高速PCI信號采集卡設計與實(shí)現綜合實(shí)例之：設計需求分析與功能定義

13.1設計需求分析與功能定義

為了更好地分析信號采集系統的設計需求，獲得正確的系統功能定義，首先來(lái)分析信號及信號采集系統的基本構成。

13.1.1信號與信號采集系統

信號一般可以分為模擬信號和數字信號，在信號采集中常常稱(chēng)為模擬量和數字量。根據信號存在形式的差異，又可以將模擬信號分為直流信號、時(shí)域信號和頻域信號，將數字信號分為開(kāi)關(guān)信號和脈沖序列。

信號采集系統是將目標信號進(jìn)行采集、處理并存儲，形成計算機可以處理的數據格式，并最終進(jìn)行各種形式輸出的系統。典型的信號采集系統主要包含3個(gè)部分，即信號輸入單元、信號處理單元和信號輸出單元。

如圖13.1所示為典型的信號采集系統的框圖。

1．信號輸入單元

信號輸入單元是接收信號源并將信號進(jìn)行初步處理，形成數字信號的單元。對于模擬信號，一般需要進(jìn)行信號調理及A/D轉換。對于數字信號，一般進(jìn)行數據寬度、時(shí)鐘域變換等處理。

2．信號處理單元

信號處理單元是將信號輸入單元輸出的數字信號進(jìn)行一系列處理的單元。一般使用CPLD/FPGA、DSP或者ASIC等單元進(jìn)行信號處理。根據信號形式的不同，信號處理需要完成的工作也大不相同。

圖13.1典型信號采集系統框圖

3．信號輸出單元

信號輸出單元是將信號處理單元處理后的信號通過(guò)各種接口輸出。一般可以通過(guò)USB、網(wǎng)絡(luò )、ISA或者PCI總線(xiàn)等接口輸出處理后的信號。

4．其他單元

此外，為了滿(mǎn)足系統穩定運行，一個(gè)信號采集系統往往還包含數據緩沖區、時(shí)鐘以及電源等相關(guān)的系統。

13.1.2設計需求分析

更快、更準確地獲取及處理盡量多的數據是信號采集系統一直追求的目標。隨著(zhù)傳感器技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，高速傳輸和實(shí)時(shí)處理成為信號采集系統面臨的新課題，也對典型信號采集系統的3個(gè)組成部分提出了更高的要求。

1．信號采集系統面臨的新課題

高速傳輸主要影響的是信號輸入和輸出單元。對于數字信號，就是更高的輸入頻率和更多的輸入通道數，對于模擬信號來(lái)說(shuō)則意味著(zhù)更高的分辨率，更高的采樣頻率以及更高的精度。同時(shí)高速傳輸還要求信號采集系統具有持續的以及突發(fā)的數據輸出能力。

實(shí)時(shí)處理主要影響的是信號處理單元。它要求信號采集系統能夠具備一定的數字信號快速處理能力，以便實(shí)時(shí)地為不同的輸出接口提供合適的數據格式。由于實(shí)時(shí)處理是信號采集過(guò)程的一個(gè)中間環(huán)節，因此實(shí)時(shí)處理的延遲不能造成信號采集的中斷，這也對信號處理單元提出了更高的要求。

2．本系統設計需求分析

在本案例中，信號采集系統需要采集的信號是數字信號。在高速信號傳輸中數字信號又常常以差分的形式存在，如LVDS。因此，本案例信號采集系統的信號輸入單元應能夠支持單端的LVTTL電平信號以及差分的LVDS信號。

隨著(zhù)PC機性能的不斷提高，原來(lái)許多需要服務(wù)器甚至工作站才能完成的工作現在只需要一臺簡(jiǎn)單的PC機就能夠很快實(shí)現。因此，基于PC機的信號采集系統是本案例的另一個(gè)需求，也就是說(shuō)信號采集系統的信號輸出單元是基于PC機的。

另外，針對不同的應用場(chǎng)合，面對不同的信號形式，更多的用戶(hù)希望信號采集系統變成更加通用的系統，而不只是針對某種信號的專(zhuān)用采集系統。因此，具備二次開(kāi)發(fā)即可編程能力的信號處理單元同樣是本信號采集系統的一個(gè)需求。

13.1.3選型及功能定義

本案例選擇基于FPGA、PCI總線(xiàn)及LVDS接口的設計，能夠滿(mǎn)足高速采集及實(shí)時(shí)處理的要求。

1．信號處理單元選型

首先，選用AlteraCyclone系列FPGA綜合考慮了邏輯、存儲器、鎖相環(huán)(PLL)和高級I/O接口，是價(jià)格敏感應用的最佳選擇。

在本案例中選用的CycloneEP1C6Q240是Cyclone系列FPGA的中級產(chǎn)品。具有5980個(gè)邏輯單元，內嵌20個(gè)M4KRAM塊（128*36bit），具有2個(gè)PLL，最大支持185個(gè)用戶(hù)I/O管腳資源。

2．信號輸入輸出單元選型

其次，PCI總線(xiàn)是滿(mǎn)足工業(yè)標準的應用最為廣泛的擴展標準之一。它是一種具有多路地址線(xiàn)和數據線(xiàn)的高性能的32/64位總線(xiàn)，是PC機中必備的總線(xiàn)結構。

PLXTech公司提供的PCI9054器件是一種支持32bit/33MHzPCI總線(xiàn)橋芯片。它符合PCI本地總線(xiàn)規范2.2版，突發(fā)傳輸速率達到132MB/s，本地總線(xiàn)支持復用/非復用的32位地址/數據，支持主模式、從模式以及DMA傳輸方式。

同時(shí)，為了實(shí)現信號采集系統對LVDS信號的支持，選用DS90LV048/DS90LV047作為L(cháng)VDS信號接收/驅動(dòng)器。它們均具有4路LVDS差分接收/驅動(dòng)功能，支持高達400Mbit/s（200MHz）的轉換速率。通過(guò)它們可以實(shí)現LVDS信號與FPGA支持的CMOS/LVTTL信號進(jìn)行轉換。

3．其他單元選型

另外，為了滿(mǎn)足PCI總線(xiàn)的DMA傳輸特性，需要在信號采集系統中加入一定量的緩沖區。采集的信號速率越高，需要的緩沖區容量越大，以保證不丟失數據。在本案例中，選用了Micron公司提供的MT48LC2M32SDRAM作為緩沖區。它是一款64Mb（512K*32*4banks）全同步SDRAM。

至此，一個(gè)基于PCI總線(xiàn)，支持高速LVDS/LVTTL信號采集，具有實(shí)時(shí)處理能力，可現場(chǎng)編程的信號采集系統完成選型。