具有PCI和并行接口的數據采集系統設計

1 引言

隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數據采集系統也迅速地得到應用。在生產(chǎn)過(guò)程中，應用這一系統可對生產(chǎn)現場(chǎng)的工藝參數進(jìn)行采集、監視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。典型數據采集系統的構成是由A/D+DSP+FPGA(CPLD)+D/A。本文通過(guò)利用模數轉換芯片AD6644，以及FPGA實(shí)現了可用于兩種接口(PCI、并行接口)傳輸模式下的高精度數據采集系統。

2 硬件電路設計

2.1 系統設計方案

本數據采集系統主要由模擬部分，數字部分和接口部分三大板塊組成，如下圖1所示。其中模擬部分主要包含模擬中頻信號預處理模塊和模數轉換模塊；數字部分除時(shí)鐘產(chǎn)生電路外，其余部分完全在FPGA中設計完成；接口部分包含PCI總線(xiàn)接口、DB25并行接口以及SignalTapII邏輯分析儀調試接口。

本系統的設計思路就是：首先通過(guò)模擬中頻信號預處理模塊，將調整后的模擬信號輸入給A/D轉換器，然后經(jīng)模數轉換之后將16bit數字信號(AD6644輸出14bit，再加上2個(gè)校驗位)直接輸出給FPGA進(jìn)行存儲。在FPGA中設計了高速緩沖器DCFIFO和高速存儲器DPRAM以及一系列時(shí)序控制邏輯，以保證在預定容量下能夠實(shí)時(shí)的存儲由ADC發(fā)送過(guò)來(lái)的數據。同時(shí)，在FPGA中還設計了2種數據傳輸接口，從而使得系統可以在我們選擇的模式下進(jìn)行數據傳輸，或通過(guò)并行接口，或通過(guò)PCI總線(xiàn)接口。

圖1 系統總體框圖

2.2 模擬中頻信號預處理模塊

首先，將該輸入信號通過(guò)兩級放大器，目的是為了使模擬輸入信號幅度達到AD6644輸入幅度的要求和對模擬輸入信號進(jìn)行很好的隔離。這里選用AD9618來(lái)實(shí)現對模擬信號的放大功能。AD9618的單位增益帶寬和壓擺率的指標均較高，能起到對模擬輸入信號放大和改善性能的作用。電路圖如圖2所示。

圖2 兩級AD9618放大器原理圖

其次，將經(jīng)過(guò)放大處理后的單端信號通過(guò)AD8138，轉換為差分信號后輸出給AD6644。這么做是因為作為新型的高轉換速度、大動(dòng)態(tài)范圍的ADC，為保證其性能，AD6644的模擬輸入信號要求差分形式。在模擬信號階段使用差分形式，可以有效地濾除偶次諧波分量，同時(shí)對其它共模雜散信號(如由電源和地引入的噪聲)及對晶振的反饋信號也有很好的抑制作用。如下圖3，使用AD8138對模擬信號進(jìn)行調整。單端模擬信號(AD9618_out)由AD8138轉換為差分模擬信號(AIN、nAIN)，增益為1，然后送AD6644實(shí)現模數轉換。AD8138的直流偏壓V_REF由AD6644的精密參考源提供。采用差分輸入比單端輸入大約可以提高信噪比3dB。

2.3 FPGA配置與模數轉換模塊

FPGA部分是本系統的核心模塊，承載了所有的數字電路部分。在設計過(guò)程中，強調SOC(片上系統)的概念，在FPGA平臺上實(shí)現了系統中所需要的所有數字邏輯，包括觸發(fā)器、存儲器，緩沖器，PLL(鎖相環(huán))，計數器，譯碼器，多路選擇器，DB25接口邏輯，PCI接口邏輯等。從而使得系統中的數字部分處于完全可編程可調狀態(tài)，只需根據需求更新FPGA程序即可，具有較強的適應性和靈活性?；谏鲜鏊悸?，我們選擇了Altera公司的Cyclone系列FPGA――EP1C6Q240C8。

圖3 AD8138+AD6644連接原理圖

在本系統中，使用了2種配置方式，即AS方式和JTAG方式。這2種配置方式可以共同使用，只需在板子上放置2套接線(xiàn)柱即可，下載電纜采用ByteBlaster II。首先使用JTAG方式配合Quartus II工具中自帶的在線(xiàn)邏輯分析儀SignalTap II對FPGA功能及時(shí)序進(jìn)行調試，成功后再使用AS+EPCS4方式將程序下載到配置芯片EPCS4中，使得每次系統上電后，都能對FPGA自動(dòng)加載程序。另外要注意，使用這種配置方式時(shí)，如果讓JTAG和AS模式同時(shí)開(kāi)始加載，則JTAG模式會(huì )自動(dòng)取得優(yōu)先權進(jìn)行程序加載，而AS模式則會(huì )自動(dòng)終止。