基于PCI Express接口的數據 采集存儲系統設計

TTL引腳S_DATA為配置串行移位寄存器的輸入端，串行寄存器可在每一個(gè)S_CLOCK信號的上升沿對S_DATA信號進(jìn)行取值。另有一配置鎖存器可在S_LOAD信號為高電平時(shí)鎖存串行移位寄存器的內容。這樣，通過(guò)設置S_DATA信號的值(即T2…T0，N1，N0，M8…M0的數值)以及三信號線(xiàn)的時(shí)序，便可控制SY89429AZC時(shí)鐘芯片輸出精確的采樣時(shí)鐘。
2．2 FPGA邏輯控制
邏輯控制模塊要實(shí)現的主要功能是解析上位機控制信息并發(fā)送控制命令，同時(shí)要程控采樣時(shí)鐘頻率，還要對采集數據流進(jìn)行處理和傳輸。其中數據流邏輯控制模塊中的功能組成直接關(guān)系到高速采集信號能否實(shí)時(shí)可靠的傳輸。圖3所示為數據流的邏輯控制結構框圖。

本設計選用Cyclone II系列芯片EP2C5Q208。此芯片為208腳PQFP封裝，用戶(hù)可用I／O資源高達158個(gè)，差分通道數為58個(gè)，其內部邏輯資源、M4K存儲資源、內部PLL數量完全能夠滿(mǎn)足本系統設計的需要。
由于A(yíng)D轉換芯片AD94301的采樣精度為12位，而PEX8311接口芯片可支持8位、16位、32位數據位。因此，為了更加有效的提高數據傳輸的效率，同時(shí)也為了使數據采集速率獲得相對提升，設計中的PEX8311采用32位數據位模式進(jìn)行數據傳輸。這樣，在本方案的FPGA數據流邏輯控制中，不僅要進(jìn)行數據的緩存以及數據傳輸邏輯的控制，還要進(jìn)行數據位的變換擴展，即由12位數據擴展為32位數據。為了實(shí)現數據位由12位到32位的轉換，應先把解串后的12位采樣數據進(jìn)行數據分流模塊，以把12位數據交替存儲到兩個(gè)FIFO中緩存。圖4所示是經(jīng)數據分流模塊交替產(chǎn)生12位數據的仿真示意圖。
高速數據采集系統中的數據傳輸速率與A／D轉換器的采集速度很難保持一致。為了協(xié)調數據采集與數據傳輸之間的速度差異，一般都在兩者之間加入數據緩存器進(jìn)行緩沖，使前端的數據采集與數據傳輸可以異步工作。通常的做法是在A(yíng)／D轉換后將數據送至外置的FIFO或雙口RAM中進(jìn)行緩存。但這樣無(wú)疑會(huì )增加布線(xiàn)密度，同時(shí)降低數據傳輸的可靠性。EP2C5Q208 Cyclone II系列FPGA提供了多達26塊的M4K RAM，而且PCI Ex-press總線(xiàn)的傳輸速率也大于數據采集速率，所以，可在FPGA內部設置FIFO空間來(lái)實(shí)現對數據的緩存。這樣，從FIFO讀出的兩組12位數據經(jīng)過(guò)符號位擴展模塊后，即可擴展變換為32位數據并由FPGA并行輸出到PCI Express接口模塊。
2．3 PCI Express接口控制
由于數據采集速率隨著(zhù)芯片技術(shù)的進(jìn)步而不斷提高，而大量的數據必須傳輸至主機進(jìn)行處理。這些傳輸都由那些將設備連接到主機內存的數據總線(xiàn)完成。因此，數據總線(xiàn)傳輸的速率常常成為整個(gè)數據采集系統的瓶頸，這也是許多儀器帶有昂貴板載內存的主要原因之一。而PCI Ex-press的出現，可使測量設備至主機內存的數據傳輸速率達到一個(gè)前所未有的高度。
PCI Express又稱(chēng)3GIO，即第三代輸入／輸出接口的意思。串行數據傳輸可使數據傳輸速率達到驚人的2．5 Gbps (PCI Express 1．0規范)，且采用全雙工數據傳輸，并可擴展為×1、×4、×8、×16通道模式。
以PCI Express×1來(lái)計算，扣除數據校驗冗余8 bit＼10 bit，有效數據傳輸率可以達到200 Mbyte，理論上可以提供100 MHz采樣速率和雙字節以?xún)鹊牟蓸泳鹊膫鬏攷挕?br /> 目前，實(shí)現PCI Express總線(xiàn)接口控制的方法有兩種：一種是采用FPGA／CPLD來(lái)實(shí)現。目前，Altera等專(zhuān)業(yè)FPGA公司都提供了多種PCI Express總線(xiàn)接口實(shí)現方案，并提供了相應的MegaCore。但是這種方案設計難度大，調試困難；另一種是采用專(zhuān)用接口芯片，如利用PLX公司的PEX8311來(lái)實(shí)現局部總線(xiàn)與PCI Express總線(xiàn)的連接。目前，無(wú)論從技術(shù)還是成本來(lái)看，第二種方案都是比較理想的選擇。
PEX8311芯片符合PCI Express 1．0基本規范，它支持主模式、從模式以及DMA三種數據傳輸方式。PEX8311芯片的主要特性如下：
◇集成有單通道、全雙工2．5 Gbit／s傳輸的PCI Express端口；
◇可配置局部總線(xiàn)寬度，支持8位、16位和32位的總線(xiàn)方式；
◇支持數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)獨立和復用總線(xiàn)操作模式；
◇雙通道高性能的DMA數據傳輸可支持數據塊模式、分散／集中模式、硬連線(xiàn)數據傳輸模式和命令模式；
◇支持PCI Express規范中的端點(diǎn)和根復合體模式；
◇芯片小型封裝，適合緊湊的電路板設計。
本方案中主要使用DMA方式中的命令模式。在命令模式下，可以通過(guò)一對硬連線(xiàn)“DREQ”和“DACK”來(lái)控制傳輸，每一個(gè)DMA通道都有一對這樣的信號。當FIFO在被寫(xiě)滿(mǎn)或讀空時(shí)，命令模式將暫停操作。而當FIFO狀態(tài)改變以后，又可繼續行進(jìn)數據傳輸。