基于PXI總線與FPGA器件實現(xiàn)雙通道高速數(shù)字化儀模塊的設計

PXI總線是NI公司在計算機外設總線PCI的基礎上實現(xiàn)的新一代儀器總線，已經(jīng)成為業(yè)界開放式總線的標準，基于PXI總線的數(shù)字化儀模塊是現(xiàn)代測試系統(tǒng)中重要的一種數(shù)據(jù)記錄與處理設備。設計一個雙通道12 bit／250 MHz采樣頻率的高速數(shù)字化儀模塊，以高性能FPGA器件為核心，實現(xiàn)對高速A／D的控制以及高速數(shù)據(jù)處理和存儲，解決了長時間高速記錄信號的測試難題。

1 系統(tǒng)工作原理

數(shù)字化儀模塊主要由前端信號調(diào)理通路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)采集控制電路、PXI接口電路等部分組成，其原理框圖如圖l所示。

高速模擬信號首先經(jīng)過信號調(diào)理通路進行放大、衰減等處理，將幅度調(diào)整到A／D轉(zhuǎn)換器允許輸入的電壓范圍內(nèi)，并轉(zhuǎn)化成LVDS格式的差分信號，然后送到A／D轉(zhuǎn)換器；FPGA芯片接收A／D輸出的高速數(shù)據(jù)流，經(jīng)過降速、抽取濾波等處理后，存儲到數(shù)據(jù)存儲單元SRAM中，并發(fā)出中斷信號，PXI主機響應中斷后經(jīng)由FPGA將存儲在SRAM中的數(shù)據(jù)讀入主機內(nèi)存，完成后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和顯示。PXI主機通過PXI總線發(fā)送控制命令，經(jīng)FPGA譯碼后實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集和調(diào)理通路控制。該數(shù)字化儀模塊為每個通道預留了4Mb的存儲容量，當組成PXI測試系統(tǒng)時，可以將數(shù)據(jù)寫入計算機硬盤，實現(xiàn)更長時間的記錄。兩個通道可以獨立工作，也可以相互關聯(lián)。采集方式可以有內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)、軟件觸發(fā)、通道觸發(fā)等多種模式。

2 系統(tǒng)設計實現(xiàn)

2．1 模塊化的FPGA設計

本文所設計的數(shù)字化儀是基于高性能FPGA芯片實現(xiàn)的，F(xiàn)PGA承擔了絕大部分的控制和數(shù)據(jù)處理任務，是本設計的核心器件。對FPGA進行模塊化設計，是大型系統(tǒng)設計的常用方法。合理分割功能模塊，能加快FPGA的開發(fā)，也有利于代碼的移植和重復利用。在設計時將FPGA分成高速A／D接口模塊、數(shù)據(jù)降速模塊、調(diào)理通路控制模塊、存儲接口模塊、PXI接口控制模塊等主要功能模塊設計。FPGA內(nèi)部模塊劃分和數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

A／D接口模塊主要實現(xiàn)FPGA和高速A／D轉(zhuǎn)換器的互聯(lián)，以LVDS格式總線接收數(shù)據(jù)和采樣時鐘，該部分電路決定數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，需要從硬件和軟件兩個方面保證；數(shù)據(jù)降速模塊采用抽取濾波器將信號降低到需要的采樣速率；調(diào)理通路控制模塊主要實現(xiàn)對A／D前端電路的控制，包括耦合方式、匹配阻抗選擇、增益自動控制、偏置和觸發(fā)電平控制等；PXI接口部分主要實現(xiàn)和PXI主機的通訊譯碼；存儲控制模塊完成對外部SRAM的控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存；時鐘管理模塊負責采樣時鐘的分頻、倍頻等處理。

2．2 高速數(shù)據(jù)采集和存儲接口設計

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入輸出接口設計是尤為重要的，高速IC芯片的相互連接是決定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定性的關鍵因素之一，低功耗及高的信噪比是有待解決的主要問題。通常實現(xiàn)高速采集系統(tǒng)中芯片間互聯(lián)有兩種接口：PECL和LVDS。正電壓射極耦合邏輯PECL(Positive Emit-ter-Coupled Logic)信號的擺幅小，適合于高速數(shù)據(jù)的串行或并行連接，PECL間的連接一般采用直流耦合，輸出設計為驅(qū)動50 Ω負載至(VCC -2V)，連接電路如圖3所示。

低壓差分信號LVDS(Low Voltage Differential Signal)標準是一種小振幅差分信號技術，它使用非常低的幅度信號(100～450 mV)。通過一對平行的PCB走線或平衡電纜傳輸數(shù)據(jù)。在兩條平行的差分信號線上流經(jīng)的電流方向相反，噪聲信號同時耦合到兩條線上，而接收端只關心兩信號的差值，于是噪聲被抵消。由于兩條信號線周圍的電磁場也互相抵消，故差分信號傳輸比單線信號傳輸電磁輻射小很多，從而提高了傳輸效率并降低了功耗。LVDS的輸入與輸出都是內(nèi)部匹配的，采用直連方式即可，連接方式如圖4所示。

本設計中。A／D轉(zhuǎn)換器選用Mamix公司的MAXl215，該芯片是一款12 bit／250 Ms／s的高速A／D轉(zhuǎn)換器，它具有出色的SNR和SFDR特性，使用250 MHz差分采樣時鐘，接收差分輸入信號，輸出12位LVDS格式的差分數(shù)字信號，提供差分同步時鐘信號。為了提高測試精度，單端的輸入信號需要轉(zhuǎn)換成差分模式后再送入A／D，增益調(diào)整及單端到差分轉(zhuǎn)換電路的局部如圖5所示?？紤]阻抗匹配問題，在單端信號轉(zhuǎn)換為差分模式時，需要在2個差分線上串聯(lián)50 Ω的匹配電阻，作為LVDS信號的發(fā)送端。

在PCB的設計中，對差分線要進行特別處理。差分線在走線區(qū)間內(nèi)的實際布線公差應控制在5 mil內(nèi)；差分對內(nèi)兩條線之間的距離應盡可能小，以使外部干擾為共模特征；要保證每個差分對內(nèi)的長度相互匹配，以減少信號扭曲；采用電源層作為差分線的信號回路，因為電源平面有最小的傳輸阻抗，可以有效減少噪聲影響。圖6所示為本設計PCB的局部。

本設計中FPGA作為LVDS信號的接收端，首先需要將A／D輸入的LVDS差分數(shù)據(jù)和同步時鐘信號轉(zhuǎn)換成單信號。此處選用了xilinx公司的VirtexⅡ-Pro系列FPGA，該系列的FPGA嵌入了高速I／O接口，能實現(xiàn)超高帶寬的系統(tǒng)芯片設計，支持LVDS、LVPECL等多種差分接口，適應性很強，為高速數(shù)據(jù)接口提供了完善的解決方案。LVDS差分信號的接收可以通過例化IBUFDS_LVDS這個模塊來實現(xiàn)，同時在程序中設置使用內(nèi)部的匹配電阻，實現(xiàn)LVDS的阻抗匹配。差分時鐘信號由全局時鐘輸入腳接入FPGA，然后通過調(diào)用xFPGA特有的數(shù)字時鐘管理模塊(DCM)，將時鐘轉(zhuǎn)換成單信號并進行分頻、移相等處理，作為后續(xù)處理的時鐘信號。

2．3 PXI接口設計

PXI是PCI在儀器領域的擴展(PCI eXtensions for Instrumentation)，它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術發(fā)展成適用于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應用的機械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。PXI模塊化儀器系統(tǒng)具備高速的性能，并與PCI保持兼容性，形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。本設計中使用PCI9054進行PXI接口硬件的設計，PCI9054是美國PLX公司生產(chǎn)的一款32位／33 MHz通用PCI總線控制器專用器件，它具有強大的功能和簡單的用戶接口，為PCI總線接口的開發(fā)提供了一種簡便方法。

2．4 PXI驅(qū)動開發(fā)

PXI的軟件要求包括支持Microsoft Windows NT和95(WIN32)這樣的標準操作系統(tǒng)框架，要求所有儀器模塊帶有配置信息(configuration information)和支持標準的工業(yè)開發(fā)環(huán)境(如NI的LabVIEW、LabWindows／CVI和Microsoft的VC／C++、VB和Borland的C++等)，而且符合VISA規(guī)范的設備驅(qū)動程序(WIN32 device drivers)。本設計應用KRF-Tech公司的Windriver來編寫設備驅(qū)動程序，Windriver針對PLX和AMCC的專用接口器件編寫了API函數(shù)包，降低了開發(fā)難度。驅(qū)動程序的軟件流程圖如圖7所示，圖8是本數(shù)字化儀模塊軟面板的界面，對數(shù)字化儀的所有控制都可以通過設置該虛擬軟件界面來完成。

3 結(jié)束語

本文給出了基于PXI總線接口的高速數(shù)字化儀模塊的設計實現(xiàn)方法，介紹了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中LVDS接口、LVPECL接口電路結(jié)構(gòu)及連接方式，并在所設計的數(shù)字化儀模塊中得到應用。系統(tǒng)可以穩(wěn)定的工作在250 MHz，實現(xiàn)高精度、長時間的數(shù)據(jù)采集和分析。該數(shù)字化儀模塊已成功應用于多個PXI測試系統(tǒng)中，廣泛應用于工業(yè)自動化、通信、科研、軍事、航空航天、消費電子等多個領域。