三十二通道掃描PCI數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)方案

引言

　 數(shù)據(jù)采集模塊是自動(dòng)測試系統(tǒng)中的主要功能模塊之一，在光譜分析、醫(yī)療成像等領(lǐng)域，通常需要組建多時(shí)基、多通道虛擬儀器系統(tǒng)，有些領(lǐng)域要求輸入信號頻率并不高，從幾赫茲到幾百赫茲。對于不同頻率范圍的信號，通常要求的采樣率也不同。有時(shí)為了配合信號處理算法，甚至要求采樣率可以在一定范圍內(nèi)隨意設(shè)定。這些應(yīng)用通常要求多個(gè)通道循環(huán)掃描采集，甚至是差分單端方式可選擇的輸入，對于不同的應(yīng)用還要求增益的可變性。針對這些要求，本文介紹了一種三十二通道掃描數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)方案。該方案最高采樣率為200KSa/s，存儲深度IM×16bit ，垂直分辨率16bit，增益可編程為1、2、5、10、100五個(gè)等級的PCI數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　總體設(shè)計(jì)方案的確定

　　根據(jù)上述系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，本設(shè)計(jì)硬件電路主要包括信號調(diào)理電路、信號輸入方式選擇電路、程控增益電路、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、觸發(fā)控制以及PCI接口幾個(gè)部分。三十二個(gè)通道的模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路使信號的帶寬、峰值和偏置電壓等達(dá)到ADC的輸入信號要求后，經(jīng)過單端變差分的轉(zhuǎn)換（前端也可以是直接輸入的三十二路差分信號），通過多路開關(guān)選擇輸入的多種方式，再通過兩級可編程增益儀用放大器進(jìn)行增益的控制，然后進(jìn)入ADC把模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號。邏輯控制單元在接收到采集命令后，根據(jù)相應(yīng)的觸發(fā)方式啟動(dòng)ADC進(jìn)行采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)通過FPGA內(nèi)部FIFO直接發(fā)送到上位機(jī)處理或者存儲到高速的靜態(tài)RAM中以便歷史顯示。三十二個(gè)通道共享RAM最大的采樣速率是200KSa/s，那么連續(xù)采樣存儲時(shí)間最大可以達(dá)到4s。上位機(jī)通過32位的數(shù)據(jù)總線，采用查詢、中斷或者DMA方式將采集的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理和分析。基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路包括輸入方式選擇電路和增益選擇電路。將經(jīng)過前端模塊調(diào)理電路變成的三十二路差分信號（或者直接從接口輸入的三十二路差分信號）通過低導(dǎo)通阻抗、低泄漏電流、帶過壓保護(hù)的多路模擬開關(guān)切換成一路差分通道，再通過普通運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換，避免后級的多路開關(guān)的導(dǎo)通阻抗影響前級電路。多路開關(guān)選擇DG408，它是八選一多路開關(guān)，具有較低的導(dǎo)通阻抗和低功耗、低泄漏電流。通過八個(gè)DG408把三十二通道的差分輸入變換成四通道的差分輸入，再通過一個(gè)DG409（4路差分開關(guān)），將輸入信號變成一路差分輸入，然后再經(jīng)過一個(gè)DG409選擇信號的輸入方式，通過這樣的電路能實(shí)現(xiàn)四種輸入方式：零輸入、單端正極輸入、單端負(fù)極輸入和差分輸入，電路如圖2所示。

　　選擇一種輸入方式后，經(jīng)過兩級可編程增益儀表放大器AD8250，可以實(shí)現(xiàn)增益值可選1、2、5、10、100五個(gè)等級。AD8250具有較寬工作電壓范圍，可以工作在±5V~±15V；輸入阻抗可以達(dá)到G?級別，有效防止了消耗的衰減；單個(gè)AD8250有1、2、5、10四個(gè)增益選擇，在G=10的時(shí)候仍具有最小98dB的高共模抑制比和低增益漂移。AD8250有兩個(gè)增益控制端A0、A1，通過寫這兩個(gè)位選擇增益值，通過WR可以鎖存狀態(tài)值，從而穩(wěn)定保持在該增益值上。本設(shè)計(jì)通過在FPGA內(nèi)部內(nèi)嵌32bit NIOSII軟核處理器，NIOSII通過SPI總線傳送數(shù)據(jù)給CPLD然后控制選擇信號的輸入方式和寫AD8250增益控制位。增益選擇電路如圖3所示。

　　數(shù)據(jù)采集與控制電路設(shè)計(jì)

　　A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，對A/D器件的選擇往往影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，甚至可能需要重新設(shè)計(jì)電路。為了實(shí)現(xiàn)三十二通道掃描采樣，本設(shè)計(jì)采用多路提取技術(shù)，把三十二路差分輸入信號經(jīng)過兩級多路開關(guān)提取出一路差分信號，再通過增益變換電路將差分信號變成單端模擬信號輸入到ADC中進(jìn)行采樣，通過FPGA控制CPLD定時(shí)掃描的方式實(shí)現(xiàn)三十二通道輪流采樣。本設(shè)計(jì)選擇的A/D轉(zhuǎn)換器是ADI公司的AD7612，它具有－路雙極性的高阻抗輸入，采樣速率為750KSa/s，具有可選擇的并行或者串行的輸出接口，容易與其他器件連接。AD7612內(nèi)部集成了采樣的時(shí)鐘電路，具有可選擇的內(nèi)部2.5V參考電壓或者外部用戶自己提供的參考。AD7612有四個(gè)差分輸入范圍和三個(gè)差分輸入模式，不同的模式對應(yīng)不同的特點(diǎn)。Warp模式具有最快的吞吐率，正常模式具有最快的異步吞吐率，脈沖模式可以實(shí)現(xiàn)吞吐率和功耗的線性映射。根據(jù)技術(shù)要求本設(shè)計(jì)選用正常模式，采用并行16位數(shù)據(jù)的輸出方式和FPGA直接接口。根據(jù)AD7656的內(nèi)部時(shí)序?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)并行輸出到數(shù)據(jù)緩沖池和SRAM中。

　　本設(shè)計(jì)數(shù)字控制部分由FPGA和外擴(kuò)的CPLD共同合作完成。FPGA內(nèi)部嵌入一個(gè)NIOSII軟核，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和輸入方式以及增益的選擇控制。下面詳細(xì)分析這三個(gè)數(shù)字控制電路的實(shí)現(xiàn)方法。

信號輸入方式和增益選擇控制邏輯的實(shí)現(xiàn)

　　FPGA和CPLD之間通過SPI同步串行總線通信。通過在FPGA內(nèi)部構(gòu)建一個(gè)5bit地址總線，5bit數(shù)據(jù)線的RAM塊用來存儲三十二個(gè)通道碼。再構(gòu)建一個(gè)8bit地址線，8bit數(shù)據(jù)線的RAM塊用來存儲信號的輸入方式和增益值。8bit數(shù)據(jù)的前兩位是輸入方式的選擇碼，后六位是增益選擇碼。在送通道碼之前只送一次輸入方式和增益值碼，直到下一次需要改變的時(shí)候再送。在CPLD中構(gòu)建一個(gè)二選一的開關(guān)和64bit的串并轉(zhuǎn)換把通道碼或者輸入方式選擇碼和增益選擇碼送到相應(yīng)的引腳。從而實(shí)現(xiàn)信號順序掃描和點(diǎn)名掃描以及相應(yīng)的輸入方式和增益選擇控制邏輯的實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)采集和傳輸控制邏輯的實(shí)現(xiàn)

　　為了便于控制，本設(shè)計(jì)在FPGA內(nèi)部嵌入一個(gè)NIOSII軟核處理器，NIOSII處理器通過 Avalon總線與外設(shè)通信，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，在NIOSII處理器中定制帶中斷的定時(shí)器、DMA控制器、SPI控制器和PIO控制器。由于設(shè)計(jì)要求最高采樣率是200KSa/s，而AD7612從啟動(dòng)采樣到得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)時(shí)間是1.5μs ，所以通過設(shè)定定時(shí)器最短的時(shí)間5μs（200KSa/s任意設(shè)定，可以通過實(shí)時(shí)設(shè)置定時(shí)器的值來完成）來實(shí)現(xiàn)。每隔5μs，定時(shí)器計(jì)數(shù)到0，產(chǎn)生一次IRQ中斷，在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行如下操作：

讀取ADC采集的結(jié)果；

　　是否需要改變輸入方式和增益，如果需要，送下一個(gè)值；

　　送下一個(gè)通道碼；

　　判斷ADC緩沖池( 30K×16bit FIFO)是否已滿，如果滿則把讀取的數(shù)據(jù)扔掉，否則把數(shù)據(jù)送到FIFO中；

　　在送數(shù)據(jù)到FIFO的同時(shí)，也需要復(fù)制數(shù)據(jù)到RAM中。RAM數(shù)據(jù)的存儲需要在FPGA中設(shè)計(jì)一個(gè)20bit的向上增加的地址計(jì)數(shù)器來制定數(shù)據(jù)的存儲位置，也要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)比較器，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿時(shí)，跟數(shù)據(jù)比較器預(yù)設(shè)的值相等，產(chǎn)生一個(gè)電平，將RAM的數(shù)據(jù)通道斷開，同時(shí)告訴NIOSII啟動(dòng)DMA控制器，在PCI9054的本地總線和RAM之間建立一個(gè)DMA通道，把數(shù)據(jù)取走。圖4是系統(tǒng)控制流程圖。

　　PCI接口控制時(shí)序

　　本設(shè)計(jì)采用PCI總線作為數(shù)據(jù)總線連接采集模塊和上位機(jī)進(jìn)行通信，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理和歷史顯示等功能。

　　由于本文設(shè)計(jì)的采集模塊需要工作在連續(xù)采集的系統(tǒng)中，所以當(dāng)存儲器存滿之后，需要快速地輸出通道并將數(shù)據(jù)通過PCI接口傳輸出去，本設(shè)計(jì)采用DMA的方式傳輸數(shù)據(jù)，這樣做既可以不占用CPU資源，又能實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸?；谝陨显虮驹O(shè)計(jì)選用PCI接口芯片PCI9054作為總線控制器和上位機(jī)通信。該芯片符合PCI2.2總線規(guī)范，支持低成本從屬適配器，PCI時(shí)鐘為0~33MHz，基本可達(dá)到60Mbyte/s的平均傳輸速率。

　　FPGA按照PCI9054的讀寫時(shí)序設(shè)計(jì)讀寫控制邏輯，接收上位機(jī)傳來的命令，對電路進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置后，啟動(dòng)ADC采集數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)送到ADC緩沖FIFO中（或者控制將存儲在RAM中的數(shù)據(jù)），當(dāng)FIFO滿后（或者RAM滿后）通過相應(yīng)的傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到PCI9054的本地?cái)?shù)據(jù)線上，并將地址譯碼作為局部器件的地址片選，從而實(shí)現(xiàn)對PCI總線的局部器件的訪問。PCI9054從模式的局部總線包括局部時(shí)鐘線LCLK，數(shù)據(jù)線LD[31..0]，地址線LA[31..2]，控制狀態(tài)線ADS#，LBE[3..0]#，BLAST#，LW/R＃，READY#和仲裁線LHOLD和LHOLDA。本設(shè)計(jì)使用了16位的本地?cái)?shù)據(jù)總線和24位地址總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和地址譯碼控制。PCI9054 DMA方式工作時(shí)序圖如圖5所示。

　　結(jié)論

　　通過詳細(xì)分析各種數(shù)據(jù)指標(biāo)，本文所設(shè)計(jì)的PCI數(shù)據(jù)采集模塊，充分考慮設(shè)計(jì)中各種影響信號質(zhì)量的因素，包括噪聲的抑制和信號衰減等。合理的設(shè)計(jì)保證了PCB板設(shè)計(jì)方面的電磁兼容性和信號回路方面的要求，同時(shí)綜合考慮各種方案，減小了PCB板的尺寸，減少了設(shè)計(jì)成本。通過FPGA內(nèi)嵌NIOSII和擴(kuò)展的CPLD可靠地實(shí)現(xiàn)了三十二個(gè)通道不同輸入方式、增益改變、順序掃描或者點(diǎn)名掃描的要求，通過定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)最高實(shí)時(shí)采樣率200KSa/s和低于200KSa/s時(shí)任意采樣率的設(shè)置指標(biāo)。通過選用高精度的ADC實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)對16bit分辨率的需求，合理的元件選擇保證了檢測信號的幅值范圍為±100mV、±1V、±10V的各種量程需求。通過真實(shí)的硬件測試，各項(xiàng)指標(biāo)均得到滿足。本文設(shè)計(jì)的PCI掃描采集模塊適用于最多三十二通道掃描采集的場合，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)思路可以擴(kuò)展更多輸入通道和更高采樣速度和分辨率的采集模塊。