《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的PMC數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
崔迎煒1，李 猛2
1.北京方天長久科技有限公司，北京100084； 2.沈陽航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽110136
摘要： 為了提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中信號采集、處理、傳輸?shù)膶崟r性及可靠性，分別以AD9248為ADC、以AD5547為DAC，設(shè)計了一種基于PMC規(guī)范的數(shù)據(jù)采集卡。
關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集 FPGA PMC ad DA
中圖分類號： TP334.4
文獻標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)10-0027-03
中文引用格式：崔迎煒,李猛.基于FPGA的PMC數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(10):27-29.
Design of PMC data acquisition card based on FPGA
Cui Yingwei1，Li Meng2
1.Beijing Fountain Microsystems Co.，Ltd.，Beijing 100084，China；2.Electronic and Information Department,Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China
Abstract： To improve real-timing and reliability of signal acquisition,processing and transmission in data acquisition system, this design develops a data acquisition card based on PMC,which uses AD9248 as ADC and AD5547 as DAC.With effective FPGA algorithm on the PMC,the design meets requirements of real-timing and high reliability well.After being tested,each function of the card has met the requirements，and the card has been used in practical application.
Key words : data acquisition；FPGA；PMC；A/D；D/A

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，具有很強的靈活性。依照這種結(jié)構(gòu)組合，用戶可以靈活設(shè)計具有不同I/O前端接口的模塊，通過改變PMC上FPGA代碼來實現(xiàn)所需功能。同時，相對于傳統(tǒng)的以單片機為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，F(xiàn)PGA(現(xiàn)場可編程門陣列，field programmable gate array)以其高速、靈活、高集成度、高性能、抗干擾、現(xiàn)場可編程等優(yōu)點，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)計在PMC規(guī)范基礎(chǔ)之上，結(jié)合高效FPGA算法，設(shè)計出一款實時存儲數(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

    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)計如圖1所示。A/D原始輸入信號為單端信號，電壓范圍為±2.5 V，通過前面板SMA連接器進入A/D調(diào)理電路。信號經(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，之后信號進入AD9248進行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算法進行數(shù)據(jù)存儲、讀取等操作。根據(jù)應(yīng)用需求，D/A最終輸出信號范圍為±5 V。經(jīng)FPGA處理后數(shù)據(jù)首先由AD5547進行D/A轉(zhuǎn)換，再由AD8620調(diào)理放大，通過SMA連接器輸出。高速A/D、D/A轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA數(shù)據(jù)存儲、處理，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集，達(dá)到了應(yīng)用需求。

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2 硬件電路設(shè)計

2.1 FPGA芯片選型與設(shè)計

    為實現(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。通過上位機接口模塊，數(shù)據(jù)采集卡與上位機進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示功能。ADCFIFO模塊、DACFIFO模塊分別對A/D及D/A轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行緩存。同時，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲于DPRAM模塊中，可以隨時從該模塊中讀取數(shù)據(jù)，進行分析。

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2.2 A/D電路設(shè)計

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

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    采集到的信號經(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)，集成了兩個高性能采樣保持放大器和一個基準(zhǔn)電壓源。它采用多級差分流水線架構(gòu)，內(nèi)置輸出糾錯邏輯，在最高65 MS/s數(shù)據(jù)速率時可提供14 bit精度，并保證在整個工作溫度范圍內(nèi)無失碼[4]。A/D工作時序如圖4所示。

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2.3 D/A電路設(shè)計

    經(jīng)FPGA核心處理器處理后的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計需求，在輸出之前需經(jīng)過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，采用AD8620做為D/A外加運放使用。AD8620為兩通道運放，是高精度的JFET的放大器。兩路D/A，每一路使用一片AD8620，其中一個通道用于參考電壓的調(diào)制，另一個通道用于電流到電壓的轉(zhuǎn)換[4]。D/A工作時序如圖5所示。

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2.4 時鐘及電源的設(shè)計

    在數(shù)字電路中，時序的同步對系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵性的作用。本設(shè)計中，F(xiàn)PGA、DPRAM和AD9248都需要一個20 MHz的時鐘。為保證時序同步，采集卡將板載的20 MHz時鐘分成兩路，分別利用MC74VHC1G進行時鐘緩沖，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)計是保證系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵因素。電源設(shè)計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。

3 FPGA程序設(shè)計

    本采集卡FPGA邏輯設(shè)計采用Verilog代碼[5]實現(xiàn)，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、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，通過這些寄存器分別控制A/D、D/A的狀態(tài)。

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    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，收到中斷的上位機將數(shù)據(jù)讀取到系統(tǒng)指定位置存儲并顯示。DACFIFO模塊通過讀寫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，通過本地接口邏輯向FIFO中寫數(shù)據(jù)，根據(jù)每個數(shù)據(jù)高三位的不同組合選擇對應(yīng)的D/A通道，輸出所需模擬信號。DPRAM模塊中定義一些和傳輸控制相關(guān)的寄存器，實現(xiàn)了DPRAM讀寫時序接口邏輯，能夠正確地讀寫DPRAM端口，實現(xiàn)了A/D采集后數(shù)據(jù)的快速上傳。DPRAM讀寫時序如圖7所示。

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4 結(jié)果分析與結(jié)論

    仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。由實驗結(jié)果可知，采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通過FPGA內(nèi)部中的FIFO進行緩存，并根據(jù)相關(guān)指令，成功將數(shù)據(jù)存儲于DPRAM中。上位機發(fā)出讀取數(shù)據(jù)指令，并加以顯示。該PMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成功實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、顯示等功能，目前已投入實際應(yīng)用之中，具有較高的使用價值。

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參考文獻

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