作者：哈爾濱理工大學(xué) 童子權(quán) 高樹東

數(shù)據(jù)采集是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的主要功能之一，而在一些應(yīng)用領(lǐng)域，比如超聲、醫(yī)療電子中，信號(hào)的頻率范圍不同會(huì)要求采樣率的不同。有時(shí)，為了配合信號(hào)處理算法，甚至要求采樣率在一定范圍內(nèi)隨意設(shè)定。而且，這些應(yīng)用通常要求多個(gè)通道并行采集，甚至是差分單端方式可選擇的輸入。針對(duì)這些要求，我們提出了一種最多可達(dá)12通道的同步并行多通道數(shù)據(jù)采集方案。該方案能實(shí)現(xiàn)的最高采樣率為10MS/s，存儲(chǔ)深度2×32M×16bit（2個(gè)SDRAM），垂直分辨率14bit，可編程增益為1、2、5、10、100五個(gè)等級(jí)。

設(shè)計(jì)方案的確定
硬件電路主要包括信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)輸入方式選擇電路、程控增益電路、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、觸發(fā)控制以及PCI接口幾個(gè)部分。8個(gè)通道輸入的模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后，進(jìn)行單端變差分的轉(zhuǎn)換（前端也可以是直接輸入的8路差分信號(hào)），由多路開關(guān)選擇輸入方式后，再通過兩級(jí)可選擇增益放大器進(jìn)行增益控制，最后進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。而邏輯控制單元在接收到采集命令后，會(huì)根據(jù)相應(yīng)的觸發(fā)方式啟動(dòng)ADC進(jìn)行采樣，再將采樣得到的數(shù)據(jù)通過FPGA內(nèi)部串并轉(zhuǎn)換邏輯和數(shù)據(jù)輸出仲裁邏輯存儲(chǔ)到SDRAM中準(zhǔn)備上傳。本設(shè)計(jì)的采集極限指標(biāo)是8個(gè)通道同時(shí)同步采集，最大采樣速率是單通道10MS/s，連續(xù)采樣存儲(chǔ)時(shí)間最大可以達(dá)到3.2s。上位機(jī)通過32位的數(shù)據(jù)總線采用查詢、中斷或者DMA方式將采集的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理和分析。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。



圖1 系統(tǒng)原理框圖



圖2 信號(hào)輸入方式選擇電路

信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)中，信號(hào)調(diào)理電路包括輸入方式選擇電路和增益選擇電路。此部分中，高輸入阻抗、低輸出阻抗的普通運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器會(huì)對(duì)前后電路進(jìn)行隔離，避免后級(jí)多路開關(guān)的導(dǎo)通阻抗影響前級(jí)電路。輸入端加兩個(gè)二極管，提供±15V的鉗位電壓，形成過壓保護(hù)。多路開關(guān)選擇DG409，它是4通道差分多路開關(guān)，具有較低的導(dǎo)通阻抗和低功耗和低泄漏電流。信號(hào)的輸入方式有四種：0輸入、單端正極輸入、單端負(fù)極輸入和差分輸入，通過DG409正好可以選擇這四種輸入方式，電路如圖2所示。


選擇一種輸入方式后，經(jīng)過兩級(jí)可編程增益儀表放大器AD8250，可以實(shí)現(xiàn)增益值可選1、2、5、10、100五個(gè)等級(jí)。AD8250有兩個(gè)增益控制端A0、A1，寫這個(gè)兩個(gè)位，能選擇增益值，并通過W/R鎖存狀態(tài)值，從而保證該增益的穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)通過在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)串行傳輸邏輯，將數(shù)據(jù)寫入CPLD，然后控制選擇信號(hào)的輸入方式和寫AD8250增益控制位。增益選擇電路如圖3所示。



圖3 增益選擇電路

數(shù)據(jù)采集與控制電路設(shè)計(jì)
A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，對(duì)A/D器件的選擇往往影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)8通道并行同步采樣可以采用兩種方案。一是采用8個(gè)獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器，這樣不僅成本比較高，而且難以實(shí)現(xiàn)8通道同步采樣，繪制PCB板的時(shí)候也有很大的困難。第二種方式就是本設(shè)計(jì)的方法，采用一個(gè)AD9252來滿足最多8個(gè)通道的并行同步采樣要求。本設(shè)計(jì)通過NIOSII軟核處理器向AD9252發(fā)送控制字，以實(shí)現(xiàn)8通道并行同步采樣。首先，輸出14bit的LVDS信號(hào)到FPGA，經(jīng)由串并轉(zhuǎn)換邏輯輸出14bit并行數(shù)據(jù)，再通過仲裁邏輯實(shí)現(xiàn)不同通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的不同，最后通過兩片SDRAM的乒乓操作實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)采集和傳輸。


本設(shè)計(jì)數(shù)字控制部分由FPGA和外擴(kuò)的CPLD共同合作完成。由于設(shè)計(jì)需要大量的引腳資源，而FPGA的引腳資源有限，所以在FPGA外部通過SPI總線接口外接一片CPLD，從而控制8個(gè)通道的輸入方式選擇和增益選擇。FPGA內(nèi)部嵌入一個(gè)NIOSII軟核，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和輸入方式以及增益的選擇控制。下面詳細(xì)分析一下這三個(gè)數(shù)字控制電路的實(shí)現(xiàn)方法。


1信號(hào)輸入方式和增益選擇控制邏輯的實(shí)現(xiàn)
FPGA和CPLD之間通過串行總線通信。通過在FPGA內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)8bit地址總線，8bit數(shù)據(jù)線的RAM塊，用來存儲(chǔ)輸入方式和增益選擇控制數(shù)據(jù)。8bit地址線的前三位用來控制通道號(hào)，后五位控制所在通道的20種選擇狀態(tài)（4種輸入方式，5種增益選擇）。8bit數(shù)據(jù)的前兩位是輸入方式的選擇碼，后六位是增益選擇碼。在FPGA內(nèi)構(gòu)建一個(gè)地址計(jì)數(shù)器來進(jìn)行通道的選擇數(shù)據(jù)提取，該計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率是SPI控制器時(shí)鐘的32倍。

在CPLD中構(gòu)建一個(gè)48bit的串并轉(zhuǎn)換邏輯，把輸入方式選擇碼和增益選擇碼送到相應(yīng)的引腳，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸入方式和增益選擇控制邏輯的實(shí)現(xiàn)。
2數(shù)據(jù)采集和傳輸控制邏輯的實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)邏輯如下：
● 讀取ADC串行LVDS數(shù)據(jù)流，然后通過串并轉(zhuǎn)換邏輯把串行數(shù)據(jù)流變成并行數(shù)據(jù)流；
● 內(nèi)部設(shè)計(jì)SDRAM的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，通過內(nèi)部的仲裁邏輯實(shí)現(xiàn)不同通道的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按照一定的時(shí)序存儲(chǔ)在SDRAM中；
● 判斷第一個(gè)SDRAM已經(jīng)滿后，通過片選切換邏輯把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在第二個(gè)存儲(chǔ)器中，同時(shí)通過DMA方式把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。



圖4 控制邏輯框圖


圖4是FPGA內(nèi)部控制邏輯框圖。


3 PCI接口電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用PCI總線作為數(shù)據(jù)總線連接采集模塊和上位機(jī)進(jìn)行通信，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理和歷史顯示等功能。


由于設(shè)計(jì)中的采集模塊需要工作在連續(xù)采集系統(tǒng)中，所以當(dāng)存儲(chǔ)器存滿之后，需要快速輸出通道將數(shù)據(jù)通過PCI接口傳輸出去。本設(shè)計(jì)采用DMA的方式傳輸數(shù)據(jù)，這樣做既可以不占用CPU資源，又能實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸。我們選用了使用比較穩(wěn)定的專用PCI接口芯片PCI9054作為總線控制器和上位機(jī)通信。該芯片符合PCI2.2總線規(guī)范，支持低成本從屬適配器PCI時(shí)鐘為0～33MHz，理論的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)132Mb/s，實(shí)際速率為60Mb/s。



圖5 PCI接口電路


本設(shè)計(jì)中，PCI9054被配置為從模式，用FPGA作為主控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸控制。PCI9054有三種總線操作模式：M模式、C模式和J模式。M模式主要是配合MPC850/MPC860處理器使用的，主要用在電信領(lǐng)域。J模式用來滿足接口設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的情況，C模式主要為通用模式。本設(shè)計(jì)采用C模式，接口電路如圖5所示。


FPGA按照PCI9054的讀寫時(shí)序設(shè)計(jì)讀寫控制邏輯，接收上位機(jī)傳來的命令，對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置后，啟動(dòng)ADC采集數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)送到SDRAM中；當(dāng)一個(gè)SDRAM滿后產(chǎn)生一次中斷，將已經(jīng)滿SDRAM的地址線映射到PCI9054的本地?cái)?shù)據(jù)線上，同時(shí)通過本地主控方式配置PCI9054的DMA控制器，通過DMA方式將SDRAM中準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)上傳。本設(shè)計(jì)使用了14位的本地?cái)?shù)據(jù)總線和24位地址總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和地址譯碼控制。

結(jié)語
通過充分考慮設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的各種影響信號(hào)質(zhì)量的因素，設(shè)計(jì)了過壓保護(hù)電路。通過選用合適的元件減少了電路板設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，以及成本的最優(yōu)化。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，模塊很好地達(dá)到了本文所提及的技術(shù)指標(biāo)，具有很高的實(shí)用性。