基于FPGA的高速数据采集系统的设计分析

吴明阳 上海柏飞电子科技有限公司

前言：数据采集在诸多领域得到了广泛应用。当前，高速数据采集对相应的系统设计提出了较高要求。基于FPGA的高速数据采集系统，对Verilog HDL语言进行采用，并借助QuartusII6.0软件编程对IP核进行控制，对多个ADC08B200芯片实施有效的数据采集，并借助DDRII SDRAM实施数据缓存，通过PCI总线将数据传输到PC机。利用PC机相应的测试软件，能有效实现对高速数据的良好采集。

1 现场可编程门阵列（FPGA）技术分析

FPGA，即现场可编程门阵列，是各类可编程器件，诸如PAL、CPLD以及GAL的发展产物。FPGA是专用集成电路相关领域的半定制电路，既能弥补定制电路的缺陷，又能克服固有可编程器件门电路数有效的不足。

FPGA结构主要由以下部分组成：一，逻辑阵列块LAB或者CLB，两者构成了PLD器件的逻辑组成核心；二，输入/输出快；三，对逻辑块进行连接的可编程连线阵列PIA或者互连资源IR，由长度各异的连线线段组成，也有部分可编程的连接开关，用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输出块间的连接。FPGA具有如下优点：一，具有较大规模，能实现任何数字逻辑的相关功能，能实现系统集成；二，在投片前对设计正确性进行验证，具有较低的开发成本；三，对设计进行修改，无需对硬件电路进行改动，且具有较短的开发周期；四，减少PCB面积，能提高系统可靠性。

FPGA的制造工艺主要是查找表技术和SRAM工艺，可实现时序逻辑电路功能。FPGA技术通常采用“自顶向下”以及“自下而上”的设计方法。当前，大规模的FPGA设计通常对“自顶向下”的设计方法进行采用。所谓“自顶向下”，是指对完全独立于相关芯片产商以及具体产品结构的相应描述语言进行采用，在功能级定义设计产品，并与功能仿真技术相结合，有效保障设计正确性。在完成功能定义后，借助逻辑综合技术，对功能描述进行转换，使之转换为某具体结构芯片相应的网表文件，将向厂商提供的布局布线器输出后实施布局布线，其结果可实现对同一仿真器的反标回，实施涵盖功能与时序的后验证，确保布局布线所导致的门延时以及线延时不会对设计性能造成影响。

传统数据采集系统对高速数据采集的相关应用缺乏适应性。基于FPGA的高速数据采集系统设计则能大幅度提高采集速度和效率，且不易受干扰。FPGA技术具有较高的时钟频率和较小的内部延时，且具有较快的速度和较高的效率。FPGA技术能对电路板设计实际体积有效减少，还能促进系统采集及处理信号的能力实现大幅度提高，还能实现系统编程，能有效增强产品开发、产品维护以及产品更新的便捷性。

2 基于FPGA的高速数据采集系统设计需求

（1）总体方案与系统架构

嵌入式高速数据采集系统，以紧凑型外部设备互联标准为基础，主要涵盖高速数据采集、宽带模拟信号调理、嵌入式处理器、存储以及电源等模块。高速数据采集技术的相关研究主要涉及如下关键软件技术和硬件技术：数模混合电路设计、高速信号完整性、高速数据存储于处理、高速并行同步数据流时序以及波形显示与控制等[4]。基于计算机平台相应的应用背景，设计以cPCI嵌入式计算平台为基础的总体方案，如下图1所示：

图1 基于cPCI标准的高速数据采集平台

总体方案包括硬件及软件相应的系统方案。硬件系统主要由cPCI底板，以x86架构为基础的CPU模块、兼容cPCI标准的固态盘、高速数据采集、模拟信号调理、电源等模块构成。其中，CPU模块是系统相应的主控、硬盘模块与高速数据采集模块间借助PCI总线实现数据传输；软件系统涵盖高速数据采集模块相应的驱动程序、波形显示与控制相应的人机界面软件。

（2）高速数据采集系统数据流

系统数据流如下：模拟信号实现对模拟信号调理电路的进入，实现对模拟信号的放大、滤波等预处理，模拟信号经过处理后，对高速数据采集模块进行进入，实现对高速数字信号的转换，以代表相应的模拟信号样点；高速数字信号对FPGA进行进入，实时样点数据处理，样点数据经过处理后，通过CPU以及DMA引擎借助PCI总线有效读入内存，实现存储、显示等各类后端处理。

3 基于FPGA的高速数据采集系统功能设计

（1）数据采集相应的硬件模块设计

基于FPGA的高速数据采集平台，其硬件系统主要包括cPCI底板、固态盘模块、以cPCI标准为基础的CPU模块、高速数据采集相应模块、电源模块以及模拟信号调理相应模块等。在机箱、模块结构，总线接口，电源以及系统管理等与cPCI标准完全兼容，呈现出模块化、可扩展性、高可靠性以及坚固性等特点。高速数据采集模块相应的硬件构架包括高速A/D转换器、高速局部总线-PCI桥以及大规模FPGA，如下图2所示。采集模块借助标准cPCI总线连接数字采集系统相应的CPU模块，借助两路模拟信号相应的通道接口和控制总线连接前端模拟信号调理这一模块。

图2 高速数据采集模块示意图

模拟信号调理这一模块实现了对多路增益可编程相应的模拟信号调理通道以及一路控制总线通道的有效集成。CPU模块借助cPCI总线向高速数据采集模块发送控制命令，采集模块对控制命令进行解析并借助控制总线将命令对前端模拟信号调理模块进行转发，实现数据采集系统相应的主机控制并校准模拟前端相关电路参数的目的。借助主机实现对前端模拟信号调理模块的有效动态配置，能促进模拟信号实际动态范围的提高，还能增强模拟调理各项电路参数，诸如直流偏置、带宽以及增益进行校准的便捷性。

数据采集系统包括2个通道，各通道相应的模拟信号由前端调理后，借助高速A/D遵循1GS/s的时钟频率，实施采样。采样过程如下：首先，将模拟信号转换为8bit高速数字信号，其频率为1GHz，在高速A/D转换器内部，该信号被两分频成频率为500MHz的16路高速同步并行数据流，实现对FPGA的进入。在FPGA内部，数据流进一步被串行转并行处理以及排序，其后在FPGA内部相应的先入先出（即FIFO）中缓存。FIFO控制器连接局部总线-PCI桥，由其向cPCI总线传送FIFO中存在的波形数据样点。

（2）FPGA逻辑设计

可编程器件FPGA相应的速度以及集成度逐步提高，其设计手段日趋完善和灵活。FPGA编程具有较强的灵活性，得到了广泛使用。本文选用StratixⅡ系列器件作为设计FPGA，该器件对ALM（即自适应逻辑）模块进行了引入，性能以及逻辑封装更高，逻辑以及布线级数更少，DSP支持更强。

本文设计FPGA采用主动串行与JTAG相结合的配置方式，可将FPGA芯片相应的MSEL0、MSEL1、MSEL2、MSEL3引脚驱动作为高、低电平选择相应的配置方式。FPGA主要将具体设计方案作为依据确定内部功能，该硬件平台在设计上对系统相应的可扩展性进行了充分考虑，在器件选择方面评估系统资源，就功能设计而言，具有较多的可选性和较强的通用性，基本能良好实现一般数字信号相应的预处理功能。

（3）宽带模拟信号调理电路设计

在高速信号采集系统中，模拟信号调理电路是其模拟前端，其具备的宽带性能对于高速信号采集系统的整体采集能力以及可测量信号频率的实际范围具有直接影响。为实现对该技术的有效突破，对宽带模拟信号相应的放大电路方案、模拟信号接地、滤波、隔离以及屏蔽方案、PCB布局布线方案、阻抗匹配方案以及阻抗变换方案实施科学设计和有效调试实现-3db宽带200MHz以及5倍放大倍数的模拟信号调理电路相应指标。该指标有效满足了综合电子信息系统对于模拟前端的要求。

（4）高速采集电流与数据流实时存储

该技术在本文设计中占据着核心地位。经过相关研究，最终确定以高速A/D转换器结合FPGA主处理器作为系统实现方案。该方案实现了对单通道相应的1GS/s采样率、双通道相应的2GS/s采样率、实时宽带相应的16Gb/s二进制编码形成的同步并行数据流的有效捕获以及实时存储。

（5）宽带信号交替并行采集技术

该技术借助2个采样率相同的采集通道按照一定时序对双倍速采集通道进行合成。在本文设计中，通过深入研究A/D转化器以及FPGA数据处理相应的时序，实现将两个采样率为1GS/s的采集通道对单个采样率为2GS/s采集通道合成的交替并行采集技术，无需对硬件成本进行添加，即可使采集率相应的性能指标实现加倍。

（6）软件系统设计

软件系统包括如下两部分：一，驱动程序。驱动程序访问高速信号采集模块相应的硬件寄存器，实现对底层各类硬件操作的控制，并将软件访问的相应接口提供于上层相关应用程序。二，波动显示与控制相应的人机界面软件。该软件在Windows操作系统环境下运行，为用户提供相应的人机界面，并借助驱动程序对底层相关硬件设备进行访问。

4 系统测试

根据系统设计的具体要求，实施系统测试，以验证高速信号采集模块的具体功能和各项性能指标。基于采样定理，任意模拟信号由A/D转换器实施转换之后，以数字信号的具体方式在数字域内对原始模拟信号相应波形进行重现，A/D转换器具备的采样频率不能小于该模拟信号自身2倍的最高频率分量。相关实验证明，若A/D转换器实际采样频率不小于所采集的相关模拟信号相应的5倍基波频率时，所采集到的相应数字信号波形可实现对原始模拟信号具体波形的重现。

在实验室相应环境下，对系统软件及硬件各类模块具备的功能和相关性能指标进行测试，对Agilent LXI33220A标准信号源或者Tektronix AFG3252标准高速信号源进行使用。

实验测试相应的软件环境如下：Windows操作系统；DataAquiLG软件。其中，以20MHz/100mV正弦波作为模拟信号进行输入。

实验测试后获取相应的波形图，据图可知基于FPGA的高速信号采集模块具备的各项功能以及相关性能指标，均能完成预期目标。

本文设计的方案在3个cPCI标准模块中，对模拟信号调理、数据处理显示以及高速信号采集等核心功能进行划分，确保用户能基于自身各项应用需求对型号各异的标准模块进行选配，实现对性价比和定制化程度均相对较高的高速数据采集系统的构建。该解决方案具有较强的适应性、灵活性以及可扩展性。另外，该解决方案在各类硬件指标上均能实现对cPCI计算平台相关标准各项要求的良好满足。

5 总结

本文研究了基于FPGA的高速数据采集系统的科学设计和有效实现，并对系统模块实施了测试验证。相关结构显示，该系统能基于GS/s采样率，实现高速数据采集的稳定性和可靠性。可对本文设计系统的高速数据缓存、采样率以及主机总线接口等实施优化，还能将高速数据处理的各类功能，诸如插值算法以及傅里叶变换等添加于波形显控软件内。