本系統采用基于FPGA的DMA技術高速緩存多路并行數據,通過數據重組將數據有序發送給處理系統,用于數據的顯示與分析。系統采用了嵌入式技術,達到了便攜效果,從而更好地適應設備的工作環境。并行數字信號采集實驗結果表明,系統能以5 MHz、2.5 MHz、500 kHz、50 Hz 4檔采樣頻率進行62路并行數字信號采集,各路采集結果正確,并保存了各路之間的同步信息。
隨著數字電子技術的發展,大型電子設備中數字電路的比例越來越大。為便于故障診斷,一些電子設備(如雷達系統)預留了大量的數字信號檢測口。采用示波器采集此類測試接口的信號時,由于示波器采集通道數的限制,無法保留同步信息;采用邏輯分析儀或ATE設備不但價格昂貴,而且不便于攜帶,不適宜廣泛使用。因此,設計一款便攜式并行數字信號高速同步采集系統,為大型電子設備的維護提供支持是十分必要的。
此類檢測口信號采集中多通路、高采樣率的特性要求瞬時大量數據的高速緩存實現方法。文獻以硬盤為存儲介質,采用DMA技術實現了接近6 MB/s的存儲速率。文獻,文獻,基于SoPC技術采用SDRAM作為存儲介質,相對硬盤存儲速度有了很大的提高。但是當通道數超過SDRAM數據位數時,SoPC的處理速度就會影響數據的存儲速度,適用于多通路同步采集。本文采用讀寫速度最高的SRAM作為存儲介質,并利用虛擬多個DMA通道的技術極大地提高了數據存儲速度,實現多路并行數字信號的高速同步采集。
1 系統整體設計
采集系統采用了嵌入式技術達到便攜性的目的,由FPGA子系統和ARM子系統兩部分組成,如圖1所示。
FPGA子系統接收ARM子系統的指令,完成數據的采集、緩存和發送功能。數字信號緩沖電路用于數字信號的電平轉換和驅動。輸入數字信號可能是TTL或CMOS電平,采用緩沖電路一方面減小對原電路的影響,另一方面將電平轉換為FPGA輸入所需的CMOS電平。FPGA子系統以Altera公司的EP1C12Q240C6芯片為核心,EP1C12Q240C6擁有12 060個邏輯單元以及173個用戶可使用IO,能充分滿足開發及調試中的要求。FPGA搭配SRAM采用DMA的方式實現數據的高速緩存,選用SRAM容量為1 MB,訪問時間為10 ns,利用SRAM訪問速度快的特點,可達到200 MB/s的數據訪問速率。同時,FPGA還實現了與ARM的通信接口,完成緩存數據的打包發送功能。
ARM子系統實現數據的存儲和人機交互界面。采集到的數據可以通過ARM子系統以類似于邏輯分析儀的方式圖形化地呈現給用戶,方便用戶管理數據采集過程。
2 DMA高速數據緩存
由于ARM系統通信速度的限制,要想避免數據的溢出,采集的數據需要先緩存到FPGA子系統的SRAM中。對于62路并行數據信號進行同步采集,采集頻率為5 MHz時,數據量達310 Mb/s,因而選用了DMA的方式來高速地緩存采集數據?;贔PGA系統,數字信號首先在采樣時刻被存放到FPGA的寄存器中,并在2個連續采樣時刻之間的采樣間隔內將FPGA寄存器中的數據通過多個虛擬的DMA通道存儲到SRAM中。DMA高速數據緩存結構如圖2所示。
采集系統選用了1片16 bit的SRAM,62路數字信號需要分為4組緩存入SRAM中,因而構建了4個DMA通道分時與SRAM連接。由于SRAM的訪問時鐘是FPGA系統中的最高時鐘,所以SRAM的訪問時鐘選用了系統時鐘。SRAM的訪問時間為10 ns,系統時鐘必須低于100 MHz,才能保證每次能將數據完整正確地寫入SRAM中。本FPGA系統選用了50 MHz的系統時鐘,這樣采樣時鐘頻率最高為5 MHz,一個采樣周期內的數據有10個系統時鐘周期的時間來處理。在FPGA系統的控制下,一個采樣周期內的10個系統時鐘有1個用于等待數據寫入FPGA寄存器,4個用于向SRAM寫入數據。數字信號并行采集的數據緩存時序如圖3所示。
圖3中‘0’時刻為采樣時鐘上升沿,此時刻FPGA系統將并行的62路數字信號緩存入62 bit寄存器中。由于傳輸延時時間受系統布線和FPGA內部布局的影響,系統時鐘和采樣時鐘上升沿不一定是同步的,圖中‘0’時刻到‘2’時刻之間可能有1~2個系統時鐘周期,這段時間內,系統不動作等待采集信號可靠地寫入寄存器,這樣可以避免‘0’和‘1’時間間隔過小,采集的數據未完全寫入寄存器的情況。在之后的‘2’時刻至下一周期‘0’時刻,系統完成寫入SRAM的工作。其中‘2’時刻至‘3’時刻為第一寫入周期,系統將寄存器中的0 bit~15 bit寫入SRAM中;‘3’時刻至‘4’時刻為第二寫入周期,系統將寄存器中的16 bit~31 bit寫入SRAM中;‘4’時刻至‘5’時刻為第三寫入周期,系統將寄存器中的32 bit~47 bit寫入SRAM中;‘5’時刻至下一周期‘0’時刻為第四寫入周期,系統將寄存器中的48 bit~61 bit寫入SRAM中。這樣,同一采樣時刻的62通路的數字信號被分時地寫入SRAM中,信號保持真實的同步信息。此時,系統的數據緩存速率達310 Mb/s。
上述方法中,‘5’時刻至下一周期‘0’時刻只進行了一次寫入,實際上這段時間可以容納6個寫入周期,時間并沒有被充分地利用。對其進一步擴展,將系統時鐘周期充分地利用,可以同時采集更多通路的信號,將第六到第十個系統時鐘周期也用于信號緩存,則可以同時緩存16×9=144路數字信號。這種情況下,系統的數據緩存速率可達720 Mb/s。
考慮采用SRAM的極限訪問速率的情況,可以選用100 MHz的系統時鐘,這時系統的數據緩存速率可達1 520 Mb/s。
選用的SRAM的數據寫入極限速率為1 600 Mb/s,此種方法的數據緩存速率達SRAM數據緩存極限的95%,實現了高速的數據緩存。
3 緩存數據重組織
按照上述數據緩存的方法,同一通道的數據不是連續地存儲在SRAM中。SRAM中的數據存儲順序如圖4所示。圖中第一列表示SRAM地址,offset為數據存儲的初始地址偏移;第一行表示數據位,選用的SRAM中一個地址對應2字節數據,有16個數據位;剩余每個方格表示一個數據存儲單元,方格里的數字表示該單元用于存儲第幾通道的數據。
定位一個通道的一位數據需要知道其對應的SRAM地址和位號。假設通道m的第i位數據由[addr(m,i),bit(m,i)]定位。分析SRAM中的數據存儲順序可知:
addr(m,i)=offset+1+[(m-1)/16]+(i-1)×4;
bit(m,i)=(m-1)%16。
其中m=1,2,3,…,64;i=1,2,3,4,…。
FPGA系統向ARM系統發送數據時,將同一通路的數據抽取出來,以一個字節為單位連續發送,所以需要對存儲的數據進行重組織。在FPGA系統中,使用6 bit變量dch[5:0]表示通道號,其中000000(b)表示通道1(m=1),000001(b)表示通道2(m=2),依此類推。數據位計數i使用N位變量bitcnt[N-1:0]來表示,其中N由存儲的總數據量決定,與通道號類似,全零表示i=1情況,1(b)表示i=2情況,依此類推。因而有:
[(m-1)/16]=dch[5:4];
(i-1)×4={bitcnt[N-1:0],00(b)};
(m-1)%16=dch[3:0]。
數據由FPGA中的變量定位表示為:
addr=offset+1+{bitcnt[N-1:0],dch[5:4]};
bit=dch[3:0]。
FPGA系統根據以上公式將各個通道數據逐位地從SRAM中讀出,并移入移位寄存器中,從而把同一通路的數據以字節為單位連續地組織起來。
4 采集實驗結果
為了進行測試,基于FPGA設計了專用信號發生器,產生62路數字信號用于測試。62路數字信號中包括4.07 kHz~520.8 kHz(50 MHz的96分頻)的TTL信號及恒高、恒低電平信號。
由于數字信號通道數較多,這里以其中不包含恒高和恒低的9~12通道來說明采集精度,采集結果如表1。
依此可知,各通道采集結果與輸入信號對應,說明個通道采集結果正確,本采集系統可靠。
以某型雷達做為被測對象,系統進行了實際工作測試。采集性能如表2所示。
本文介紹基于嵌入式技術的并行數字信號采集系統的設計,系統采用DMA技術實現了62路數字信號同步采集,用于某型雷達預留測試接口信號的采集,整體采集速率達310 Ms/s。利用本設計中提出的DMA方法,系統可以進一步擴展,從而實現128路數字信號同步采集,并使整體采集速率達1 520 Ms/s,此時SRAM的寫入速度已成為主要的限制。
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