在高速信號采集系統(tǒng)中利用FPGA實現(xiàn)異步FIFO設(shè)計

目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)朝著高速和高精度的方向發(fā)展。隨著FPGA的集成度和運行速度的提高，可以滿足高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求。FPGA內(nèi)部具有豐富的存儲單元，易于實現(xiàn)各種存儲器(如FIFO、雙口RAM等)；另外，基于查找表的邏輯單元可用于實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理(如濾波等)，以輔助DSP處理器做各種預(yù)處理。

TI公司推出的高性能數(shù)字信號處理芯片TMS320C6000系列，工作頻率最高可達(dá)到1GHz，具有處理速度快、靈活、精確和可靠性高等優(yōu)點，作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的主處理器，可以滿足實時性的要求?；谝陨峡紤]，北京合眾達(dá)公司開發(fā)了采用TMS320C6416和FPGA的高速高精度雙通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每個通道的采樣率為3Msps，最高可達(dá)10Msps，采樣精度為14b。系統(tǒng)主要包括以下幾部分：高速A/D轉(zhuǎn)換、FIFO數(shù)據(jù)緩存和EDMA數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

AD9243及轉(zhuǎn)換控制

設(shè)計中采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片是AD9243。AD9243是ADI公司生產(chǎn)的14位、3Msps高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD9240與AD9243完全兼容，因此系統(tǒng)的最高采樣率可兼容到10Msps。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9243的時序控制與傳統(tǒng)的A/D有所不同，完全依靠時鐘控制采樣、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出，在第一個時鐘的上升沿開始采樣轉(zhuǎn)換，第四個時鐘上升沿到來時，數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在D1~D14端口上。本文采用系統(tǒng)自通電時起，A/D和時鐘電路始終處于工作狀態(tài)，對數(shù)據(jù)不停進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以減少誤碼率，提高采樣精度。

FIFO的實現(xiàn)及控制

設(shè)計中采用FPGA來實現(xiàn)雙通道數(shù)據(jù)的緩存和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬁刂?。Spartan3E是一款高性能低價格的可編程邏輯器件，具有豐富的邏輯單元和存儲單元。其內(nèi)部的BlockRam可以配置為大小不同的各種類型存儲器，如單口RAM、雙口RAM和同步FIFO，其中FIFO更適合作為A/D采樣數(shù)據(jù)高速寫入的存儲器。FIFO存儲器就像數(shù)據(jù)管道一樣，數(shù)據(jù)從管道的一頭流入、從另一頭流出，先進(jìn)入的數(shù)據(jù)先流出。FIFO具有兩套數(shù)據(jù)線而無地址線，可在其一端寫操作而在另一端進(jìn)行讀操作，數(shù)據(jù)在其中順序移動，從而達(dá)到很高的傳輸速度和效率，且由于省去了地址線，有利于PCB板布線。

采用FIFO構(gòu)成高速A/D采樣緩存時，由于轉(zhuǎn)換速度較快，如果直接將ADC采樣后的數(shù)據(jù)存儲到FIFO中，對時序配置要求非常嚴(yán)格，如果兩者時序關(guān)系配合不當(dāng)，就會發(fā)生數(shù)據(jù)存儲出錯或者掉數(shù)。利用FPGA可以方便地控制時序和數(shù)據(jù)傳輸，簡單、可靠地實現(xiàn)采樣和存儲是選用FPGA的優(yōu)點。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中只采用了一個外部時鐘源，直接輸入到FPGA，經(jīng)DCM分頻后作為FIFO和ADC的時鐘源。

在軟件設(shè)計中，采用ISE開發(fā)環(huán)境開發(fā)FPGA時，調(diào)用Core Generator來構(gòu)造FIFO，可以設(shè)置FIFO的參數(shù)，如深度和寬度；設(shè)置FIFO的各種標(biāo)志和控制位，如空滿、半滿全滿、半空全空、可編程滿和可編程空等標(biāo)志位；寫使能、讀使能等控制位，以便實現(xiàn)與高速A/D和DSP的邏輯接口。FIFO的輸入輸出引腳如表所示：其中WR_EN由DSP的GPIO口引出，控制數(shù)據(jù)是否寫入到FIFO中，輸出引腳中只用到了PROG_FULL即可與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

FPGA的作用除了構(gòu)造FIFO以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通道復(fù)用外，還可以作為協(xié)處理器進(jìn)行實時要求性高的數(shù)據(jù)預(yù)處理(如插值、取平均、FIR濾波等)，以減少DSP處理的數(shù)據(jù)量。設(shè)計中采用分布式算法的FIR濾波，首先對ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR濾波，然后存入FIFO中以等待DSP的讀取。FPGA代替ASIC和DSP作為前端數(shù)字信號處理的運算，在規(guī)模、重量和功耗方面都有所降低，而且吞吐量更高，開發(fā)成本進(jìn)一步縮小。

FPGA設(shè)計中，需提供外部閃存來存儲FPGA的下載文件，上電后數(shù)據(jù)會自動下載到FPGA內(nèi)部，以對FPGA進(jìn)行配置。FPGA有多種配置方式，包括主串、從串、主并、從并、SPI、BPI，以及JTAG等方式。串行方式即逐位串行配置，接線簡單，但速度比較慢，并行方式即8位同時傳輸，速度快，但接線復(fù)雜。串行方式和并行方式都需要外加閃存作為配置文件的存儲器。設(shè)計中本文采用C6416的多通道緩存串行口(McBSP)以SPI方式對FPGA進(jìn)行配置。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

接口和控制電路的設(shè)計

系統(tǒng)的接口和控制電路主要包括以下兩個部分：

1. ADC與FIFO的接口電路

利用FPGA構(gòu)造了兩個完全一樣的FIFO，將兩路A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分別送入兩個FIFO中，實現(xiàn)雙通道采樣數(shù)據(jù)的緩存和傳輸。設(shè)計中A/D轉(zhuǎn)換時鐘和FIFO寫時鐘為同一時鐘源，自上電起，A/D和時鐘電路一直處于工作狀態(tài)，不停的進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，但數(shù)據(jù)是否寫入到FIFO中，由FIFO的寫使能信號來決定，當(dāng)DSP發(fā)出寫使能信號有效時，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)才能存儲到FIFO中。從前面的A/D時序電路中可知，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出和轉(zhuǎn)換時鐘有一定的相位差，在FPGA內(nèi)部可通過延時或時鐘管理器來滿足建立時間和保持時間，保證數(shù)據(jù)不失碼地傳輸?shù)紽IFO中。

2. FIFO與C6416的接口電路

C6416有兩個EMIF口，即EMIFA和EMIFB，其中EMIFA的總線寬度支持64b、32b、16b和8b，尋址空間為1024Mb；EMFIB的總線寬度支持16b和8b，尋址空間為256Mb。本文采用EMIFB作為與FIFO的接口，其總線寬度配置為16b。EMIFB可以與各種外部存儲器實現(xiàn)無縫接口，如SBSRAM、SDRAM、異步設(shè)備(包括SRAM、ROM和FIFO)和外部共享存儲設(shè)備等。設(shè)計中EMFIB和FIFO的接口采用異步讀的方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，即通過由/ARE和地址來實現(xiàn)對兩個同步FIFO的異步讀，其控制接口信號的連接關(guān)系為：

RD_CLK=/ARE

RD_EN1=A20

RD_EN2=A19

表1：FIFO的輸入輸出引腳定義

設(shè)計中將兩個FIFO的存儲空間都映射到EMIFB的BCE2中，當(dāng)FIFO的可編程滿信號PROG_FULL有效時，引發(fā)外部中斷，觸發(fā)EDMA以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。由于FIFO不需要地址線，可以通過簡單的接口來產(chǎn)生EDMA的讀地址，實現(xiàn)EDMA分時讀兩個FIFO。異步讀FIFO必須滿足下列時序關(guān)系：

異步讀時序如圖2所示，其中EMFIB的時鐘可以是外部時鐘源，也可以是由CPU時鐘分頻獲得。設(shè)計中使用外部時鐘源，其頻率為133MHz，可以根據(jù)EMIFB的讀寫控制寄存器配置Setup、Strobe和Hold的值。

圖2：異步讀時序圖

本文小結(jié)

本文系統(tǒng)地介紹了一種由數(shù)字信號處理器TMS320C6416、可編程邏輯器件Spartan3E構(gòu)成的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗表明，系統(tǒng)具有抗干擾強、可靠性高、失碼率低等優(yōu)點。設(shè)計中采用了FPGA來構(gòu)造FIFO，可根據(jù)不同的應(yīng)用場合對FPGA編程以滿足設(shè)計要求，因此靈活性較大，是一種較好的高速數(shù)據(jù)采集方案。此外，采用了EDMA傳輸，適于在實時性要求較高的各種高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用。該數(shù)據(jù)采集卡采用標(biāo)準(zhǔn)擴展總線接口，可以與合眾達(dá)公司的DEC6000系列開發(fā)板連接。