一種新型高速數據采集系統的設計與實(shí)現

摘要： 介紹了一種基于USB2.0接口的高速數據采集系統的設計。該采集系統能夠將雷達接收機送來(lái)的信號進(jìn)行高速的采集，然后通過(guò)USB接口，將采集到的數據送到計算機，經(jīng)由上層軟件對數據進(jìn)行處理分析。

關(guān)鍵詞： USB2.0；FPGA；高速數據采集；雷達接收機

引言

　　在雷達接收機的測試和維護中，經(jīng)常需要對數據進(jìn)行采集，然后將采集到的數據送入計算機進(jìn)行分析處理。鑒于對數據實(shí)時(shí)采集的需求，對采集系統提出三方面的要求：第一，接口簡(jiǎn)單靈活且有較高的數據傳輸率；第二，采集的數據能夠快速處理并能方便提取原始數據；第三，數據采集裝置具備多路數據采集能力。對于一些特殊應用，甚至需要整個(gè)數據采集系統能夠方便攜帶。

　　傳統的數據采集系統大多通過(guò)PCI總線(xiàn)完成數據的傳輸，但PCI總線(xiàn)存在嚴重缺陷：受限于計算機插槽數量和中斷資源；不便于連接與安裝；易受機箱內電磁環(huán)境的影響。這些問(wèn)題遏制了基于PCI總線(xiàn)的數據采集系統的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應用。因此，需要一種更為簡(jiǎn)便通用的方式來(lái)完成采集系統和計算機的數據的交互。

　　考慮到現代計算機上大都配備了USB接口，且USB支持即插即用，安裝方便，易于擴展，USB2.0能夠達到480Mb/s的理論傳輸速度，非常適合在高速數據采集系統中應用。因此，通過(guò)USB接口來(lái)完成數據傳輸是一個(gè)很好的替代方案。出于上述考慮，筆者設計了一個(gè)基于USB2.0接口的高速數據采集系統，通過(guò)實(shí)際測試，該系統可以很好的完成數據采集的功能。

數據采集系統電路設計

　　高速數據采集系統框圖如圖1所示。系統整體的設計思路如下：計算機將采集指令(包括數據格式，數據長(cháng)度，FPGA控制指令等)送給USB控制芯片，USB控制芯片通過(guò)固件程序對指令進(jìn)行簡(jiǎn)單的格式判定，然后將判定后正確的指令送給FPGA，FPGA對指令進(jìn)行譯碼，獲得需要采集的數據的長(cháng)度，以及采集的地址和控制信號，控制RAM來(lái)完成數據的采集存儲。雷達接收機送過(guò)來(lái)的數據和時(shí)鐘信號經(jīng)過(guò)長(cháng)線(xiàn)接收器組以后，由差分信號變?yōu)槠胀ǖ臄底中盘?，時(shí)鐘信號送入FPGA，經(jīng)過(guò)處理后，用來(lái)控制數據的采集時(shí)刻，數據先存入RAM，待完成所需數目的采集以后，再通過(guò)USB控制芯片送給計算機，完成數據的后期處理和顯示。

圖1  高速數據采集系統框圖

　　圖2為FPGA與USB控制芯片的連接圖，電路中FPGA選用EP1C3T144C8，USB控制芯片選用Cypress 公司的CY7C68013。USB_Ready 為USB芯片狀態(tài)標志，低電平有效；FPGA_Ready為FPGA芯片狀態(tài)標志，低電平有效；USB_Clk為USB向FPGA傳送指令的指令時(shí)鐘，USB_Data 為USB傳送給FPGA的控制指令；FD[15:0]為USB 與FPGA交互的數據。

圖2  FPGA與USB控制芯片的電路連接圖

　　FPGA與USB芯片之間的通信流程如下：
　　
　　1、FPGA發(fā)送FPGA_Ready信號給USB控制芯片，表示FPGA準備好；

　　2、USB控制芯片發(fā)送USB_Ready信號給FPGA，表示在USB_Ready為低電平期間將有控制指令傳送；

　　3、USB控制芯片由Send_CLK發(fā)送時(shí)鐘信號，同時(shí)由Send_DATA發(fā)送控制指令給FPGA，控制指令在時(shí)鐘信號上升沿有效；

　　4、FPGA收到控制指令，執行相應動(dòng)作。FPGA發(fā)送各種控制時(shí)序信號和RAM地址，把I路、Q路數據存在RAM里，而后將數據讀到FPGA，再通過(guò)FD[15：0]以字的形式傳給USB控制芯片的從屬FIFO端點(diǎn)EP8緩沖區，由PC機讀取。

數據采集系統軟件設計

　　系統軟件主要分為FPGA 模塊設計程序，USB 固件程序，以及上層應用軟件程序。

　　FPGA模塊編程

　　系統采用Altera 公司的Cyclone系列的FPGA芯片，采用Verilog HDL 作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Quartus II 5.0。

　　在系統的FPGA軟件設計過(guò)程中，根據功能的需要，將整個(gè)系統分為了三個(gè)大的模塊來(lái)設計，分別為：時(shí)鐘、控制指令輸出模塊，數據采集、存儲模塊，USB數據傳輸模塊。時(shí)鐘、控制指令輸出模塊對輸入的時(shí)鐘進(jìn)行整形，形成數據采集時(shí)鐘，同時(shí)，輸出22位控制電平信號；數據采集、存儲模塊對輸入的數據進(jìn)行采集并存儲在存儲器里；USB數據傳輸模塊讀取存儲器里的數據并把數據輸出至USB的FIFO里。