1、 引言

在雷達(dá)、氣象、地震預(yù)報(bào)、航空航天、通信等領(lǐng)域里，現(xiàn)場信號(hào)具有重要的作用，這些信號(hào)的主要特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)速率高，數(shù)據(jù)量大，處理復(fù)雜，運(yùn)算量大。因此，高速數(shù)據(jù)采集的研究一直是工程實(shí)踐中一項(xiàng)倍受人關(guān)注的領(lǐng)域。目前由于數(shù)字信號(hào)的快速發(fā)展，對(duì)信號(hào)采集的要求也不斷的提高，特別是在參數(shù)方面的要求越來越高，如精度、速度、采樣通道數(shù)等。鑒于此，本文會(huì)介紹一種基于FPGA來控制高速A/D轉(zhuǎn)換器AD9432實(shí)現(xiàn)高速采集，從而滿足在系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)對(duì)輸入的兩路模擬信號(hào)采樣率為60MHz，每路1K的采樣周期（前100微秒進(jìn)行采樣，后900微秒進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，放入FLASH中），量化精度為12bit。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA的控制送到乒乓FLASH中。再以140Mbps的數(shù)據(jù)率平穩(wěn)輸出，利用FPGA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行幀結(jié)構(gòu)處理，最后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送入電腦中通過軟件進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 、硬件設(shè)計(jì)

常用的高速多通道數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)方案有兩種：

（1）以單片機(jī)MCU為控制核心，控制多通道數(shù)據(jù)采集與處理。因?yàn)閱纹瑱C(jī)本身指令周期及處理速度的影響，同時(shí)隨著程序量的增加，如果程序的健壯性不理想的話，可能會(huì)出現(xiàn)“程序跑飛”和“復(fù)位”現(xiàn)象。因此對(duì)于高速多通道數(shù)據(jù)采集，普通單片機(jī)很難滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性和同步性的要求。

（2）以FPGA作為數(shù)據(jù)采集的控制核心，實(shí)現(xiàn)多通道模擬信號(hào)的采集和處理。由于FPGA采集采樣控制、處理、緩存、傳輸控制、通訊于一個(gè)芯片內(nèi)，編程配置靈活，開發(fā)周期短，系統(tǒng)簡單，具有高集成度、體積小、低功耗、高速、I/O端口多、在線系統(tǒng)編程等優(yōu)點(diǎn)，尤其在只需要簡單數(shù)據(jù)處理的情況下，F(xiàn)PGA能夠提供比專用高速DSP更好的解決方案，并且特別適用于對(duì)時(shí)序有嚴(yán)格要求的高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

針對(duì)雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和同步性的要求，選擇第二種方案設(shè)計(jì)高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)中采取了高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9432＋高速FIFO+大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA＋FLASH存儲(chǔ)芯片的方案。根據(jù)之前相關(guān)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，此方案的可實(shí)現(xiàn)性高，系統(tǒng)可靠性大。關(guān)鍵器件的選擇目的如下：

1．高速AD轉(zhuǎn)換器的選擇

信號(hào)采集的核心是模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、保持、量化和編程四個(gè)過程采樣就是將一個(gè)連續(xù)變化的信號(hào)X（t）轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的采樣信號(hào)X（n）。

由于本系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為60MHz，分辨率要求又較高，所以積分型、順次逼近型、閃爍型無法使用本次設(shè)計(jì)，在本次設(shè)計(jì)中采用了ADI公司生產(chǎn)的AD9432模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它是單片、12位精度、采用帶有誤差校正邏輯的多級(jí)差分流水結(jié)構(gòu)的、105Msps高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)集成高性能的采樣保持放大器和參考電壓源。同時(shí)，AD9432還具有較低的功耗（850mw）和較高的信噪比（66dB）。

2．固態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)的選擇

可作為固態(tài)記錄器件的半導(dǎo)體件有多種，其中主要包括SRAM，DRAM，F(xiàn)RAM，F(xiàn)LASH等幾種器件；其中SRAM和DRAM為易失型（斷電后數(shù)據(jù)不能保持），F(xiàn)RAM和FLASH為非易失型（斷電后數(shù)據(jù)能保持）。由于DRAM和FLASH兩種器件的特速工藝結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)較高的位密度，因而得到廣泛應(yīng)用。

SRAM和DRAM均為易失型器件，需要一個(gè)后備電池提供連續(xù)的電源，同時(shí)，它們的電源功耗相當(dāng)大。在EEPROM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的閃爍（Flash）PROM，解決了上訴問題。FLASH為非易失型器件，當(dāng)斷電后，數(shù)據(jù)仍保持在FLASH存儲(chǔ)芯片中，因而不需要后備電源，同時(shí)它的功耗非常低。由于半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)芯片的密度不斷提高，容量越來越大，所以本設(shè)計(jì)采用了SAMSUNG公司生產(chǎn)的K9F1G08U0M型FLASH。

3、可編程邏輯器件的選擇

本系統(tǒng)采用了Xilinx公司生產(chǎn)的XC2S100E型FPGA。

XC2S50E是Spartan-IIE系列產(chǎn)品中的一款，它采用了1.8V的內(nèi)核電壓，系統(tǒng)性能可達(dá)到200MHz，具有50000個(gè)系統(tǒng)門，CLB數(shù)量為16×24，LC數(shù)量1728，BlockRAM容量32Kbit，擁有182個(gè)I/O。由于這款FPGA采用了低內(nèi)核電壓，這將從根本上減小芯片功耗，從而解決高速工作狀態(tài)下發(fā)熱量大的問題。同時(shí)其豐富的門陣列資料，也為復(fù)雜控制邏輯的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

3.1 ADC轉(zhuǎn)換以及控制

根據(jù)上述采樣要求，ADC轉(zhuǎn)換芯片選用ADC公司的AD9432，在使用AD9432時(shí)，本設(shè)計(jì)采取了以下方法：

1.高速采集工作中，為滿足抗干擾性強(qiáng)，傳輸數(shù)率快，電平穩(wěn)定，采用外接ECL差分芯片來提供差分時(shí)鐘；

2.為滿足對(duì)直流精度和溫度漂移的要求，采用外接基準(zhǔn)電壓源的形式；

3.為滿足對(duì)信號(hào)輸入抗電磁干擾及信號(hào)放大采樣輸入端前加變壓器；

4.從圖2中可以看出，由于AD9432采用多級(jí)差分流水結(jié)構(gòu)，其在每個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿捕獲一個(gè)采樣值，10個(gè)周期以后才可以輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，可以看出輸出管道延遲10個(gè)采樣周期，因此采樣時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)必須比采樣點(diǎn)數(shù)至少多10個(gè)才能保證采樣的正確。

由于通道數(shù)有2路，因此直接取其數(shù)字量的高12bit先分別送入高速FIFO中，再送入FPGA中，利用FPGA內(nèi)部的資源生成鎖存器進(jìn)行兩路數(shù)據(jù)的合并，這樣提高了集成度，可以減少外圍的器件數(shù)量。設(shè)定兩路鎖存器的時(shí)鐘相差1800，這樣可以實(shí)時(shí)地把輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為順次輸入的數(shù)據(jù)。

3.2 ADC控制時(shí)序說明

采集信號(hào)啟動(dòng)，開始采集數(shù)據(jù)，在60MHz頻率下工作，如圖3。

因?yàn)閮陕肥菍?duì)稱的，所以兩路控制AD是同時(shí)進(jìn)行，時(shí)序一致。由于ADC的輸出延時(shí)，啟動(dòng)ADC采集后，延遲10個(gè)fosc，送出FIFO的寫時(shí)鐘WCLK和寫使能信號(hào)/WEN，把AD采集的數(shù)據(jù)送到FIFO中。在每個(gè)fosc的上升沿檢查FIFO的/EF引腳，若/EF=‘1’，說明FIFO不空，就啟動(dòng)對(duì)FIFO的讀操作，否則，對(duì)FIFO的讀操作無效。由FPGA送出FIFO的讀時(shí)鐘信號(hào)RCLK和讀使能信號(hào)/REN，把FIFO中的12位數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)入FPGA片內(nèi)進(jìn)行乒乓FLASH數(shù)據(jù)處理。

3.3 乒乓FLASH的結(jié)構(gòu)及讀寫控制

由于需要同時(shí)輸入和不間斷輸出數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)量較大，因此選用乒乓FLASH來保證采樣和傳輸同時(shí)進(jìn)行。乒乓傳輸部分包括兩個(gè)開關(guān)控制（FPGA中實(shí)現(xiàn)）以及兩塊高速FLASH，如圖4。

部數(shù)據(jù)傳輸模塊

將在FPGA中已經(jīng)合并的數(shù)據(jù)再分為兩路，流向由鎖存器控制，當(dāng)門控信號(hào)控制FLASH1時(shí)，F(xiàn)LASH1則進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入，鎖存器1打開，鎖存器2成高阻狀態(tài)；與此同時(shí)，F(xiàn)LASH2進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出，鎖存器3成高阻狀態(tài)，鎖存器4打開。當(dāng)滿足切換的條件后，切換到FLASH2寫入而FLASH1讀出的模式，如此循環(huán)。

為了使各個(gè)通道的數(shù)據(jù)排列在同一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)、讀出時(shí)更加容易操作，我們將同一個(gè)通道的數(shù)據(jù)放在一片F(xiàn)LASH，即在1/60MHz的時(shí)間內(nèi)，寫入FLASH的地址不變，其中兩片F(xiàn)LSAH的片選信號(hào)CS交替有效，而讀出FLASH中只有一片F(xiàn)LASH的CS有效。這樣，更具FLASH的容量大小及讀取速度，在一個(gè)0.4s的時(shí)間段中，正好讀出一片F(xiàn)LASH的數(shù)據(jù)就是一個(gè)通道數(shù)據(jù)，而下一個(gè)0.4s的時(shí)間段中，正好讀出的一片F(xiàn)LASH的數(shù)據(jù)就是一個(gè)通道的數(shù)據(jù)，而下一個(gè)中讀出的就是另一個(gè)通道的數(shù)據(jù)。

4 、抗干擾硬件設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率比原有的設(shè)備提高了幾倍，達(dá)到120Mbps，此時(shí)電路板將面臨噪聲和干擾問題。本系統(tǒng)采用了一下抗干擾措施。

1．高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把系統(tǒng)的電源分成模擬和數(shù)字兩部分，把系統(tǒng)的地分成模擬地和數(shù)字地，正確使用兩者之間的單點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地，盡量用真?zhèn)€平面作為地平面。

2．在電源接入PCB板和板上每對(duì)電源和地之間加上濾波和去耦電路，能夠更好地消除有電源引起的噪聲。系統(tǒng)將數(shù)字電源和模擬電源分開供電，以免快速變換的數(shù)字信號(hào)干擾模擬信號(hào)。

3．去耦電容有兩個(gè)作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能；另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲；

4．時(shí)鐘產(chǎn)生器盡量靠近到用該時(shí)鐘的器件，時(shí)鐘線要盡量短；

5．布線的方式盡量采用菊鏈法的方式，這種結(jié)構(gòu)便于阻抗匹配；

6．印制板盡量使用45度折線而不用90度折線布線，以減小高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射與耦合；

7．任何信號(hào)都不要形成環(huán)路，如不可避免，必須讓環(huán)路區(qū)盡量??；

8．用大容量的鉭電容而不是電解電容作電路充放電能儲(chǔ)電容，而使用電解電容須在每個(gè)電容邊上加一個(gè)小的高頻旁路電容。

5、 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述方案，進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)，圖5顯示了該設(shè)計(jì)的高速采集系統(tǒng)對(duì)50Hz的正弦波形采集，并對(duì)采集后的波形實(shí)現(xiàn)了波形再現(xiàn)，該圖所顯示的波形符合采集前設(shè)定的波形，充分說明了該系統(tǒng)的可行性。

6、 結(jié)束語

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和對(duì)干擾的有效抑制，本文對(duì)這兩方面進(jìn)行了充分的考慮，接下來利用FPGA組織方式靈活的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)滿足同步實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求，因此，本文所介紹的是一種不失一般性的數(shù)據(jù)采集解決方案。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：1.以AD9432為核心的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最高采樣率能達(dá)到60MB/S；

2.利用FPGA編程設(shè)計(jì)乒乓FLASH結(jié)構(gòu)；

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