PCI Express接口的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)方案

　　邏輯控制模塊要實現(xiàn)的主要功能是解析上位機控制信息并發(fā)送控制命令，同時要程控采樣時鐘頻率，還要對采集數(shù)據(jù)流進行處理和傳輸。其中數(shù)據(jù)流邏輯控制模塊中的功能組成直接關系到高速采集信號能否實時可靠的傳輸。圖3所示為數(shù)據(jù)流的邏輯控制結構框圖。

　　本設計選用Cyclone II系列芯片EP2C5Q208。此芯片為208腳PQFP封裝，用戶可用I/O資源高達158個，差分通道數(shù)為58個，其內(nèi)部邏輯資源、M4K存儲資源、內(nèi)部PLL數(shù)量完全能夠滿足本系統(tǒng)設計的需要。

　　由于AD轉換芯片AD94301的采樣精度為12位，而PEX8311接口芯片可支持8位、16位、32位數(shù)據(jù)位。因此，為了更加有效的提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，同時也為了使數(shù)據(jù)采集速率獲得相對提升，設計中的PEX8311采用32位數(shù)據(jù)位模式進行數(shù)據(jù)傳輸。這樣，在本方案的FPGA數(shù)據(jù)流邏輯控制中，不僅要進行數(shù)據(jù)的緩存以及數(shù)據(jù)傳輸邏輯的控制，還要進行數(shù)據(jù)位的變換擴展，即由12位數(shù)據(jù)擴展為32位數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)位由12位到32位的轉換，應先把解串后的12位采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分流模塊，以把12位數(shù)據(jù)交替存儲到兩個FIFO中緩存。圖4所示是經(jīng)數(shù)據(jù)分流模塊交替產(chǎn)生12位數(shù)據(jù)的仿真示意圖。

　　高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸速率與A/D轉換器的采集速度很難保持一致。為了協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸之間的速度差異，一般都在兩者之間加入數(shù)據(jù)緩存器進行緩沖，使前端的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸可以異步工作。通常的做法是在A/D轉換后將數(shù)據(jù)送至外置的FIFO或雙口RAM中進行緩存。但這樣無疑會增加布線密度，同時降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴P2C5Q208 Cyclone II系列FPGA提供了多達26塊的M4K RAM，而且PCI Ex-press總線的傳輸速率也大于數(shù)據(jù)采集速率，所以，可在FPGA內(nèi)部設置FIFO空間來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的緩存。這樣，從FIFO讀出的兩組12位數(shù)據(jù)經(jīng)過符號位擴展模塊后，即可擴展變換為32位數(shù)據(jù)并由FPGA并行輸出到PCI Express接口模塊。

　　2.3 PCI Express接口控制

　　由于數(shù)據(jù)采集速率隨著芯片技術的進步而不斷提高，而大量的數(shù)據(jù)必須傳輸至主機進行處理。這些傳輸都由那些將設備連接到主機內(nèi)存的數(shù)據(jù)總線完成。因此，數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)乃俾食３３蔀檎麄€數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的瓶頸，這也是許多儀器帶有昂貴板載內(nèi)存的主要原因之一。而PCI Ex-press的出現(xiàn)，可使測量設備至主機內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸速率達到一個前所未有的高度。

　　PCI Express又稱3GIO，即第三代輸入/輸出接口的意思。串行數(shù)據(jù)傳輸可使數(shù)據(jù)傳輸速率達到驚人的2.5 Gbps (PCI Express 1.0規(guī)范)，且采用全雙工數(shù)據(jù)傳輸，并可擴展為×1、×4、×8、×16通道模式。

　　以PCI Express×1來計算，扣除數(shù)據(jù)校驗冗余8 bit10 bit，有效數(shù)據(jù)傳輸率可以達到200 Mbyte，理論上可以提供100 MHz采樣速率和雙字節(jié)以內(nèi)的采樣精度的傳輸帶寬。

　　目前，實現(xiàn)PCI Express總線接口控制的方法有兩種：一種是采用FPGA/CPLD來實現(xiàn)。目前，Altera等專業(yè)FPGA公司都提供了多種PCI Express總線接口實現(xiàn)方案，并提供了相應的MegaCore。但是這種方案設計難度大，調(diào)試困難;另一種是采用專用接口芯片，如利用PLX公司的PEX8311來實現(xiàn)局部總線與PCI Express總線的連接。目前，無論從技術還是成本來看，第二種方案都是比較理想的選擇。