一種新型高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要： 介紹了一種基于USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計。該采集系統(tǒng)能夠?qū)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/雷達(dá)接收機(jī)">雷達(dá)接收機(jī)送來的信號進(jìn)行高速的采集，然后通過USB接口，將采集到的數(shù)據(jù)送到計算機(jī)，經(jīng)由上層軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

關(guān)鍵詞： USB2.0；FPGA；高速數(shù)據(jù)采集；雷達(dá)接收機(jī)

引言

　　在雷達(dá)接收機(jī)的測試和維護(hù)中，經(jīng)常需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)送入計算機(jī)進(jìn)行分析處理。鑒于對數(shù)據(jù)實時采集的需求，對采集系統(tǒng)提出三方面的要求：第一，接口簡單靈活且有較高的數(shù)據(jù)傳輸率；第二，采集的數(shù)據(jù)能夠快速處理并能方便提取原始數(shù)據(jù)；第三，數(shù)據(jù)采集裝置具備多路數(shù)據(jù)采集能力。對于一些特殊應(yīng)用，甚至需要整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠方便攜帶。

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多通過PCI總線完成數(shù)據(jù)的傳輸，但PCI總線存在嚴(yán)重缺陷：受限于計算機(jī)插槽數(shù)量和中斷資源；不便于連接與安裝；易受機(jī)箱內(nèi)電磁環(huán)境的影響。這些問題遏制了基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用。因此，需要一種更為簡便通用的方式來完成采集系統(tǒng)和計算機(jī)的數(shù)據(jù)的交互。

　　考慮到現(xiàn)代計算機(jī)上大都配備了USB接口，且USB支持即插即用，安裝方便，易于擴(kuò)展，USB2.0能夠達(dá)到480Mb/s的理論傳輸速度，非常適合在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用。因此，通過USB接口來完成數(shù)據(jù)傳輸是一個很好的替代方案。出于上述考慮，筆者設(shè)計了一個基于USB2.0接口的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過實際測試，該系統(tǒng)可以很好的完成數(shù)據(jù)采集的功能。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設(shè)計

　　高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)整體的設(shè)計思路如下：計算機(jī)將采集指令(包括數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)長度，FPGA控制指令等)送給USB控制芯片，USB控制芯片通過固件程序?qū)χ噶钸M(jìn)行簡單的格式判定，然后將判定后正確的指令送給FPGA，F(xiàn)PGA對指令進(jìn)行譯碼，獲得需要采集的數(shù)據(jù)的長度，以及采集的地址和控制信號，控制RAM來完成數(shù)據(jù)的采集存儲。雷達(dá)接收機(jī)送過來的數(shù)據(jù)和時鐘信號經(jīng)過長線接收器組以后，由差分信號變?yōu)槠胀ǖ臄?shù)字信號，時鐘信號送入FPGA，經(jīng)過處理后，用來控制數(shù)據(jù)的采集時刻，數(shù)據(jù)先存入RAM，待完成所需數(shù)目的采集以后，再通過USB控制芯片送給計算機(jī)，完成數(shù)據(jù)的后期處理和顯示。

圖1  高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

　　圖2為FPGA與USB控制芯片的連接圖，電路中FPGA選用EP1C3T144C8，USB控制芯片選用Cypress 公司的CY7C68013。USB_Ready 為USB芯片狀態(tài)標(biāo)志，低電平有效；FPGA_Ready為FPGA芯片狀態(tài)標(biāo)志，低電平有效；USB_Clk為USB向FPGA傳送指令的指令時鐘，USB_Data 為USB傳送給FPGA的控制指令；FD[15:0]為USB 與FPGA交互的數(shù)據(jù)。

圖2  FPGA與USB控制芯片的電路連接圖

　　FPGA與USB芯片之間的通信流程如下：
　　
　　1、FPGA發(fā)送FPGA_Ready信號給USB控制芯片，表示FPGA準(zhǔn)備好；

　　2、USB控制芯片發(fā)送USB_Ready信號給FPGA，表示在USB_Ready為低電平期間將有控制指令傳送；

　　3、USB控制芯片由Send_CLK發(fā)送時鐘信號，同時由Send_DATA發(fā)送控制指令給FPGA，控制指令在時鐘信號上升沿有效；

　　4、FPGA收到控制指令，執(zhí)行相應(yīng)動作。FPGA發(fā)送各種控制時序信號和RAM地址，把I路、Q路數(shù)據(jù)存在RAM里，而后將數(shù)據(jù)讀到FPGA，再通過FD[15：0]以字的形式傳給USB控制芯片的從屬FIFO端點EP8緩沖區(qū)，由PC機(jī)讀取。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件主要分為FPGA 模塊設(shè)計程序，USB 固件程序，以及上層應(yīng)用軟件程序。

　　FPGA模塊編程

　　系統(tǒng)采用Altera 公司的Cyclone系列的FPGA芯片，采用Verilog HDL 作為開發(fā)語言，開發(fā)環(huán)境采用Quartus II 5.0。

　　在系統(tǒng)的FPGA軟件設(shè)計過程中，根據(jù)功能的需要，將整個系統(tǒng)分為了三個大的模塊來設(shè)計，分別為：時鐘、控制指令輸出模塊，數(shù)據(jù)采集、存儲模塊，USB數(shù)據(jù)傳輸模塊。時鐘、控制指令輸出模塊對輸入的時鐘進(jìn)行整形，形成數(shù)據(jù)采集時鐘，同時，輸出22位控制電平信號；數(shù)據(jù)采集、存儲模塊對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并存儲在存儲器里；USB數(shù)據(jù)傳輸模塊讀取存儲器里的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)輸出至USB的FIFO里。