1.引言
隨著微電子技術的廣泛普及、計算機技術的快速發(fā)展，現(xiàn)場信息實時采集系統(tǒng)的性能越來越受到大量關注。從測試系統(tǒng)和科研領域產(chǎn)生的動態(tài)信息中提取有用數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場實時采集并存儲顯得尤為重要。設計結合實際項目要求，提出基于PCI總線的微弱數(shù)據(jù)信號采集電路設計方案，將采集數(shù)據(jù)流通過前端處理電路和AD轉(zhuǎn)換電路后，在中央控制模塊FPGA控制下將數(shù)據(jù)流通過PCI總線傳輸給上位機保存，以便分析處理和顯示，從而實現(xiàn)采集系統(tǒng)對微弱數(shù)據(jù)信號進行高速采集存儲和分析。
2.總體設計方案
在實際研究和現(xiàn)場測試中，數(shù)采系統(tǒng)常采用PC機為測試平臺，使用PCI總線作為中介實現(xiàn)數(shù)據(jù)流采集和傳輸?shù)絇C機中進行顯示分析。
系統(tǒng)常采用傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號，經(jīng)過前端調(diào)理電路濾波放大將幅度放大到可測試范圍。但在實際信號采集時存在由系統(tǒng)本身和外界產(chǎn)生的各種噪聲影響，使得傳感器輸出的微弱有用信號被淹沒，因此需要采取有效的措施和算法來抑制噪聲、增大微弱信號幅度，從而提取有用信號，提高系統(tǒng)輸出信號的信噪比，實現(xiàn)微弱信號的高精度采集。基于PCI總線的微弱信號采集系統(tǒng)電路設計可分為：信號采集，F(xiàn)PGA邏輯控制，PCI總線界面以及電源管理等模塊。信號采集即實現(xiàn)模擬信號的接收和將其數(shù)字化;FPGA邏輯控制則實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)流緩沖處理、控制采樣時鐘頻率以及采集模塊與PCI9054界面芯片的握手通信完成數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)設計總體方案如圖1所示。
采集系統(tǒng)上電啟動后，PC機掃描查找采集卡，然后通過上位機對系統(tǒng)進行初始化，并配置采樣參數(shù)。系統(tǒng)采集部分在FPGA控制下將接收數(shù)據(jù)進行調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換后存儲到FPGA內(nèi)部FIFO中緩存，繼而通過PCI總線將數(shù)據(jù)傳入PC機進行實驗數(shù)據(jù)的分析顯示和存儲。
3.硬件電路設計
采集系統(tǒng)主要包括AD轉(zhuǎn)換電路、PCI總線界面電路以及外圍電路。設計采用可編程FPGA和高速AD實現(xiàn)信號采集處理功能，PCI總線界面電路采用控制器PCI9054實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并通過FPGA控制電路時序。
3.1 數(shù)據(jù)采集電路設計
系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊采用1.8V單電源供電的14位高速AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9246,最高采樣率為125MSPS,采用多級差分流水線結構。
采樣頻率為70MHz輸入時，無雜散動態(tài)范圍為8 5 d B c,信噪比為7 1 . 7 d B c,低功耗設計(395mW@125MSPS)。AD9246為差分輸入器件，輸入信號通過衰減等處理抑制外界干擾，實現(xiàn)在干擾信號比較強時有效的捕捉有用頻帶寬度范圍內(nèi)的微弱信號。為有效抑制周圍環(huán)境噪聲對輸入信號的影響，設計將AD轉(zhuǎn)換芯片的信號和時鐘輸入設為差分輸入，即采用差分轉(zhuǎn)換芯片AD8138將模擬信號轉(zhuǎn)換為差分信號送入AD轉(zhuǎn)換器，使其在時鐘控制下輸出14位并行數(shù)據(jù)傳送給后續(xù)電路。差分時鐘則通過FPGA分頻轉(zhuǎn)換產(chǎn)生以實現(xiàn)AD9246內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換周期的控制。
3.2 PCI總線界面模塊設計
PCI界面模塊選用控制器芯片PCI9054來實現(xiàn)PCI總線和本地總線之間信息的傳遞。
PCI9054是PLX公司生產(chǎn)的32位，33MHz的PCI總線通用橋接芯片，具有最高132MB/S的突發(fā)傳輸速率，可以將PCI總線復雜的邏輯控制轉(zhuǎn)換為簡易的本地總線的邏輯控制。設計通過對PCI總線界面電路進行讀寫來實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸和上位機控制信號的下傳。PCI9054提供有PCI總線界面、本地總線界面和E2PROM界面。
在設計PCI9054與本地總線界面電路中，將本地總線界面配置為C模式，即設置MODE[1:0]=00,將MODE0和MODE1管腳接地。在系統(tǒng)上電初始化時，PCI9054根據(jù)串行E2PROM界面參數(shù)配置內(nèi)部寄存器，采用2Kb的E2PROM芯片93CS56L來存儲PCI9054界面芯片的配置參數(shù)。
4.FPGA控制邏輯設計
FPGA控制模塊主要實現(xiàn)對AD采集信號的控制和預處理，以及PCI的界面功能，完成數(shù)據(jù)的實時采集處理。系統(tǒng)中FPGA選用Xilinx公司的Virtex-4系列芯片XC4VLX25-10SF363I作為設計主控器件，并選擇XCF08PVO48C作為配置芯片。
FPGA內(nèi)部邏輯包括控制模塊，雙口RAM緩沖模塊，時鐘控制模塊，32位加法器模塊。
其中由控制模塊完成對累計次數(shù)，AD讀寫，PCI總線讀寫，采樣時鐘轉(zhuǎn)換，加法器等的控制功能。其中時鐘轉(zhuǎn)換即實現(xiàn)數(shù)采頻率100MHz和PCI讀數(shù)40MHz時鐘的轉(zhuǎn)換;累加次數(shù)控制是通過上位機軟件發(fā)送給的，由PCI寫時序控制的，由于AD9246為14位轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)數(shù)據(jù)寬度為32位，所以最大可達218次的累加次數(shù)。
4.1 FPGA數(shù)采邏輯控制
在FPGA對數(shù)據(jù)采集AD轉(zhuǎn)換的控制設計中，主要在FPGA中對采樣時鐘分頻以輸出AD時鐘信號和控制允許信號，以及為AD提供不同的采樣頻率和數(shù)據(jù)接收觸發(fā)信號來完成AD數(shù)采功能。
4.2 FPGA對PCI界面控制
通過使用FPGA對PCI總線界面邏輯控制實現(xiàn)PCI界面芯片PCI9054與本地總線之間數(shù)據(jù)通信。設計采用DMA方式作為PCI9054本地總線端的傳輸方式，并將操作模式配置為C模式。DMA傳輸方式即使用PCI9054芯片內(nèi)部DMA控制器來實現(xiàn)PCI總線與本地總線之間數(shù)據(jù)傳輸。通過上位機軟件設置芯片工作方式和參數(shù)，從而確定數(shù)據(jù)傳輸要求，直接利用芯片內(nèi)DAM控制器啟動傳輸工作對PCI總線和本地總線之間讀寫進行操作，節(jié)省了占有計算機CUP從而加快傳輸速率。[!--empirenews.page--]
5.測試結果
通過對采集信號測試，可以看到原始包含噪聲的信號如圖2所示，對信號進行不同累加取平均的結果如圖3和4所示。通過分析可得當提供累加次數(shù)可改善信號的信噪比。
6.小結
本文提出了一種基于PCI總線的微弱數(shù)據(jù)信號采集電路設計方案， 方案中設計了基于PCI總線的數(shù)采系統(tǒng)對微弱信號進行檢測處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時傳輸。設計選用高速AD轉(zhuǎn)換芯片AD9246采樣，選用差分方式有效抑制噪聲影響。通過對采集信號源測試分析，可以對信號進行可靠實時的傳輸，從而證實本方案的可行性。
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