多種觸發(fā)功能的可編程高速數據采集模塊

摘要：給出一種具有多種觸發(fā)功能的可編程高速數據采集模塊的設計方法。模塊可以動態(tài)設置觸發(fā)窗長度、觸發(fā)點電平、觸發(fā)極性和觸發(fā)模式；依據觸發(fā)字與存儲在FIFO中的A／D轉換數據比較確定觸發(fā)位置，并根據設置的預觸發(fā)深度實現(xiàn)對A／D轉換數據的存儲和傳輸。由于觸發(fā)電路采用了全數字化設計，與采用模擬電平比較器實現(xiàn)觸發(fā)電平比較相比，無需硬件改動，可以靈活地配置觸發(fā)方式，同時也降低了系統(tǒng)調試難度。
關鍵詞：高速數據采集；數字電路；觸發(fā)窗；先進先出存儲器

引言
    在數據采集的過程中，為了不漏掉任何一個既定特征的信號，A／D轉換器必須不斷地采集數據。但是由于存儲器容量的限制，不可能無限制地采集并存儲數據。如何使模塊能自動檢測、采集并存儲有效數據呢?觸發(fā)技術的引入可以解決這一問題。觸發(fā)是為了有效地觀測信號，當被測信號滿足觸發(fā)條件時，啟動一次數據采集，使用戶在屏幕上能觀測到滿足觸發(fā)條件的波形。
    觸發(fā)電路在以往的設計中，多采用電平比較器，其缺點是：采用的分立元件多，不利于模塊移植和速度的提升，同時觸發(fā)方式多樣化配置也受到硬件限制，不具備智能化特點。本模塊基于高速A／D轉換器和FPGA，提出了一種全數字化的多種觸發(fā)功能的高速數字采集設計方案。模塊接口易于移植，采集頻率高達50 MHz，具有多種可編程觸發(fā)功能，采用的觸發(fā)窗技術進一步保證了采樣存儲數據的正確性和有效性。

1 高速數據采集模塊結構
    高速數據采集模塊由FPGA存儲控制、傳輸電路和AD9057數據采集部分構成。其中FPGA為此次模塊設計的重點。多種觸發(fā)功能的高速數據采集模塊結構框圖如圖1所示。采用Cyclone系列EP1C6Q240C8型號的FPGA控制芯片，其Bank4 I／O口與AD9057相連，有源晶振提供了50 MHz的時鐘頻率。

    此模塊通過通信接口動態(tài)設置觸發(fā)極性、觸發(fā)模式、觸發(fā)窗長度、觸發(fā)點電平，觸發(fā)極性可選上升沿觸發(fā)rising_edge和下降沿觸發(fā)falling_edge兩種。觸發(fā)模式可分為前觸發(fā)pre_trigger、中間觸發(fā)mid_trigger、后觸發(fā)post_trigger三種模式。觸發(fā)窗長度設置為0～100的整數，觸發(fā)點電平可設置為0～255的整數。
    當連接通信接口的外部顯示控制界面設置好觸發(fā)極性、觸發(fā)模式、觸發(fā)窗長度、觸發(fā)點電平時，開始啟動采集命令，包裝好的40位數據流將被發(fā)送到FPGA；FPGA接收到40位數據后，迅速分離成5個8位數據，即觸發(fā)極性、觸發(fā)模式、觸發(fā)窗長度、觸發(fā)點電平和采集啟動信號，利用FIFO存儲器先進先出的特性以及對AD9057的控制時序，配合觸發(fā)信號存儲A／D數據；當采樣完成后，F(xiàn)IFO中的數據可以被發(fā)送到外部的顯示控制界面直觀地顯示出來。
1．1 觸發(fā)信號的產生
    傳感器探測和感知的模擬信號一般都帶有一定干擾，如果僅憑一個觸發(fā)點來決定觸發(fā)的位置則很難控制，在本模塊觸發(fā)位置的設計中采用了三點觸發(fā)窗技術，觸發(fā)窗的設置可以有效地屏蔽模擬信號的抖動，使模塊正常運行。
    觸發(fā)極性triggerpolar有上升沿觸發(fā)rising_edge和下降沿觸發(fā)falling_edge兩種模式，在這兩種觸發(fā)極性下，觸發(fā)信號上升沿表示模塊開始存儲A／D轉換數據。模塊設置了觸發(fā)字1和觸發(fā)字2，觸發(fā)字1為觸發(fā)點加上觸發(fā)窗長度，如果結果小于255則觸發(fā)字為兩者相加結果，否則為255；觸發(fā)字2為觸發(fā)點減去觸發(fā)窗長度，如果結果大于0則觸發(fā)字為兩者相減結果，否則為0。
    圖2是下降沿觸發(fā)信號產生圖。圖中模塊開始采樣時，A／D轉換數據與觸發(fā)字1和觸發(fā)字2不斷地比較，當A／D數據大于觸發(fā)字1時，觸發(fā)信號輸出為低電平；此后A／D數據與觸發(fā)字2比較，當A／D數據小于觸發(fā)字2，觸發(fā)信號輸出高電平。

    compare_standardl、compare_standard2分別是觸發(fā)字1和觸發(fā)字2。flag為標志變量，當A／D數據大于觸發(fā)字1時，flag=1；當A／D數據小于觸發(fā)字2時，flag=0。具體實現(xiàn)的代碼如下：
   
   
1．2 觸發(fā)模式的選擇
    觸發(fā)模式分為前觸發(fā)、中間觸發(fā)和后觸發(fā)。觸發(fā)模式的選擇決定了觸發(fā)的預觸發(fā)深度N的不同。在一定的存儲深度M下，捕捉的波形在觸發(fā)點P附近被最大化地存儲和顯示。觸發(fā)點前端波形的觀察選擇前觸發(fā)模式，即預觸發(fā)深度占存儲深度的比例要大。觸發(fā)模式如圖3所示。S代表起點，E代表結束點。觸發(fā)點前后波形的觀察選擇中間觸發(fā)模式，觸發(fā)點后端波形的觀察選擇后觸發(fā)模式。

1．3 FIFO讀寫數據控制
    FIFO存儲器的讀寫是用狀態(tài)機來實現(xiàn)的。5個狀態(tài)分別為wait、wr_trigger、wr_read、wr_full、read。FIFO控制器流程如圖4所示。模塊開始進入wait狀態(tài)等待啟動信號start上升沿，如果start上升沿到來模塊轉到wr_trigger狀態(tài)，否則將在wait狀態(tài)一直等待；當模塊進入wr_trigger狀態(tài)時，F(xiàn)IFO開始寫數據直到滿足觸發(fā)模式的預觸發(fā)深度，此時的寫時鐘等于采樣時鐘；此后模塊進入wr_read狀態(tài)，F(xiàn)IFO開始一邊讀數據一邊寫數據，即一直保持FIFO中存儲的數據是最新A／D轉換數據，此時的讀寫時鐘與采樣時鐘是同頻的。直到觸發(fā)信號上升沿的到來，否則FIFO存儲器將一直讀數據和寫數據；當觸發(fā)信號上升沿有效時，模塊進入wr_full狀態(tài)，F(xiàn)IFO存儲器停止讀數據，開始寫數據，直到FIFO寫滿數據；當FIFO寫滿數據(full=1)以后，模塊轉到read狀態(tài)，F(xiàn)IFO開始讀數據并通過通信接口發(fā)送到顯示控制界面進行直觀的顯示，直到FIFO為空empty=1，此時讀時鐘為顯示時鐘；FIFO讀數據操作完畢，模塊將一直停留在wait狀態(tài)等待下一次采集啟動信號的到來，如此反復執(zhí)行。

1．4 高速數據采集模塊電路設計
    AD9057是8位的模數轉換器，可以達到60 MHz的最大采樣頻率。設計中，模塊采用50 MHz的采樣頻率，AD9057帶有2．5V的基準電壓，可以對1 V峰峰值輸入模擬信號進行A／D轉換。通常采用高頻、寬帶運放對模擬信號進行緩沖，本設計中采用AD8041作為放大器，AD9057高速數據采集模塊電路圖電路圖如圖5所示。

2 結論
    模塊可以工作在50 MHz的采樣頻率下，并且在模擬信號幅度偏小和有一定干擾的情況下也可以正常地工作。本次設計中采用了VC++6．0編寫的顯示控制界面進行模塊驗證。圖6是數據采集模塊捕捉的頻率為5 MHz、300mVpp交替出現(xiàn)間隔為1 ms的一個脈沖波形圖。

    其中，觸發(fā)模式選用中間觸發(fā)，觸發(fā)極性為上升沿，采樣頻率為50 MHz。由此可見，本模塊的技術方案可行，具有靈活簡潔的特點，可以應用在程控儀器和自適應信號采集與處理系統(tǒng)中。