数字信号采集回放系统电路设计

李志海，潘红兵

海军工程大学，湖北武汉 430032

数字信号采集回放系统电路设计

李志海，潘红兵

海军工程大学，湖北武汉 430032

为了解决复杂数字电路板的故障诊断和维修测试问题，简化测试过程，本文设计了一种能够进行数字信号采集和回放的系统电路。本电路以FPGA为核心，以NANDFLASH芯片为存储载体，可实现72路数字信号采集和回放测试，支持软件操作和数据读写，为解决数字电路板维修和现场测试不便所带来的问题，发现电路板故障，提供了新的方式或途径。

数字信号测试采集回放；FPGA；NAND-FLASH；USB

在数字电路测试技术中，基于电压测量的检测技术是多年来研究的重点。该方法通过观察正常电路和故障电路的输出响应来检测故障。它主要是针对固定型故障的，改进后的电压测试方法也可以用于检测延时故障。该方法的优点是测试速度快，识别高低电平的精度要求不高[1]。在电压测量技术中，还有很多基于运算的测量方法[2]。但是，由于需要对电路做出较多的运算分析或仿真，随着电路信号数量不断增多，这种方法的便捷性和易用性往往会受到限制。

本文基于电压测量技术，设计了一种能够进行数字信号采集和回放的系统电路。本电路以FPGA为核心，以NAND FLASH芯片为存储载体，可实现72路数字信号测试，并且每通道达到100Msps的采集（回放）速度。

1 系统电路结构和功能设计

整个系统包含存储板、系统底板、USB2.0接口控制板、回放驱动板、采集转接板等多个组成部分，能够实现72路数字信号的同步采集和回放。系统结构示意图如下。

图1 系统总体结构示意图

所有板卡均插装在系统底板上，通过数据及控制总线相连。系统中的存储板有9块，每块可存储8路数字信号，可实现72路信号的数据存储。每块存储板上有8片8GB FLASH芯片。系统总存储容量为576GB，按照100M采样率，可采集或回放10分钟以上，数据存取速度达900MB/S。

在采集过程中，被测数字信号通过采集转接板转移到存储板；在回放过程中，存储板中的数据首先通过回放驱动板输出到被测数字电路。

1.1 FLASH存储板设计

每块存储板上集成了8片NAND FLASH芯片，分别存储8路数字信号，并通过FPGA芯片实现接口控制和数据存取。

器件选型方面，采用了K9HCG08U1M型号的NAND FLASH，该芯片支持最高40MB/S的瞬间数据存取速率，容量8GB。

FPGA方面采用了ALTERA公司CYCLONE 3系列芯片，型号为EP3C25Q240C8N.该芯片有149个可分配IO引脚，内部RAM资源达608256bits，含4个锁相环，完全满足本设计需求[4]。

存储板通过VME32插头与底板数据总线连接，插头内包含了采集、擦除、回放等控制线和8路数字信号线。

1.2 系统底板设计

系统底板是其它板卡互连的基础，还提供电源转换、插板接口、开关控制和指示、系统时钟选择等功能。

电源转换芯片组位于底板上侧，便于散热。提供系统电源。

中间部分是9块FLASH存储卡的VME插座位，底端是数据总线接口，用于与USB控制板和回放驱动板等进行连接。

右侧是开关控制电路和晶振电路。开关控制电路主要负责对来自USB控制板的开关信号进行处理，并通过指示灯加以显示。晶振电路则可提供25MHz和6.25MHz两种时钟，并在FPGA内部进行4倍频处理。在高速采集回放过程中，使用25MHz时钟，可达到100MSPS的采样率和同等回放速率。

1.3 USB接口控制板设计

USB接口控制板主要负责系统设备与上位机之间的数据交换，包括控制命令和采集回放数据的读写操作。电路板的接口主要有USB2.0接口，数据及控制总线接口，回放引脚设置总线接口。本设计中，采用了CYPRESS公司的USB2.0芯片CY7C68013-128AC作为USB接口芯片。该芯片最高数据速率可达48MB/S。

1.4 采集转接板设计

它的功能是将被测数字电路板转接出来，使之保持正常工作，并对其引脚信号加强驱动，以便本系统设备进行采集。采集时，将转接口连接到待测设备的数字电路板所在位置，然后将数字电路板插在采集转接板中间的接口上，并使用排线与本系统面板的采集接口相连。此时启动待测设备，在其进入工作状态时启动采集。

1.5 回放驱动板设计

由于FLASH存储卡的驱动能力较弱且没有信号方向选择，所以在回放时，必须经过驱动增强和引脚输入输出的方向选择，才能使被测数字电路板正常工作起来。本设计采用“FPGA+三态门”的方式，实现回放信号引脚方向选择和驱动。

USB Local Bus通过FPGA进行命令的接收和译码，并产生三态门控制信号。底板总线接口提供所有72路数字信号，经过三态门电路选择后，产生相应的驱动信号给被测数字电路板。

2 上位机软件设计

上位机软件主要负责USB驱动程序的调用、通信协议的实现。系统电路的各种操作均可通过上位机软件完成。其通信协议包括命令设置、数据帧的收发、返回状态判断等等。软件通过协议控制进行采集和回放测试、数据的导入导出操作。“触发采集”用于设置触发采集模式下的参数。

3 系统测试

为了验证本系统设备的各项性能，针对某型72脚数字电路板进行了现场采集。该型电路板的72路信号除电源和地以外，均为数字信号，且最高工作频率为3MHz。

在采集过程中，观察被测设备和电路板是否仍能正常工作。采集结果表明，被测设备工作不受影响，本系统工作正常，故障灯未亮，可完成10分钟的采集过程。

在采集结束后，进行了回放测试，使用示波器对回放驱动板的信号进行了波形测试。测试结果表明，回放接口能够完整再现采集到的数字信号。各通道回放信号之间的误差不超过10ns。

4 结论

目前市面上已有的数字信号测量工具，受限于采集速度、存储深度、可测通道数、现场易用性、信号复现等诸多因素；另一方面，某些数字电路的维修不只是要做简单的波形测量，还需要进行信号激励和驱动，并观察响应，以确认电路的工作是否正常。本文设计的系统电路以FPGA和FLASH为核心，可以完成信号记录和回放的功能，能够对数字信号较多的电路板维修和故障定位发挥极大的辅助作用，也为数字信号测试技术提供了一种新的方式方法。

[1]胡敏明.几种典型的数字电路测试技术[J].管理科学，2009.

[2]杨士充.数字系统的故障诊断与可靠性设计[M].北京：清华大学出版社，2000.

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A

1674-6708（2015）148-0127-02