基于異步FIFO和PLL的雷達數據采集系統(tǒng)

　　3 基于FPGA實現異步FIFO設計

　　異步FIFO是在兩個相互獨立的時鐘域下，數據在一個時鐘域寫入FIFO而在另一個時鐘域又從該FIFO中將數據讀出。異步FIFO通常被用來將數據從一個時鐘域安全地傳送到另一個時鐘域。FIFO可作為A/D轉換器件和DSP間的橋梁。使用FIFO作為輸入緩沖，由A/D轉換器件把采樣轉換的值同步寫入FIFO，每寫入一塊數據便向DSP發(fā)出一個信號，以提醒DSP從FIFO中讀取數據塊。這樣比單次讀的效率要高的多，不會有數據丟失，且僅占用少量的系統(tǒng)資源。設計一個異步FIFO，讀寫使能由不同的時鐘激勵控制輸入和輸出數據，空/滿標志既用來防止數據的上溢和下溢，也作為寫入/讀出控制邏輯的輸入信號，用來控制A/D數據采樣過程和對DSP數據的傳輸。當FIFO輸出滿標志時，寫入控制邏輯停止A/D采樣，等待滿標志無效時恢復數據采樣。從而防止數據丟失。當FIFO輸出空標志時，讀出控制邏輯停止DSP的數據讀取，等待空標志無效時恢復數據讀取。圖1中FPGA內的寫入/讀出控制邏輯使用有限狀態(tài)機設計，有限狀態(tài)機能有效的進行讀寫時序控制，根據A/D和處理器的時序控制原理畫出狀態(tài)轉移圖，進行編程設定。

　　FIFO的參數指標直接影響數據采集速度。首先，FIFO的讀寫速度要足夠快，其工作頻率至少要大于等于A/D轉換器件的采樣率，才能充分發(fā)揮A/D轉換器件的高采樣率并保證無數據丟失。其次，FIFO的存儲容量要適宜，容量過大會造成資源浪費，容量過小會造成溢出或數據采集速度過慢。系統(tǒng)FIFO采用EP3C120實現。由FPGA實現異步FIFO時，可方便的根據A/D轉換器的采樣精度和DSP數據寬度設計FIFO的輸人數據寬度和輸出數據寬度，且采用PLL設計后，可方便的調整FIFO寫入端和讀出端的時鐘頻率，使FIFO設計的高速緩存具有一定的通用性。異步FIFO是在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下利用其IP核設計的，該設計的異步FIFO可支持高達256位的數據寬度;支持存儲的最大深度可達131 072words，同時支持空滿標志位。表1給出系統(tǒng)在不同存儲深度時消耗FPGA片內資源的情況?？梢?，針對不同的數據采集需求，可利用Ahera公司提供的參數化的IP核方便的選擇FIFO的數據位寬度及存儲深度，避免資源浪費。

　　考慮到前端A/D轉換速度快，精度為8位，后端DSP的處理位數一般可做到32位，為提高系統(tǒng)實時性，采用輸入數據寬度為8位，輸出寬度為32位的雙時鐘FIFO，如圖2所示。

　　圖3為對FIFO仿真的結果。雙時鐘FIFO輸入為8位、輸出為32位，且FIFO兩端的讀寫時鐘頻率不同。

　　分析系統(tǒng)的吞吐率：由于A/D數據輸入端口的速度固定，數據按采樣頻率輸入FIFO，因此輸入數據的時間是不變的，而DSP一次訪問可取走4個有效數據，大大增加DSP讀取數據的吞吐率，提高系統(tǒng)實時處理能力。