作起來。本設(shè)計采用“FPGA+三態(tài)門”的方式，實現(xiàn)回放信號引腳方向選擇和驅(qū)動。

USB Local Bus通過FPGA進行命令的接收和譯碼，并產(chǎn)生三態(tài)門控制信號。底板總線接口提供所有72路數(shù)字信號，經(jīng)過三態(tài)門電路選擇后，產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號給被測數(shù)字電路板。

2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件主要負(fù)責(zé)USB驅(qū)動程序的調(diào)用、通信協(xié)議的實現(xiàn)。系統(tǒng)電路的各種操作均可通過上位機軟件完成。其通信協(xié)議包括命令設(shè)置、數(shù)據(jù)幀的收發(fā)、返回狀態(tài)判斷等等。軟件通過協(xié)議控制進行采集和回放測試、數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出操作?！坝|發(fā)采集”用于設(shè)置觸發(fā)采集模式下的參數(shù)。

3 系統(tǒng)測試

為了驗證本系統(tǒng)設(shè)備的各項性能，針對某型72腳數(shù)字電路板進行了現(xiàn)場采集。該型電路板的72路信號除電源和地以外，均為數(shù)字信號，且最高工作頻率為3MHz。

在采集過程中，觀察被測設(shè)備和電路板是否仍能正常工作。采集結(jié)果表明，被測設(shè)備工作不受影響，本系統(tǒng)工作正常，故障燈未亮，可完成10分鐘的采集過程。

在采集結(jié)束后，進行了回放測試，使用示波器對回放驅(qū)動板的信號進行了波形測試。測試結(jié)果表明，回放接口能夠完整再現(xiàn)采集到的數(shù)字信號。各通道回放信號之間的誤差不超過10ns。

4 結(jié)論

目前市面上已有的數(shù)字信號測量工具，受限于采集速度、存儲深度、可測通道數(shù)、現(xiàn)場易用性、信號復(fù)現(xiàn)等諸多因素；另一方面，某些數(shù)字電路的維修不只是要做簡單的波形測量，還需要進行信號激勵和驅(qū)動，并觀察響應(yīng)，以確認(rèn)電路的工作是否正常。本文設(shè)計的系統(tǒng)電路以FPGA和FLASH為核心，可以完成信號記錄和回放的功能，能夠?qū)?shù)字信號較多的電路板維修和故障定位發(fā)揮極大的輔助作用，也為數(shù)字信號測試技術(shù)提供了一種新的方式方法。

[1]胡敏明.幾種典型的數(shù)字電路測試技術(shù)[J].管理科學(xué)，2009.

[2]楊士充.數(shù)字系統(tǒng)的故障診斷與可靠性設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

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1674-6708（2015）148-0127-02