關(guān)于基于FPGA的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的介紹和分析

關(guān)于基于FPGA的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的介紹和分析在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,A/D的控制和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存均通過(guò)CPU或者M(jìn)CU來(lái)完成。在這種方式下,將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀入,然后再轉(zhuǎn)存到片外的存儲(chǔ)器中,這一過(guò)程至少需要4個(gè)機(jī)器周期。即使對(duì)于ARM芯核的單片機(jī)(CPU采用流水線結(jié)構(gòu),1個(gè)機(jī)器周期占1個(gè)CLK),使用33MHz的晶振,它的最高轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)速度也只達(dá)到8Mbit/s.在高速采樣系統(tǒng)中,這種方式一方面占用太多CPU資源,另外也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高速采樣的速度要求。同時(shí),在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端數(shù)字信號(hào)處理(DSP)中,如FFT、FIR、IIR濾波等,以往一般都是利用DSP內(nèi)部的硬件乘法器加軟件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。DSP的工作方式是通過(guò)內(nèi)部的CPU逐條執(zhí)行軟件指令來(lái)完成各種運(yùn)算和邏輯功能的,在排隊(duì)式串行指令執(zhí)行方式下,工作速度和效率也將降低。為了提高數(shù)字信號(hào)處理速度,現(xiàn)在一些實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用算法的DSP模塊和通信接口也由FPGA或者CPLD實(shí)現(xiàn)?；谏鲜鲈?設(shè)計(jì)了以Virtex-5系列的XC5VLX50為核心處理芯片的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它以硬件電路方式來(lái)提高速度[1]。1高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中,通過(guò)多路數(shù)據(jù)選擇器選定多路信號(hào)中的一路進(jìn)行采集,在高速狀態(tài)機(jī)控制下,將采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)多片A/D器件流水轉(zhuǎn)換之后,轉(zhuǎn)換結(jié)果直接儲(chǔ)存到FPGAXC5VLX50TFFG1136內(nèi)部由BlockRAM構(gòu)建的高速緩沖RAM陣列中,然后轉(zhuǎn)存至低速存儲(chǔ)器(FLASHMEMORY)中,再由FPGA構(gòu)成的專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在嵌入式硬核CPUPowerPC405的控制下又可以將FLASHMEMORY中的數(shù)據(jù)送入PCI總線設(shè)備或者硬盤(pán)中長(zhǎng)期存儲(chǔ),同時(shí)也可以將采樣結(jié)果在LCD上顯示。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。虛線內(nèi)部的功能都是通過(guò)對(duì)FPGA芯片XC5VLX50TFFG1136硬件編程實(shí)現(xiàn)。1.2FPGA芯片XC5VLX50

XC5VLX50內(nèi)部有豐富的資源,包括8個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理器(DCM,290Kbits的分布RAM,88×16KByte的BlockRAM,88個(gè)18×18的專(zhuān)用乘法器(DedicatedMultipliers)單元,2個(gè)Pow2erPC405內(nèi)核,564個(gè)可配置I/O引腳達(dá)(最多276對(duì)差分I/O,

速度高達(dá)31125Gbit/s,最高內(nèi)部工作頻率540MHz.Power2PC405內(nèi)核通過(guò)Xilinx提供的IP軟核編程實(shí)現(xiàn),文中使用了內(nèi)

部一個(gè)PowerPC405作為主控制器,用來(lái)完成高分辨率的液晶顯示器的控制和一些外圍設(shè)備和整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性控制[2]。2流水采樣實(shí)現(xiàn)

采用高帶寬(1GHz)高速(80MHz)低功耗A/D芯片AD9432(12bit)作為A/D轉(zhuǎn)換器件,采樣時(shí)鐘由XC5VLX50內(nèi)部的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)。AD9432是一種單流水線ADC,它采用多個(gè)低精度閃電式ADC對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分級(jí)量化,然后將各級(jí)的量化結(jié)果組合起來(lái)以構(gòu)成一個(gè)高精度的量化輸出。各級(jí)電路分別有自己的跟蹤保持電路,因此當(dāng)每級(jí)電路把信號(hào)傳給下級(jí)電路時(shí)就可以接收上級(jí)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),每級(jí)電路一次采樣可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成,但是存在流水線延遲的問(wèn)題,AD9432采樣轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖2所示。每次采樣的最終轉(zhuǎn)換結(jié)果要等待6～7個(gè)時(shí)鐘周期后才能出現(xiàn)在輸出端。AD9432的控制以及數(shù)據(jù)的緩沖轉(zhuǎn)存采用狀態(tài)機(jī)控制,當(dāng)AD9432接收到CLK信號(hào)后開(kāi)始采樣。由于每塊A/D的最高采樣率僅有80MHz,在此采用了4塊AD9432進(jìn)行

流水采樣,每塊A/D的采樣時(shí)鐘相位延遲90°,這樣在每個(gè)周期內(nèi)是由4塊A/D均勻采樣的,采樣率等效提高了4倍。4塊AD9432采樣時(shí)鐘的相位延遲利用FPGA設(shè)計(jì)的高速狀態(tài)機(jī)以及內(nèi)部數(shù)字時(shí)鐘管理器(DCM)來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用4片A/D相位延

遲并行流水采集的過(guò)程如圖3所示,圖中CLK1～4是4片A/D的采樣時(shí)鐘,在這種流水采集中,單流水線延遲的影響可以忽

略[3]。3數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存設(shè)計(jì)和分析驗(yàn)證

采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D器件轉(zhuǎn)換之后,通過(guò)XC5VLX50內(nèi)部高速緩沖,轉(zhuǎn)存到片外存儲(chǔ)器FLASHMEMORY中。系統(tǒng)中

XC5VLX50內(nèi)部BlockRAM陣列的控制比較簡(jiǎn)單,采用乒乓操作大大降低了采樣數(shù)據(jù)讀取處理速度。16塊BlockRAM分成

2組,時(shí)鐘和控制信號(hào)均獨(dú)立。系統(tǒng)工作時(shí),高速狀態(tài)機(jī)會(huì)不斷地往BlockRAM中放入采集到的數(shù)據(jù)。當(dāng)采樣數(shù)據(jù)放滿1組

的8塊BlockRAM后自動(dòng)切換到另外一組。同時(shí)并行從剛剛放滿的8塊BlockRAM中以64位的并行數(shù)據(jù)讀入FLASH

MEMORY中(FLASHMEMORY內(nèi)存具有可靠性高、互換性好、容量大等特點(diǎn))[4]。

采用流水方式的4片12位的A/D的采樣頻率為320MHz,則數(shù)據(jù)流為480Mbit/s,但是FLASHMEMORY的最大存儲(chǔ)速度為20Mbit/s(忽略編程時(shí)間).為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ),采用面積換取速度的原理,充分利用XC5VLX50的內(nèi)部邏輯資源和豐富的I/O口資源,設(shè)計(jì)了2個(gè)存儲(chǔ)器陣列,每個(gè)存儲(chǔ)器陣列由24片F(xiàn)LASHMEMORY,在XC5VLX50內(nèi)部進(jìn)行乒乓操作,把480Mbit/s的數(shù)據(jù)量分流成20Mbit/s,分別存儲(chǔ)到24片F(xiàn)LASHMEMORY中,當(dāng)FLASHMEMORY達(dá)到編程時(shí)間的時(shí)候轉(zhuǎn)向第二個(gè)存儲(chǔ)陣列,這樣的外部乒乓操作就達(dá)到了FLASHMEMORY的最高存儲(chǔ)效率,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ),2個(gè)存儲(chǔ)陣列共享控制總線和數(shù)據(jù)總線,但是使能總線獨(dú)立;在一個(gè)存儲(chǔ)陣列內(nèi)部,存儲(chǔ)芯片控制總線共享,數(shù)據(jù)總線獨(dú)立,這樣能達(dá)到緊密協(xié)作和節(jié)省FPGA邏輯資源和I/O口資源的效果。而設(shè)計(jì)的FLASHMEMORY控制器的速度達(dá)480MHz,數(shù)據(jù)帶寬符合轉(zhuǎn)存需要的速度,完全可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)采樣。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,DSP模塊會(huì)在PowerPC405的控制下對(duì)FLASHMEMORY內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理,然后又放回FLASHMEMORY中,處理后的數(shù)據(jù)也能通過(guò)PCI總線傳到帶有PCI接口的設(shè)備中,或者通過(guò)USB總線存儲(chǔ)到硬盤(pán)中,對(duì)PCI和硬盤(pán)操作均支持DMA66操作[5]。系統(tǒng)的PowerPC405采用Xilinx的IPCore實(shí)現(xiàn)。FLASHMEMORYController、PCIController及USBController等功能電

路則是根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議自行設(shè)計(jì),采用VHDL編程實(shí)現(xiàn),使用ModelSim進(jìn)行功能仿真,Synplify進(jìn)行邏輯綜合,將綜合結(jié)果下載到XC5VLX50器件中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的系統(tǒng)邏輯功能。在完成電路的軟件與硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以后,用Agilent16900LogicAnalysis和高速示波器對(duì)該電路進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。16900

LA的多通道眼圖的掃描可以迅速發(fā)現(xiàn)FLASHMEMORY總線中一些處于比較危險(xiǎn)狀態(tài)的信號(hào)線,比如由于阻抗的不匹配而造成SignalIntegrity方面的問(wèn)題。而LA可以驗(yàn)證電路時(shí)序是否正確。用示波器可以正確地量測(cè)到實(shí)際信號(hào)的波形,并進(jìn)行眼圖的精確掃描。用16900LogicAnalysis測(cè)量了FLASHMEM2ORY控制電路的部分時(shí)序,結(jié)果表明FLASHMEMORY總線邏輯功能正確,符合FLASHMEMORY總線規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于PCIController、IDEController、DMAController均采用了相同方式進(jìn)行量測(cè)驗(yàn)證,結(jié)果均符合其協(xié)議規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),可以正常穩(wěn)定地工作。4結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種基于FPGA控制的,進(jìn)行多片A/D器件流水采集的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì),對(duì)流水采樣的原理