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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 模擬量輸入卡

基于PCIe總線的超高速信號采集卡的設計

發布日期：2022-04-27 點擊率：101

摘要：設計一種基于PCIe總線的不間斷采樣和傳輸的超高速數據采集卡。利用雙400MHz、14位AID轉換器實現了800 MHz、14位的信號高速、高精度采集，論述了利用Xilinx公司FPGA的IPCORE設計實現PCIe總線控制接口。基于PCIe總線，采用乒乓交換數據傳輸的機制，實現了高速采樣數據流的不間斷傳輸。最后給出了實際采集數據的頻譜。利用該采集卡構成的數據采集系統在雷達偵察和干擾領域擁有很高的實用價值和廣闊的應用前景。

在雷達對抗系統中，需要對于雷達信號進行實時測頻，并可以對感興趣的信號進行儲頻，為假目標欺騙干擾或壓制干擾提供測頻結果和儲頻數據。而數字測頻是當今發展最快的測頻技術之一。數字測頻、儲頻的關鍵技術之一即是超高速、高精度、不間斷的信號采集技術。采樣速率和精度的不斷提高，使得數據傳輸和存儲越來越成為數據采集系統的技術瓶頸。目前大部分高性能數據采集卡都是基于PCI、CPCI、VME等總線，最高持續傳輸速率難以超過400 MB／s，因此大多數采集卡采用采集和存儲分時工作的模式，即在板內設有一定容量的存儲器，當存儲器存儲數據到一定量時，停止采集而開始上傳數據，上傳完畢后再重新啟動采集，不斷循環，文獻也提出采集傳輸的流水工作模式，提高采集的效率。這些工作方式雖然也能滿足大部分數據采集的要求，但是在信號非常密集的環境中，交替工作模式將導致偵察截獲概率降低，帶來干擾的效能下降。基于上述原因，本文論述了一種基于PCIe總線的數據采集卡，該采集卡不但可以達到800 MHz／s采樣率、14 bit采樣精度，還具有不間斷采集、實時上傳的能力(在測頻只取其中8位分辨力，儲頻時取14位分辨力，根據系統的總數據量可編程)。該采集卡可以與高速信號處理器配合使用，構成信道化的數字測頻、儲頻系統，雙信道系統的組成示意圖見圖l。

1 系統總體設計

本采集卡的設計主要包括超高速A／D轉換器模塊、時鐘產生模塊、大容量存儲器模塊和基于FPGA的控制模塊。如圖2所示，待采集的模擬信號經過信號調理放大到合適的電平范圍，送入到兩片工作于交叉采樣模式的A／D轉換器，轉化后數字信號直接送至FPGA控制器，在FPGA內部實現信號電平轉換數據緩沖后，首先存儲于A路動態存儲器中，當A路存儲器存滿后，數據立即轉存于B路存儲器，同時啟動數據上傳操作，將A路存儲器的數據通過DMA方式上傳至主機存儲或傳輸到信號處理板中；當B路存儲器存滿后，數據存儲立即切換至A路存儲器，同時也啟動B路存儲器的上傳操作，如此反復循環。由于PCIe接口傳輸速率大于信號采集速率，因此可以保證數據的不丟失。

2 雙路高速高精度A／D轉換器設計

高速A／D轉換器模塊是采集卡工作的最前端，它的設計優劣將決定著采集卡的性能指標。其中信號調理部分的功能就是在保證待測信號不失真的前提下，對輸入的信號進行低噪聲放大、濾波等處理。由于待采集的信號為高頻信號，需要進行阻抗匹配和前置放大，可以選用低失真的有源放大器或射頻變壓器。有源放大器的優點是輸入動態范圍大，在一定帶寬內增益可調，缺點是有源設計會引入一定噪聲；射頻變壓器的優點是無源設計、帶寬相對高，缺點是增益固定不可調，輸入信號的幅度受到限制，并且給系統帶來插入損耗。綜合考慮系統設計指標要求，本系統選用TI公司的THS4509放大器作為信號調理器件，該運放具有非常好的寬帶特性，增益設置為10 dB時，-3 dB帶寬達l900 MH-z，單電源供電以及輸出共模電壓可調的特性使得THS4509非常適合于高性能的信號采集系統中；考慮到目前市場上難以得到單片A／D轉換器可以達到800 MHz／s采樣率和14 bit分辨率的設計指標，因此采用了兩片ADS5474作為本采集卡的A／D轉換器，該A／D轉換器的最高采樣率為400MHz／s，14 bit的分辨率，-3 dB帶寬達l 400 MHz，LVDS電平的信號輸出可以直接連接至FPGA處理器，方便了系統設計，兩片ADS5474 工作于交叉采樣模式，達到了等效于800 MHz／s的采樣效果。

信號采集是連續的，而數據的上傳是由主機軟件通過DMA方式間斷獲取，因此需要設計大容量的存儲器以緩存數據，同時為了達到不間斷采集目的，設計了兩塊存儲區采用乒乓緩存的工作方式，即一塊存儲區用于緩存A／D轉換器高速數據時，另一塊存儲區用于將先前已存儲的數據上傳。大容量內存采用Micron公司的內存模塊MT4HTF3264HY-53E，該內存模塊容量256 MB，數據總線寬度64 bit，采用SODIMM封裝形式，數據訪問帶寬最高可達4．3 GB／s，遠超出本系統的需求。

當采集卡工作于最高采樣率800 MHz／s、14 bit分辨率時，轉換的數據率將會達到1．6 GB／s，給后續的數據傳輸帶來非常大的壓力。常用的總線如PCI，PXI等已經滿足不了如此高的速率要求，本系統采用了8通道的PCIe總線來實現高速數據傳輸，每通道運行速率2．5 Gb／-s，采用8b／10b編解碼方式工作，可以得到總數據帶寬約2 GB／s，達到實時傳輸數據的要求。

3 基于IPCORE的PCIe控制接口設計

PCIe接口控制電路是本采集卡的關鍵模塊，通過PCIe控制核完成主機與采集卡的數據交互。PCIe擁有多種組件類型，每一類型均采用了復雜的系統級折衷方案，以滿足嚴格的設計目標。為了能加快產品研發進度，本設計采用Xilinx公司的Logicore IP for PCI Express來設計PCIe高性能互連設計接口，該IP核占用FPGA資源少、功耗低，包含有物理層、數據鏈路層、傳輸協議層和配置空間。如圖3所示，層與層之間有明確的分工，相比PCI總線不分層的協議描述更加抽象，傳輸協議層與數據鏈路層負責將采集到的數據按批次組包，包在層與層之間傳遞時會附加對應的校驗和幀信息。PCIe標準使用應答重傳機制，在數據鏈路層包括相應的應答延遲和重傳延遲定時器，這兩個定時器收到串行解串模塊與傳輸介質延遲的影響比較大，太小的重傳延遲往往會造成不必要的重傳，從而顯著降低性能，因此在不同的采集環境下需要進行針對性的調整。設計中這兩個定時器的值可以通過軟件界面進行配置修改，通過驅動軟件來動態修正兩個定時器以達到采集傳輸性能的最優化。

4．2 系統采集時序控制

系統控制模塊完成采集數據上傳、主機命令的下發和執行：系統控制采用有限狀態機的控制方式，如圖5所示。當系統上電后控制器默認進入初始化狀態，完成默認參數的配置，包括采樣頻率、采樣深度、觸發方式、時鐘源的選擇、模擬輸入的量程和耦合方式等，初始化執行完畢后進入空閑狀態，等待接收主機命令和執行操作；當接收到啟動采集的命令后，控制器首先將AD輸入的數據總線掛接在內存A數據總線上，并啟動內存A的DDR2控制器執行寫操作；當內存A存儲到軟件設定的深度或存滿時，切換AD輸入的數據總線掛接在內存B數據總線上，啟動內存B的DDR2控制器執行寫入操作，同時通過DMA中斷通知主機，等待主機上傳內存A中的數據；如此反復循環工作，直到收到主機停止采集的命令再返回到空閑狀態。