高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高能電子在磁場(chǎng)中受到徑向加速，在軌道的切線方向會(huì)發(fā)出很強(qiáng)的電磁輻射——同步輻射。隨著對(duì)同步輻射光源研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)同步輻射光源有著許多其它光源無法比擬的特點(diǎn)：具有從遠(yuǎn)紅外到X射線范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，準(zhǔn)直性好，光度高，偏振性好，時(shí)間結(jié)構(gòu)優(yōu)良，穩(wěn)定性高。同步輻射光源是現(xiàn)代科學(xué)中唯一能同時(shí)用于前沿科學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用研究和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)的綜合性科技裝置，因此被稱為是繼電光源、X光源和激光光源之后的第四種為人類文明帶來革命性推動(dòng)的新型光源。合肥國(guó)家同步輻射裝置(NSRL）屬于第二代光源，主要設(shè)備包括：800MeV電子儲(chǔ)存環(huán)作為光源主體，200MeV電子直線加速器作為注入器，另外包括5個(gè)同步輻射試驗(yàn)站及相應(yīng)的光束線。合肥國(guó)家同步輻射裝置工作在多圈注入，全環(huán)填充模式。當(dāng)直線加速器輸出的電子束團(tuán)的脈寬為1ms時(shí)，一次注入4圈左右(環(huán)中電子回旋一周的時(shí)間約0.22ms), 重復(fù)多圈注入，直到達(dá)到預(yù)定的流強(qiáng)。在這種注入模式下，儲(chǔ)存環(huán)的45個(gè)高頻俘獲區(qū)(buckets)都有束團(tuán)存在，束團(tuán)之間的時(shí)間間隔約為4.9ms(1/204.035MHz)。

BPM系統(tǒng)的用途就是測(cè)量一圈一圈的束流軌跡信號(hào)，它在加速器上的作用主要有以下3點(diǎn)：

1）用于監(jiān)測(cè)注入時(shí)束流的位置，判定注入效率和衰減率；

2）在任意時(shí)刻可以研究 beta振蕩和軌道的瞬時(shí)變化；

3）在穩(wěn)態(tài)時(shí)，帶一個(gè)外部kicker,采用兩個(gè)以上BPM能夠作相空間測(cè)量。

當(dāng)加速器里電子束團(tuán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，BPM感應(yīng)電極將在四個(gè)電極上感應(yīng)出強(qiáng)弱不同的電信號(hào)。將這四路信號(hào)先送到模擬信號(hào)處理部分進(jìn)行對(duì)數(shù)放大和相應(yīng)的加減計(jì)算，然后送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在時(shí)鐘系統(tǒng)送來的同步時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)操作。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括：A/D轉(zhuǎn)換邏輯設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的采集，傳輸與分離，以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)與控制。本文主要介紹PCI總線結(jié)構(gòu)，總線控制器S5933,流水線式ADC,以及前端的電平轉(zhuǎn)換電路和ADC之后的FIFO緩沖。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成如圖2所示。

當(dāng)加速器環(huán)內(nèi)電子束團(tuán)運(yùn)動(dòng)時(shí)BPM感應(yīng)電極時(shí)將在四個(gè)電極上感應(yīng)出強(qiáng)弱不同的電信號(hào)。將這四路信號(hào)先送到模擬信號(hào)處理部分進(jìn)行對(duì)數(shù)放大和相應(yīng)的加減運(yùn)算，然后送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將在時(shí)鐘系統(tǒng)送來的同步時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。

經(jīng)前端的對(duì)數(shù)放大器之后，信號(hào)送入采集卡的模擬輸入端，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送入流水線型ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化結(jié)果送入FIFO，在邏輯控制下將數(shù)據(jù)送入PCI總線控制器S5933，由5933進(jìn)行主控方式的猝發(fā)傳輸?shù)絻?nèi)存。ADC的轉(zhuǎn)換速率以及何時(shí)開始轉(zhuǎn)換由定時(shí)系統(tǒng)提供的同步時(shí)鐘控制，由于ADC為流水線型，所以FIFO寫入時(shí)鐘與ADC相同，可以減少硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。采集卡的速度為20Mb/s，連續(xù)采集2秒鐘，也就是說要有40Mb數(shù)據(jù)量。該采集卡主要設(shè)計(jì)難度是高速和數(shù)據(jù)量大，決定采用S5933工作在Master方式下來完成數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)。

PCI總線協(xié)議是Intel公司1992年提出，為滿足高速數(shù)據(jù)輸入/輸出要求而設(shè)計(jì)的一種低成本，高性能的局部總線協(xié)議。PCI總線采用站連接方式，總線上的設(shè)備可以以系統(tǒng)總線的速度在相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，或直接訪問系統(tǒng)的RAM,所有的傳輸操作都以猝發(fā)方式完成。PCI總線的極限傳輸速率為132Mb/s(33MHz×4Byte)。

PCI總線接口分為主控設(shè)備和從設(shè)備兩種工作方式。部分只能工作于從設(shè)備方式下，而有些既可以工作在從設(shè)備方式，也可以工作在主控設(shè)備方式下。主控方式下，接口設(shè)備占用總線，無需CPU干預(yù)，即可以與內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的猝發(fā)式交換，或者在設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。

PCI總線控制器S5933是AMCC生產(chǎn)的PCI接口芯片，支持PCI協(xié)議2.1版，可以作為PCI總線的主控設(shè)備和從設(shè)備使用。S5933支持用戶板上總線寬度有8位，16位和32位，并提供三種擴(kuò)展總線（ADD_ON BUS）接口：FIFO接口；Pass_Thru接口；Mailbox接口。

這些接口的工作方式可以通過S5933的配置寄存器來設(shè)置和讀取，工作狀態(tài)可以通過狀態(tài)寄存器來讀取。另外S5933還提供可以選擇的啟動(dòng)時(shí)初始化接口，可以通過串行或字節(jié)寬度的Nv_RAM來進(jìn)行初始化。其結(jié)構(gòu)圖如下：

S5933提供了三種物理接口：郵箱接口(Mailbox),直接接口（Pass-Thru Interface)和FIFO接口。下面主要介紹我們所用到的FIFO接口。S5933內(nèi)部有16個(gè)32位FIFO寄存器，分為兩組：8個(gè)32位 FIFO寄存器用于從PCI總線到擴(kuò)展總線傳輸數(shù)據(jù)，8個(gè)32位FIFO寄存器用于從擴(kuò)展總線到PCI總線傳送數(shù)據(jù)。輸入和輸出FIFO都映射于操作寄存器的同一個(gè)單元（20H），因而，讀出的和寫入的不是同一個(gè)數(shù)，在數(shù)據(jù)寫入到FIFO之前，可以進(jìn)行字節(jié)對(duì)齊/交換。FIFO寄存器既支持從方式下的單周期數(shù)據(jù)異步操作，也支持主方式下的同步或異步猝發(fā)操作（DMA傳送）。在同一個(gè)應(yīng)用的不同時(shí)間可分別配置為主控方式和目標(biāo)方式。由PCI總線一側(cè)啟動(dòng)的總線傳送在完成或中止時(shí)可以向主機(jī)發(fā)中斷（INTA#），由擴(kuò)充總線一側(cè)啟動(dòng)的總線傳送在完成或中止時(shí)可以向終端設(shè)備微處理器發(fā)中斷(IRQ）。

S5933支持從PCI總線一側(cè)向擴(kuò)展總線(ADD_ON)一側(cè)的DMA傳輸和從擴(kuò)展總線一側(cè)向PCI總線一側(cè)的DMA傳輸，這些DMA傳輸都是通過S5933的FIFO通道來完成的。在S5933內(nèi)部，分別有一套與DMA讀操作和DMA寫操作有關(guān)的傳輸計(jì)數(shù)和地址寄存器,這些寄存器可以由PCI總線一側(cè)的CPU來設(shè)置和讀取，也可以由擴(kuò)展總線一側(cè)的控制邏輯來設(shè)置和讀取。在進(jìn)行DMA傳輸時(shí)，滿足DMA傳輸?shù)腟5933的FIFO狀態(tài)是可以設(shè)置的。共有兩種狀態(tài)可以使S5933去申請(qǐng)總線：一種是FIFO里有數(shù)據(jù)就可以取申請(qǐng)；另一種是FIFO中有大于四個(gè)的數(shù)據(jù)時(shí)才去申請(qǐng)總線。S5933一直占有總線進(jìn)行DMA傳輸，一直到以下情況發(fā)生：

讀操作時(shí)：傳輸計(jì)數(shù)(MRTCR)達(dá)到0；S5933的MCSR相應(yīng)使能位被置為無效或AMREN變?yōu)闊o效；另外的總線主控設(shè)備申請(qǐng)總線且當(dāng)前的時(shí)間片已經(jīng)用完；PCI從設(shè)備退出；PCI總線一側(cè)到擴(kuò)展總線一側(cè)的FIFO被寫滿。

寫操作時(shí)：傳輸計(jì)數(shù)達(dá)到0；S5933的MCSR相應(yīng)使能位被置為無效或AMREN變?yōu)闊o效；另外的總線主控設(shè)備申請(qǐng)總線且當(dāng)前的時(shí)間片已經(jīng)用完；PCI從設(shè)備退出；.PCI總線一側(cè)到擴(kuò)展總線一側(cè)的FIFO被寫滿。

由于本系統(tǒng)的高傳輸速度的要求，S5933采用DMA方式向內(nèi)存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，處于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和傳輸速度要求，與ADD_ON總線的數(shù)據(jù)傳輸采用S5933的FIFO接口控制邏輯采用了Lattice公司的CPLDPLSI1016。它是通用的高密度可編程芯片，信號(hào)為TTL電平，內(nèi)部集成2000個(gè)PLD門，最高工作頻率為120MHz。PLSI1016的編程可以通過Lattice公司開發(fā)的集成環(huán)境，如早期的Synario和后來的DesignExpert實(shí)現(xiàn)，用Abel語(yǔ)言輸入進(jìn)行編程，或者用原理圖來進(jìn)行輸入。在集成環(huán)境中對(duì)源文件進(jìn)行編譯時(shí)，軟件對(duì)其邏輯功能進(jìn)行分析優(yōu)化后，生成可以下載到器件中的JEDEC文件。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是BPM系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，在前端對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行初步的處理之后，在定時(shí)系統(tǒng)的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，對(duì)信號(hào)進(jìn)行AD變換，傳入內(nèi)存，最終生成存盤文件。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，已完成系統(tǒng)的要求?！?/font>