具有PCI和并行接口的数据采集系统设计

发布者:点亮未来最新更新时间:2011-11-05 关键字:PCI  并行接口  数据采集系统 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章
  引言

  随着计算机技术的飞速发展和普及,数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中,应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录,为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。典型数据采集系统的构成是由A/D+DSP+FPGA(CPLD)+D/A。本文通过利用模数转换芯片AD6644,以及FPGA实现了可用于两种接口(PCI、并行接口)传输模式下的高精度数据采集系统。

  2 硬件电路设计

  2.1 系统设计方案

  本数据采集系统主要由模拟部分,数字部分和接口部分三大板块组成,如下图1所示。其中模拟部分主要包含模拟中频信号预处理模块和模数转换模块;数字部分除时钟产生电路外,其余部分完全在FPGA中设计完成;接口部分包含PCI总线接口、DB25并行接口以及SignalTapII逻辑分析仪调试接口。

  本系统的设计思路就是:首先通过模拟中频信号预处理模块,将调整后的模拟信号输入给A/D转换器,然后经模数转换之后将16bit数字信号(AD6644输出14bit,再加上2个校验位)直接输出给FPGA进行存储。在FPGA中设计了高速缓冲器DCFIFO和高速存储器DPRAM以及一系列时序控制逻辑,以保证在预定容量下能够实时的存储由ADC发送过来的数据。同时,在FPGA中还设计了2种数据传输接口,从而使得系统可以在我们选择的模式下进行数据传输,或通过并行接口,或通过PCI总线接口。


  图1 系统总体框图

  2.2 模拟中频信号预处理模块

  首先,将该输入信号通过两级放大器,目的是为了使模拟输入信号幅度达到AD6644输入幅度的要求和对模拟输入信号进行很好的隔离。这里选用AD9618来实现对模拟信号的放大功能。AD9618的单位增益带宽和压摆率的指标均较高,能起到对模拟输入信号放大和改善性能的作用。电路图如图2所示。


  图2 两级AD9618放大器原理图

  其次,将经过放大处理后的单端信号通过AD8138,转换为差分信号后输出给AD6644。这么做是因为作为新型的高转换速度、大动态范围的ADC,为保证其性能,AD6644的模拟输入信号要求差分形式。在模拟信号阶段使用差分形式,可以有效地滤除偶次谐波分量,同时对其它共模杂散信号(如由电源和地引入的噪声)及对晶振的反馈信号也有很好的抑制作用。如下图3,使用AD8138对模拟信号进行调整。单端模拟信号(AD9618_out)由AD8138转换为差分模拟信号(AIN、nAIN),增益为1,然后送AD6644实现模数转换。AD8138的直流偏压VREF由AD6644的精密参考源提供。采用差分输入比单端输入大约可以提高信噪比3dB。

  2.3 FPGA配置与模数转换模块

  FPGA部分是本系统的核心模块,承载了所有的数字电路部分。在设计过程中,强调SOC(片上系统)的概念,在FPGA平台上实现了系统中所需要的所有数字逻辑,包括触发器、存储器,缓冲器,PLL(锁相环),计数器,译码器,多路选择器,DB25接口逻辑,PCI接口逻辑等。从而使得系统中的数字部分处于完全可编程可调状态,只需根据需求更新FPGA程序即可,具有较强的适应性和灵活性。基于上述思路,我们选择了Altera公司的Cyclone系列FPGA——EP1C6Q240C8。


  图3 AD8138+AD6644连接原理图

  在本系统中,使用了2种配置方式,即AS方式和JTAG方式。这2种配置方式可以共同使用,只需在板子上放置2套接线柱即可,下载电缆采用ByteBlaster II。首先使用JTAG方式配合Quartus II工具中自带的在线逻辑分析仪SignalTap II对FPGA功能及时序进行调试,成功后再使用AS+EPCS4方式将程序下载到配置芯片EPCS4中,使得每次系统上电后,都能对FPGA自动加载程序。另外要注意,使用这种配置方式时,如果让JTAG和AS模式同时开始加载,则JTAG模式会自动取得优先权进行程序加载,而AS模式则会自动终止。

  A/D转换芯片使用的是ADI公司的AD6644。AD6644是高速、高性能的14-bit65MSPS单片模数转换器,内部自带采样保持器和参考电压电路,可以提供完整的转换应用解决方案。AD6644是ADI公司Softcell接收器芯片组中的一个代表芯片,它是专门为第三代移动通信系统设计的ADC芯片,特别适用于多通道、多模式接收机应用。同其它芯片相比,由于在奈奎斯特频率范围内,AD6644的无杂散动态范围指标超过了100dB,大大增强了从输入端杂散分量中检测有用小信号的能力,使它更加适用于多模式的数字接收机。同时,AD6644的信噪比的典型值也达到了74dB。AD6644还可以应用于单通道数字接收机中,如宽通道带宽系统中,能够精确变换宽带模拟信号(200MHz输入带宽)。通过欠采样,可以将谐波成分分配到有用频带之外,配合使用数字下变频芯片可降低有用信号带宽内的噪声平台。

  2.4 时钟产生模块


  图4 双模前置分频器MC12013工作原理图

  本采集系统的时钟是通过外部晶体振荡器或者时钟信号发生器产生,然后经过前置分频后加到FPGA的专用时钟引脚输入端,并使用FPGA中的全局时钟网络布线。我们采用双模前置分频器MC12013进行前置分频。MC12013是超高速双模前置分频器,双极型发射极耦合晶体管逻辑。模数比为10/11,由模式控制电平的高低决定分频比。MC12013是ECL集成电路,最高工作频率可达550MHZ,并带有一个内部的ECL到TTL的转换电路。当变模控制端输出高电平“1”时,双模前置分频器按低模分频比M工作;当输出低电平“0”时,按高模分频比M+1工作。这里只使用除10分频功能,工作原理图如图4。

  2.5 接口部分设计

  本系统中使用了2种接口方式,即DB25并行接口和PCI总线接口。虽然2种接口的作用都是将经过模数转换模块采集后并存储到FPGA中的数据传输至PC机中,但是2者的工作过程却是不同的。

  当使用DB25并行接口传输数据时,由于并行接口传输率的限制(EPP工作模式下只能达到1MBps左右),因此当A/D转换器进行高速采样时(如AD6644工作在50MHZ下),并行接口没有能力在相同的时间里把ADC存放到FPGA中的数据完全读取出来。所以此时不能实现实时传输,只能让系统工作于存储转发的状态下,即当ADC中的采集数据将FPGA中RAM存储器写满时,停止数据采集工作,进而转向数据读取过程,待DB25将FPGA存储器中的数据完全传输至PC机之后,再重新启动ADC的数据采集过程,如此反复直到全部数据采集、存储并转发完毕。

  当使用PCI总线接口传输数据时,由于PCI接口的传输率很高(本系统中使用33MHZ*32bit的传输模式),因此即使当A/D转换器进行高速采样时,PCI接口仍然有能力在相同的时间内将ADC存放到FPGA中的数据读入到PC机中。所以此时可以在一定程度上实现实时数据采集和存储。

  3 FPGA与PC端控制软件设计

  Altera公司的FPGA产品与其它公司产品的最大区别是它采用连续式的互连结构,即采用同样长度的一些金属线实现逻辑单元间的互连。连续式互连结构消除了FPGA分段式互连结构在传输延时上的差异,在逻辑单元间提供快速、具有固定延时的通路。这种结构的优点是布线速度快且易于仿真,在实现复杂大型设计时,可以缩短开发周期。开发Altera公司的可编程逻辑器件有两种软件,QuartusII和MAX+PLUSII。本设计采用QuartusII开发软件,其提供了一种与结构无关的全集成化设计环境,使设计者能对Altera的各种产品系列方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。QuartusII开发系统具有强大的处理能力和高度的灵活性。

  在本系统中,FPGA起到的是一个控制桥梁和传输桥梁的作用,通过来自于PC主机的控制信号和传输信号,来有序的控制ADC的采样,数据的存储和传输过程。而如何决定整个系统开始工作的时间,采用何种接口的传输模式,数据在PC机中的存储方式以及如何利用采集后的数据来显示原始波形,这些任务都是由安装在PC端的控制软件所完成的。

  我们通过VB程序实现了这个控制软件。在Windows环境下,数据采集系统作为外部设备,我们将通过调用动态链接库(TVicHW32.DLL)来完成对其的读写操作。TVicHW32.DLL可以对内存、I/O端口、中断等进行直接控制和读写,这里我们使用其部分功能和函数。

  本文作者创新点:

  本文所设计的方案,就是将FPGA作为整个数据采集系统的控制核心和传输桥梁。一方面可以根据上位机的指令来完成对整个系统工作模式和状态的精确时序控制,另一方面可以通过FPGA中丰富的宏功能块资源和可嵌入的IP核资源来实现高速缓存和高速数据传输接口。

关键字:PCI  并行接口  数据采集系统 引用地址:具有PCI和并行接口的数据采集系统设计

上一篇:单线串行总线可传递相互隔离的电源和数据
下一篇:HDMI接口的ESD保护设计要点

推荐阅读最新更新时间:2024-05-02 21:41

基于PCI ExPress实时视频采集系统的设计
视频采集系统在工业领域应用广泛,随着多媒体技术的快速发展,对视频采集、处理和传输性能的要求也不断提高,如高采集速度、低功耗、抗干扰性、实时性及扩展性等。这里提出了以Virtex-5为核心,由ADV7188为视频解码器,PCIExpress为传输总线组成的集视频采集、压缩、传输于一体的多功能视频处理系统。该系统能够实现实时海量传输多路数字视频。Virtex-6支持的PCI Express的×1通道的传输率已达3.2Gb/s。 由于该系统设计体积小、功耗低且满足工况要求,可应用于公共场合、工厂和井下作业等需多点远距离监控环境较恶劣场所。 1 PCI Express总线简介 PCI Express是一种主流的串行标准,它是2002年问世
[嵌入式]
以C8051F340单片机为核心的数据采集系统设计
1引言 电子设备运行状态的稳定性直接影响到现代企业的生产, 设备发生故障后高昂的维修费以及设备停机后给企业生产带来的损失, 使得各个企业纷纷采取措施, 降低设备的故障率。通过数据采集系统准确的获取设备运行特征数据, 并对数据进行分析,判断设备的运行状态是否良好, 达到提前预防故障出现、减少停机检修的目的。实际应用中对数据采集系统的可靠性, 准确性和便携性要求很高。目前常用的数据传输网络(如RS232 /RS485, CAN 等)已经不能满足大量采集数据和高速实时数据传输的要求。而USB传输具有高速可靠传输的优势, 具有成本低、可靠性高、维护方便等优点。本文以带有片上USB 和高速AD转换器的C8051F340为核心控制器件, 利用
[单片机]
以C8051F340单片机为核心的<font color='red'>数据采集系统</font>设计
Silicon Labs推出业界最小最节能的PCI Express时钟
中国,北京 - 2013年5月23日 - 高性能模拟与混合信号IC领导厂商Silicon Labs (芯科实验室有限公司, NASDAQ: SLAB)今日宣布推出新型1路和2路输出PCI Express(PCIe)时钟发生器,该PCIe时钟发生器具有业界最小封装和最低功耗,进一步扩展其在业界领先的PCIe时钟解决方案。Si52111和Si52112时钟发生器IC完全满足PCIe Gen 1/2/3标准的严格要求,特别针对注重电路板空间、功耗和系统成本敏感型的批量消费类、嵌入式、通信和企业级应用而设计。 Silicon Labs公司Si5211x时钟发生器适用于空间受限、对功耗敏感,以及需要工业标准PCIe连接的消费类电子产品,如
[模拟电子]
双槽式PCI Express热插拔控制器提供了故障保护功能和紧凑的外形尺寸
2006 年 12 月 19 日 - 北京 - 凌力尔特公司( Linear Technology Corporation ) 推出一款用于中档网络或存储服务器以及嵌入式应用的窄体、双槽式 PCI Express 热插拔( Hot Swap TM )控制器 LTC4242 。 该器件通过免除复杂的软件接口而使应用得以简化,并提供了一种用于对位于两个插槽上的主电源( 12V 和 3.3V )和辅助电源( 3.3V AUX )进行独立控制的坚固和紧凑型解决方案。每个电源均被进行欠压和过流故障的连续监视。对 12V 电源输入提供了高达
[新品]
基于EWS的EPA蓝牙数据采集系统设计
引 言   EPA(Ethernet for Plant Automation)基于以太网(IEEE802.3)、无线局域网(IEEE802.11)和蓝牙(IEEE802.15)等信息网络COTS(Commercial-Off-The-Shelf)通信技术以及TCP(UDP)/IP协议,是一种适用于工业自动化控制系统装置与仪器仪表间,以及工业自动化仪器仪表间数据通信的工业控制网络技术。   蓝牙技术是一种线缆替代短距离无线通信技术,工业现场某些工业设备需要安装在恶劣的工业环境中,采用蓝牙技术可以避免工业现场布线遇到的问题。嵌入式Web服务器的出现满足了工业控制网络低成本远程控制的需要。本文将两者结合起来设计和开发了满足EPA工业控
[应用]
DSP的数字扫描探针显微镜的硬件解决方案
数字扫描探针显微镜(scanning probe microscope,SPM)是研究纳米的重要工具,它利用探针和样品的不同互相作用来探测表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质,它的问世对表面科学、物理学、微电子学、电子材料学、先进材料和纳米材料等研究领域技术重要的意义,与此同时,数字信号处理技术已经发展得相当成熟,DSP技术也已经广泛地应用于通信、测量、多媒体、消费电子产品等领域,由于把DSP和SPM结合在一起是SPM仪器发展的必然方向,它能使SPM性能更趋于完善,为此,本文介绍如何用TMS320C5416来实现这一设想!    SPM系统方案及其缺陷    现有的SPM系统主要基于PCI形式,该方案中,计算机通过PCI
[嵌入式]
DSP的数字扫描探针显微镜的硬件解决方案
基于PCI总线数字信号处理机的硬件设计
   引言   以INTEL公司为主推出的PCI总线规范。采用PCI总线设备所具有的配置空间以及PCI总线通过桥接电路与CPU相连的技术使PCI总线具有广泛的适应性,同时能满足高速设备的要求。   另一方面,DSP的发展也异常迅速。ADI公司于2001年发布了其高性能TigerSHARC系列DSP的新成员,采用这样系列的芯片,可研制出处理能力更强,体积更小,开发成本更低,性价比更高的信号处理机。并广泛地应用于信号处理、通信、语音、图像和军事等各个领域。 TS101S介绍   本系统采用美国ADI公司的高性能TigerSHARC 101S作为主处理器,简称TS101S。ADSP TS101S处理支持32bit和64bit浮点,
[嵌入式]
基于USB接口的探地雷达数据采集系统
   1 引 言   探地雷达( ground penetrating radar,GPR)是一种新型的电磁探测设备,它具有快速、简便的对浅层目标和结构进行无损探测的特点,也是目前分辨率、效率最高的地下目标探测设备之一,因此被广泛的应用于城建、交通、地质、考古、国防等部门。在探地雷达的应用中,能否准确、高效地采集数据是探地雷达系统实用性和可靠性的判据之一。数据采集的准确性直接关系到探测目标的准确性和雷达数据的进一步处理工作;采集数据的速度关系到系统能否实现实时显示。所以,当雷达设备将采集数据传回主机时,就需要选择一种接口来实现数据准确、高速的传输。   传统的数据采集系统的数据传输接口在低速时常采用标准串行口或并行口,高速
[嵌入式]
小广播
最新嵌入式文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved