基于DMA的并行數(shù)字信號高速采集系統(tǒng)
此類檢測口信號采集中多通路、高采樣率的特性要求瞬時大量數(shù)據(jù)的高速緩存實現(xiàn)方法。文獻[3]以硬盤為存儲介質(zhì)，采用DMA技術(shù)實現(xiàn)了接近6 MB/s的存儲速率。文獻[4]，文獻[5]，基于SoPC技術(shù)采用SDRAM作為存儲介質(zhì)，相對硬盤存儲速度有了很大的提高。但是當通道數(shù)超過SDRAM數(shù)據(jù)位數(shù)時，SoPC的處理速度就會影響數(shù)據(jù)的存儲速度，適用于多通路同步采集。本文采用讀寫速度最高的SRAM作為存儲介質(zhì)，并利用虛擬多個DMA通道的技術(shù)極大地提高了數(shù)據(jù)存儲速度，實現(xiàn)多路并行數(shù)字信號的高速同步采集。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計
采集系統(tǒng)采用了嵌入式技術(shù)達到便攜性的目的，由FPGA子系統(tǒng)和ARM子系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。
FPGA子系統(tǒng)接收ARM子系統(tǒng)的指令，完成數(shù)據(jù)的采集、緩存和發(fā)送功能。數(shù)字信號緩沖電路用于數(shù)字信號的電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動。輸入數(shù)字信號可能是TTL或CMOS電平，采用緩沖電路一方面減小對原電路的影響，另一方面將電平轉(zhuǎn)換為FPGA輸入所需的CMOS電平。FPGA子系統(tǒng)以Altera公司的EP1C12Q240C6芯片為核心，EP1C12Q240C6擁有12 060個邏輯單元以及173個用戶可使用IO，能充分滿足開發(fā)及調(diào)試中的要求。FPGA搭配SRAM采用DMA的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速緩存，選用SRAM容量為1 MB，訪問時間為10 ns，利用SRAM訪問速度快的特點，可達到200 MB/s的數(shù)據(jù)訪問速率。同時，F(xiàn)PGA還實現(xiàn)了與ARM的通信接口，完成緩存數(shù)據(jù)的打包發(fā)送功能。
ARM子系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和人機交互界面。采集到的數(shù)據(jù)可以通過ARM子系統(tǒng)以類似于邏輯分析儀的方式圖形化地呈現(xiàn)給用戶，方便用戶管理數(shù)據(jù)采集過程。
2 DMA高速數(shù)據(jù)緩存
由于ARM系統(tǒng)通信速度的限制，要想避免數(shù)據(jù)的溢出，采集的數(shù)據(jù)需要先緩存到FPGA子系統(tǒng)的SRAM中。對于62路并行數(shù)據(jù)信號進行同步采集，采集頻率為5 MHz時，數(shù)據(jù)量達310 Mb/s，因而選用了DMA的方式來高速地緩存采集數(shù)據(jù)。基于FPGA系統(tǒng)，數(shù)字信號首先在采樣時刻被存放到FPGA的寄存器中，并在2個連續(xù)采樣時刻之間的采樣間隔內(nèi)將FPGA寄存器中的數(shù)據(jù)通過多個虛擬的DMA通道存儲到SRAM中。DMA高速數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)如圖2所示。
采集系統(tǒng)選用了1片16 bit的SRAM，62路數(shù)字信號需要分為4組緩存入SRAM中，因而構(gòu)建了4個DMA通道分時與SRAM連接。由于SRAM的訪問時鐘是FPGA系統(tǒng)中的最高時鐘，所以SRAM的訪問時鐘選用了系統(tǒng)時鐘。SRAM的訪問時間為10 ns，系統(tǒng)時鐘必須低于100 MHz，才能保證每次能將數(shù)據(jù)完整正確地寫入SRAM中。本FPGA系統(tǒng)選用了50 MHz的系統(tǒng)時鐘，這樣采樣時鐘頻率最高為5 MHz，一個采樣周期內(nèi)的數(shù)據(jù)有10個系統(tǒng)時鐘周期的時間來處理。在FPGA系統(tǒng)的控制下，一個采樣周期內(nèi)的10個系統(tǒng)時鐘有1個用于等待數(shù)據(jù)寫入FPGA寄存器，4個用于向SRAM寫入數(shù)據(jù)。數(shù)字信號并行采集的數(shù)據(jù)緩存時序如圖3所示。
圖3中‘0’時刻為采樣時鐘上升沿，此時刻FPGA系統(tǒng)將并行的62路數(shù)字信號緩存入62 bit寄存器中。由于傳輸延時時間受系統(tǒng)布線和FPGA內(nèi)部布局的影響，系統(tǒng)時鐘和采樣時鐘上升沿不一定是同步的，圖中‘0’時刻到‘2’時刻之間可能有1～2個系統(tǒng)時鐘周期，這段時間內(nèi)，系統(tǒng)不動作等待采集信號可靠地寫入寄存器，這樣可以避免‘0’和‘1’時間間隔過小，采集的數(shù)據(jù)未完全寫入寄存器的情況。在之后的‘2’時刻至下一周期‘0’時刻，系統(tǒng)完成寫入SRAM的工作。其中‘2’時刻至‘3’時刻為第一寫入周期，系統(tǒng)將寄存器中的0 bit～15 bit寫入SRAM中；‘3’時刻至‘4’時刻為第二寫入周期，系統(tǒng)將寄存器中的16 bit～31 bit寫入SRAM中；‘4’時刻至‘5’時刻為第三寫入周期，系統(tǒng)將寄存器中的32 bit～47 bit寫入SRAM中；‘5’時刻至下一周期‘0’時刻為第四寫入周期，系統(tǒng)將寄存器中的48 bit～61 bit寫入SRAM中。這樣，同一采樣時刻的62通路的數(shù)字信號被分時地寫入SRAM中，信號保持真實的同步信息。此時，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存速率達310 Mb/s。
上述方法中，‘5’時刻至下一周期‘0’時刻只進行了一次寫入，實際上這段時間可以容納6個寫入周期，時間并沒有被充分地利用。對其進一步擴展，將系統(tǒng)時鐘周期充分地利用，可以同時采集更多通路的信號，將第六到第十個系統(tǒng)時鐘周期也用于信號緩存，則可以同時緩存16×9=144路數(shù)字信號。這種情況下，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存速率可達720 Mb/s。
考慮采用SRAM的極限訪問速率的情況，可以選用100 MHz的系統(tǒng)時鐘，這時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存速率可達1 520 Mb/s。
選用的SRAM的數(shù)據(jù)寫入極限速率為1 600 Mb/s，此種方法的數(shù)據(jù)緩存速率達SRAM數(shù)據(jù)緩存極限的95%，實現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)緩存。
3 緩存數(shù)據(jù)重組織
按照上述數(shù)據(jù)緩存的方法，同一通道的數(shù)據(jù)不是連續(xù)地存儲在SRAM中。SRAM中的數(shù)據(jù)存儲順序如圖4所示。圖中第一列表示SRAM地址，offset為數(shù)據(jù)存儲的初始地址偏移；第一行表示數(shù)據(jù)位，選用的SRAM中一個地址對應(yīng)2字節(jié)數(shù)據(jù)，有16個數(shù)據(jù)位；剩余每個方格表示一個數(shù)據(jù)存儲單元，方格里的數(shù)字表示該單元用于存儲第幾通道的數(shù)據(jù)。
定位一個通道的一位數(shù)據(jù)需要知道其對應(yīng)的SRAM地址和位號。假設(shè)通道m(xù)的第i位數(shù)據(jù)由[addr(m，i)，bit(m，i)]定位。分析SRAM中的數(shù)據(jù)存儲順序可知：
addr(m，i)=offset+1+[(m-1)/16]+(i-1)×4；
bit(m，i)=(m-1)%16。
其中m=1，2，3，…，64；i=1，2，3，4，…。
FPGA系統(tǒng)向ARM系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，將同一通路的數(shù)據(jù)抽取出來，以一個字節(jié)為單位連續(xù)發(fā)送，所以需要對存儲的數(shù)據(jù)進行重組織。在FPGA系統(tǒng)中，使用6 bit變量dch[5：0]表示通道號，其中000000(b)表示通道1(m=1)，000001(b)表示通道2(m=2)，依此類推。數(shù)據(jù)位計數(shù)i使用N位變量bitcnt[N-1：0]來表示，其中N由存儲的總數(shù)據(jù)量決定，與通道號類似，全零表示i=1情況，1(b)表示i=2情況，依此類推。因而有：
[(m-1)/16]=dch[5：4]；
(i-1)×4={bitcnt[N-1：0]，00(b)}；
(m-1)%16=dch[3：0]。
數(shù)據(jù)由FPGA中的變量定位表示為：
addr=offset+1+{bitcnt[N-1：0]，dch[5：4]}；
bit=dch[3：0]。
FPGA系統(tǒng)根據(jù)以上公式將各個通道數(shù)據(jù)逐位地從SRAM中讀出，并移入移位寄存器中，從而把同一通路的數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位連續(xù)地組織起來。
4 采集實驗結(jié)果
為了進行測試，基于FPGA設(shè)計了專用信號發(fā)生器，產(chǎn)生62路數(shù)字信號用于測試。62路數(shù)字信號中包括4.07 kHz～520.8 kHz(50 MHz的96分頻)的TTL信號及恒高、恒低電平信號。
由于數(shù)字信號通道數(shù)較多，這里以其中不包含恒高和恒低的9～12通道來說明采集精度，采集結(jié)果如表1。
依此可知，各通道采集結(jié)果與輸入信號對應(yīng)，說明個通道采集結(jié)果正確，本采集系統(tǒng)可靠。
以某型雷達做為被測對象，系統(tǒng)進行了實際工作測試。采集性能如表2所示。
本文介紹基于嵌入式技術(shù)的并行數(shù)字信號采集系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)采用DMA技術(shù)實現(xiàn)了62路數(shù)字信號同步采集，用于某型雷達預留測試接口信號的采集，整體采集速率達310 Ms/s。利用本設(shè)計中提出的DMA方法，系統(tǒng)可以進一步擴展，從而實現(xiàn)128路數(shù)字信號同步采集，并使整體采集速率達1 520 Ms/s，此時SRAM的寫入速度已成為主要的限制。
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