作者：黃新財(cái)，佃松宜，汪道輝

1 引言

數(shù)據(jù)采集是數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試、無(wú)線探傷等領(lǐng)域。對(duì)不同的任務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求的采樣精度和采樣速率各不相同，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和難度也各異。在低速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，系統(tǒng)要求的采樣速率低，數(shù)傳輸量小，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)較容易，常用單片機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、串行接口完成數(shù)據(jù)傳輸；在高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，系統(tǒng)要求的采樣速率高、采集精度高、數(shù)據(jù)傳輸量大，于是系統(tǒng)的抗干擾、數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題就成了系統(tǒng)構(gòu)建必須克服的關(guān)鍵問(wèn)題。目前，常用的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常為定時(shí)采樣或者固定采樣門(mén)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這種系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間和數(shù)據(jù)量已知，待保存的數(shù)據(jù)都是被采樣信號(hào)信息，通常通過(guò)設(shè)置足夠大的緩沖區(qū)，通過(guò)PCI總線將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)部總線，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

隨著高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展，提出了變采樣門(mén)連續(xù)高速采集的要求。此時(shí)系統(tǒng)不但要記錄被采樣信號(hào)信息，還要記錄采樣門(mén)的變化信息；由于采樣門(mén)可變，采集的數(shù)據(jù)量變化、采樣持續(xù)時(shí)間和采樣的數(shù)據(jù)量不定，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度較高。

本文提出了基于FPGA的四路變采樣門(mén)的高速連續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

2 系統(tǒng)背景及功能描述

由于雷達(dá)重復(fù)掃描周期中，回波信號(hào)往往只占很小的時(shí)間部分。為了高效地獲取回波數(shù)據(jù)，往往采用距離窗口推遲采樣，以便濾除雷達(dá)重復(fù)周期中與目標(biāo)無(wú)關(guān)的信號(hào)，提高數(shù)據(jù)有效率。因此系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào)、采樣門(mén)、采樣距離等都在變化。

本系統(tǒng)被測(cè)信號(hào)由四路雷達(dá)回波信號(hào)組成，基本要求：采樣頻率為20MHz；觸發(fā)信號(hào)（triger）頻率已知、可變（1KHz“2KHz）；采樣門(mén)（gate）為頻率同觸發(fā)信號(hào)、占寬比可變（5%”95%)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要解決的問(wèn)題主要是數(shù)據(jù)的采集和傳輸問(wèn)題。為了增強(qiáng)設(shè)計(jì)的靈活性和可擴(kuò)展性，系統(tǒng)采用FPGA（Field Programmable Logic Array）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)緩沖器、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬁刂啤?/p>

3.1 術(shù)語(yǔ)定義和數(shù)據(jù)組織

一個(gè)采樣周期內(nèi)的系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)稱(chēng)為一幀數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)置的緩存能容納多幀數(shù)據(jù)，當(dāng)緩存存儲(chǔ)容量不夠存下一幀數(shù)據(jù)時(shí)就要轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，每次轉(zhuǎn)移的數(shù)據(jù)稱(chēng)為一塊數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的目的是在信號(hào)發(fā)生后再現(xiàn)信號(hào)，所以為了便于數(shù)據(jù)回放（軟件回放或者硬件回放），必須保存數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)塊相關(guān)信息。系統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)包括：被采樣信號(hào)數(shù)據(jù)；采樣門(mén)采樣距離、采樣寬度；數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)塊相關(guān)信息。

3.2 連續(xù)采集的實(shí)現(xiàn)策略

四路0“2V的模擬信號(hào)輸入，由四個(gè)16位的A/D轉(zhuǎn)換器完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD0和AD1構(gòu)成一組32位的數(shù)據(jù)（A組），AD2和AD3構(gòu)成另一組（B組）32位的數(shù)據(jù)。對(duì)于A組和B組數(shù)據(jù)，分別設(shè)置兩個(gè)FIFO存儲(chǔ)器FIFOX0、FIFOX1（X為A或B）。每組數(shù)據(jù)先暫存于FIFOX0，當(dāng)FIFOX0的容量不夠存儲(chǔ)一幀數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA控制數(shù)據(jù)流切換到FIFOX1，同時(shí)刷新SGTM表（DMA數(shù)據(jù)鏈指針表），啟動(dòng)PCI總線的DMA；先傳送數(shù)據(jù)塊信息和控制信息，然后傳送FIFOA0數(shù)據(jù)，再傳送FIFOB0數(shù)據(jù)，傳送結(jié)束后DMA等待下一次傳送。當(dāng)FIFOX1容量不夠存儲(chǔ)一幀數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA控制數(shù)據(jù)流切換到FIFOX0，同時(shí)控制邏輯刷新SGTM表，啟動(dòng)PCI總線的DMA；先傳送數(shù)據(jù)塊信息和控制信息，然后傳送FIFOA1數(shù)據(jù)，再傳送FIFOB1數(shù)據(jù)，如此反復(fù)采樣和傳送數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)采集。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)策略

緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線以DMA方式傳送到硬盤(pán)管理卡（SScard），該卡再將數(shù)據(jù)高速保存到硬盤(pán)陣列上。該系統(tǒng)硬盤(pán)陣列由8個(gè)40G硬盤(pán)組成（可根據(jù)需要擴(kuò)展到16個(gè)硬盤(pán)）。PCI接口的實(shí)現(xiàn)方式通常有兩種：通用FPGA實(shí)現(xiàn)方式和專(zhuān)用芯片方式。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和提高系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)采用專(zhuān)用芯片方式。由于系統(tǒng)采用速率高，數(shù)據(jù)傳輸量很大，系統(tǒng)選用PCI9056芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)PCI接口。該芯片支持66MHz/32BitsPCI總線，傳輸速率高達(dá)256M，支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈傳輸方式，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、多塊數(shù)據(jù)傳輸［9］。本系統(tǒng)采用PCI9056的鏈?zhǔn)絺魉头绞綄?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存到硬盤(pán)管理卡的DMA傳送。為了發(fā)揮DMA的優(yōu)勢(shì)在FPGA上設(shè)置SGTM表。FPGA的控制邏輯通過(guò)對(duì)該表的刷新實(shí)時(shí)啟動(dòng)DMA操作。

4 FPGA在系統(tǒng)中的應(yīng)用

FPGA領(lǐng)域的快速發(fā)展使FPGA片上資源大量豐富，尤其使其高速性能和片上RAM使其特別適用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)選用Altera公司的FLEX10K30E，該器件含有8個(gè)EAB（嵌入式陣列），每個(gè)EAB能夠提供4K位存儲(chǔ)位，每個(gè)EAB都有雙口RAM實(shí)現(xiàn)能力；提供30000邏輯門(mén)；支持PCI總線，可提供66MHz的PCI性能；門(mén)級(jí)延時(shí)僅為6.5ns。本系統(tǒng)中FPGA設(shè)計(jì)主要包含時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)、雙端口RAM、控制邏輯等。

4.1 時(shí)鐘及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)

時(shí)鐘電路是高速時(shí)序電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)涉及20MHz和66 MHz高速時(shí)鐘，時(shí)鐘是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。系統(tǒng)在一般邏輯控制和數(shù)據(jù)采集時(shí)采用20MHz時(shí)鐘，存儲(chǔ)電路工作在66MHz時(shí)鐘下。為了提高時(shí)鐘同步性能、系統(tǒng)工作頻率和系統(tǒng)可靠性，設(shè)計(jì)采用如下措施：

1 輸入信號(hào)盡量通過(guò)鎖存器；

2 保證每路始終負(fù)載相當(dāng)，以便減小時(shí)鐘漂移；

3 通過(guò)異步雙端口存儲(chǔ)器解決異步時(shí)鐘匹配問(wèn)題；

4 大量使用有限狀態(tài)機(jī)，提高設(shè)計(jì)的可靠性；

5 大量采用流水線技術(shù)，提高系統(tǒng)工作主頻。

4.2 雙端口RAM

由于FIFO的容量有限，每塊數(shù)據(jù)包含的數(shù)據(jù)幀數(shù)有限，故必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)切換。切換帶來(lái)的塊控制數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)每塊數(shù)據(jù)的采樣門(mén)計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)置了片上雙端口RAM（control data RAM），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖。

因?yàn)橄到y(tǒng)采樣速率高，數(shù)據(jù)傳輸量大，要求PCI響應(yīng)快速，故本設(shè)計(jì)在FPGA上構(gòu)造SGTM，PCI控制器一直查詢(xún)SGTM，一旦發(fā)現(xiàn)SGTM傳輸控制字被置起，隨即申請(qǐng)DMA操作，提高了PCI總線的DMA響應(yīng)速度。

FPGA廠商提供的參數(shù)化模塊庫(kù)LPM（Library of Parameterized Modules）中的雙端口RAM模塊都是只能一端讀、一端寫(xiě)的雙端口RAM。設(shè)計(jì)采用lpm_ram_dp模塊再外加控制邏輯和仲裁邏輯的方法實(shí)現(xiàn)了兩端都能進(jìn)行讀寫(xiě)操作的雙端口RAM。每次數(shù)據(jù)切換時(shí)FPGA首先刷新SGTM，申請(qǐng)PCI總線進(jìn)行DMA操作，DMA響應(yīng)后首先傳送雙端口RAM的對(duì)應(yīng)半?yún)^(qū)的數(shù)據(jù)，然后傳輸對(duì)應(yīng)的FIFO上的數(shù)據(jù)。

4.3 控制邏輯

控制邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)距離計(jì)數(shù)器、采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)器、塊內(nèi)采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)器、塊內(nèi)幀計(jì)數(shù)器等的控制；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)置和control data RAM和SGTM的刷新；實(shí)現(xiàn)對(duì)FIFO的讀操作、寫(xiě)操作控制和其它控制。

5 應(yīng)用和結(jié)論

本文提出了一種連續(xù)、高速、大容量、多通道的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，并說(shuō)明了該方案基于Altera公司的EPF10K30E系列FPGA的實(shí)現(xiàn)方法。目前本文實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室和室外測(cè)試，系統(tǒng)工作正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

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