基于FPGA核心的数字化仪模块设计

PXI总线是NI公司在计算机外设总线PCI的基础上实现的新一代仪器总线，已经成为业界开放式总线的标准，基于PXI总线的数字化仪模块是现代测 试系统中重要的一种数据记录与处理设备。设计一个双通道12 bit／250 MHz采样频率的高速数字化仪模块，以高性能FPGA器件为核心，实现对高速A／D的控制以及高速数据处理和存储，解决了长时间高速记录信号的测试难题。

　　1 系统工作原理

　　数字化仪模块主要由前端信号调理通路、模数转换电路、数据存储单元、数据采集控制电路、PXI接口电路等部分组成，其原理框图如图l所示。

　　高速模拟信号首先经过信号调理通路进行放大、衰减等处理，将幅度调整到A／D转换器允许输入的电压范围内，并转化成LVDS格式的差分信号，然后送到A／D转换器；FPGA芯片接收A／D输出的高速数据流，经过降速、抽取滤波等处理后，存储到数据存储单元SRAM中，并发出中断信号，PXI主机响应中断后经由FPGA将存储在SRAM中的数据读入主机内存，完成后续的数据处理和显示。 PXI主机通过PXI总线发送控制命令，经FPGA译码后实现对数据采集和调理通路控制。该数字化仪模块为每个通道预留了4Mb的存储容量，当组成PXI 测试系统时，可以将数据写入计算机硬盘，实现更长时间的记录。两个通道可以独立工作，也可以相互关联。采集方式可以有内触发、外触发、软件触发、通道触发等多种模式。

　　2 系统设计实现

　　2．1 模块化的FPGA设计

　　本文所设计的数字化仪是基于高性能FPGA芯片实现的，FPGA承担了绝大部分的控制和数据处理任务，是本设计的核心器件。对FPGA进行模块 化设计，是大型系统设计的常用方法。合理分割功能模块，能加快FPGA的开发，也有利于代码的移植和重复利用。在设计时将FPGA分成高速A／D接口模 块、数据降速模块、调理通路控制模块、存储接口模块、PXI接口控制模块等主要功能模块设计。FPGA内部模块划分和数据流向如图2所示。

　　A／D接口模块主要实现FPGA和高速A／D转换器的互联，以LVDS格式总线接收数据和采样时钟，该部分电路决定数据采集的稳定性，需要从硬件和软件两个方面保证；数据降速模块采用抽取滤波器将信号降低到需要的采样速率；调理通路控制模块主要实现对A／D前端电路的控制，包括耦合方式、匹配阻 抗选择、增益自动控制、偏置和触发电平控制等；PXI接口部分主要实现和PXI主机的通讯译码；存储控制模块完成对外部SRAM的控制，实现数据缓存；时 钟管理模块负责采样时钟的分频、倍频等处理。

　　2．2 高速数据采集和存储接口设计

　　高速数据采集系统的输入输出接口设计是尤为重要的，高速IC芯片的相互连接是决定数据采集系统稳定性的关键因素之一，低功耗及高的信噪比是有待解决的主要问题。通常实现高速采集系统中芯片间互联有两种接口：PECL和LVDS。正电压射极耦合逻辑PECL（Positive Emit-ter-Coupled Logic）信号的摆幅小，适合于高速数据的串行或并行连接，PECL间的连接一般采用直流耦合，输出设计为驱动50 Ω负载至（VCC -2V），连接电路如图3所示。

　　低压差分信号LVDS（Low Voltage Differential Signal）标准是一种小振幅差分信号技术，它使用非常低的幅度信号（100～450 mV）。通过一对平行的PCB走线或平衡电缆传输数据。在两条平行的差分信号线上流经的电流方向相反，噪声信号同时耦合到两条线上，而接收端只关心两信号的差值，于是噪声被抵消。由于两条信号线周围的电磁场也互相抵消，故差分信号传输比单线信号传输电磁辐射小很多，从而提高了传输效率并降低了功耗。 LVDS的输入与输出都是内部匹配的，采用直连方式即可，连接方式如图4所示。

　　本设计中。A／D转换器选用Mamix公司的MAXl215，该芯片是一款12 bit／250 Ms／s的高速A／D转换器，它具有出色的SNR和SFDR特性，使用250 MHz差分采样时钟，接收差分输入信号，输出12位LVDS格式的差分数字信号，提供差分同步时钟信号。为了提高测试精度，单端的输入信号需要转换成差分 模式后再送入A／D，增益调整及单端到差分转换电路的局部如图5所示。考虑阻抗匹配问题，在单端信号转换为差分模式时，需要在2个差分线上串联50 Ω的匹配电阻，作为LVDS信号的发送端。

　　在PCB的设计中，对差分线要进行特别处理。差分线在走线区间内的实际布线公差应控制在5 mil内；差分对内两条线之间的距离应尽可能小，以使外部干扰为共模特征；要保证每个差分对内的长度相互匹配，以减少信号扭曲；采用电源层作为差分线的信号回路，因为电源平面有最小的传输阻抗，可以有效减少噪声影响。图6所示为本设计PCB的局部。

　　本设计中FPGA作为LVDS信号的接收端，首先需要将A／D输入的LVDS差分数据和同步时钟信号转换成单信号。此处选用了xilinx公司 的VirtexⅡ-Pro系列FPGA，该系列的FPGA嵌入了高速I／O接口，能实现超高带宽的系统芯片设计，支持LVDS、LVPECL等多种差分接口，适应性很强，为高速数据接口提供了完善的解决方案。LVDS差分信号的接收可以通过例化IBUFDS_LVDS这个模块来实现，同时在程序中设置使用内部的匹配电阻，实现LVDS的阻抗匹配。差分时钟信号由全局时钟输入脚接入FPGA，然后通过调用xFPGA特有的数字时钟管理模块（DCM），将时钟转换成单信号并进行分频、移相等处理，作为后续处理的时钟信号。

　　2．3 PXI接口设计

　　PXI是PCI在仪器领域的扩展（PCI eXtensions for Instrumentation），它将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适用于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。PXI模块化仪器系统具备高速的性能，并与PCI保持兼容性，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。本设计中使用 PCI9054进行PXI接口硬件的设计，PCI9054是美国PLX公司生产的一款32位／33 MHz通用PCI总线控制器专用器件，它具有强大的功能和简单的用户接口，为PCI总线接口的开发提供了一种简便方法。

　　2．4 PXI驱动开发

　　PXI的软件要求包括支持Microsoft Windows NT和95（WIN32）这样的标准操作系统框架，要求所有仪器模块带有配置信息（configuration information）和支持标准的工业开发环境（如NI的labview、LabWindows／CVI和Microsoft的VC／C++、VB和Borland的C++等），而且符合VISA规范的设备驱动程序（WIN32 device drivers）。本设计应用KRF-Tech 公司的Windriver来编写设备驱动程序，Windriver针对PLX和AMCC的专用接口器件编写了API函数包，降低了开发难度。驱动程序的软 件流程图如图7所示，图8是本数字化仪模块软面板的界面，对数字化仪的所有控制都可以通过设置该虚拟软件界面来完成。

　　3 结束语

　　本文给出了基于PXI总线接口的高速数字化仪模块的设计实现方法，介绍了高速数据采集系统中LVDS接口、LVPECL接口电路结构及连接方式，并在所设计的数字化仪模块中得到应用。系统可以稳定的工作在250 MHz，实现高精度、长时间的数据采集和分析。该数字化仪模块已成功应用于多个PXI测试系统中，广泛应用于工业自动化、通信、科研、军事、航空航天、消费电子等多个领域。