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(shí)現(xiàn)的主要功能是解析上位機(jī)控制信息并發(fā)送控制命令，同時(shí)要程控采樣時(shí)鐘頻率，還要對采集數(shù)據(jù)流進(jìn)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(guān)系到高速采集信號能否實(shí)時(shí)可靠的傳輸。圖3所示為數(shù)據(jù)流的邏輯控制結(jié)構(gòu)框圖。

　　本設(shè)計(jì)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(dá)158個(gè)，差分通道數(shù)為58個(gè)，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(shè)計(jì)的需要。

　　由于AD轉(zhuǎn)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剩瑫r(shí)也為了使數(shù)據(jù)采集速率獲得相對提升，設(shè)計(jì)中的PEX8311采用32位數(shù)據(jù)位模式進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)的緩存以及數(shù)據(jù)傳輸邏輯的控制，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)位的變換擴(kuò)展，即由12位數(shù)據(jù)擴(kuò)展為32位數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)位由12位到32位的轉(zhuǎn)換，應(yīng)先把解串后的12位采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分流模塊，以把12位數(shù)據(jù)交替存儲到兩個(gè)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(zhuǎn)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(jìn)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(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)送至外置的FIFO或雙口RAM中進(jìn)行緩存。但這樣無疑會增加布線密度，同時(shí)降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。EP2C5Q208 Cyclone II系列FPGA提供了多達(dá)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(shè)置FIFO空間來實(shí)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(kuò)展模塊后，即可擴(kuò)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(shù)的進(jìn)步而不斷提高，而大量的數(shù)據(jù)必須傳輸至主機(jī)進(jìn)行處理。這些傳輸都由那些將設(shè)備連接到主機(jī)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€(gè)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(shè)備至主機(jī)內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到一個(gè)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(dá)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(kuò)展為×1、×4、×8、×16通道模式。

　　以PCI Express×1來計(jì)算，扣除數(shù)據(jù)校驗(yàn)冗余8 bit10 bit，有效數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)方案，并提供了相應(yīng)的MegaCore。但是這種方案設(shè)計(jì)難度大，調(diào)試?yán)щy;另一種是采用專用接口芯片，如利用PLX公司的PEX8311來實(shí)現(xiàn)局部總線與PCI Express總線的連接。目前，無論從技術(shù)還是成本來看，第二種方案都是比較理想的選擇。