多種觸發(fā)功能的可編程高速數(shù)據(jù)采集模塊

田曉紅，張凱，劉群

（1.揚州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，揚州 225002；2.揚州大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ）

田曉紅（碩士研究生），研究方向為基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集；張凱（教授），研究方向為嵌入式系統(tǒng)；劉群（碩士研究生），研究方向為生物物理學(xué)。

引 言

在數(shù)據(jù)采集的過程中，為了不漏掉任何一個既定特征的信號，A／D轉(zhuǎn)換器必須不斷地采集數(shù)據(jù)。但是由于存儲器容量的限制，不可能無限制地采集并存儲數(shù)據(jù)［1－2］。如何使模塊能自動檢測、采集并存儲有效數(shù)據(jù)呢？觸發(fā)技術(shù)的引入可以解決這一問題。觸發(fā)是為了有效地觀測信號，當被測信號滿足觸發(fā)條件時，啟動一次數(shù)據(jù)采集，使用戶在屏幕上能觀測到滿足觸發(fā)條件的波形［3－4］。

觸發(fā)電路在以往的設(shè)計中，多采用電平比較器，其缺點是：采用的分立元件多，不利于模塊移植和速度的提升，同時觸發(fā)方式多樣化配置也受到硬件限制，不具備智能化特點。本模塊基于高速A／D轉(zhuǎn)換器和FPGA，提出了一種全數(shù)字化的多種觸發(fā)功能的高速數(shù)字采集設(shè)計方案。模塊接口易于移植，采集頻率高達50MHz，具有多種可編程觸發(fā)功能，采用的觸發(fā)窗技術(shù)［5］進一步保證了采樣存儲數(shù)據(jù)的正確性和有效性。

1 高速數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)

高速數(shù)據(jù)采集模塊由FPGA存儲控制、傳輸電路和AD9057數(shù)據(jù)采集部分構(gòu)成。其中FPGA為此次模塊設(shè)計的重點。多種觸發(fā)功能的高速數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。采用Cyclone［6］系列EP1C6Q240C8型號的FPGA控制芯片，其Bank4I／O口與 AD9057相連，有源晶振提供了50MHz的時鐘頻率。

圖1 多種觸發(fā)功能的高速數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)框圖

此模塊通過通信接口動態(tài)設(shè)置觸發(fā)極性、觸發(fā)模式、觸發(fā)窗長度、觸發(fā)點電平，觸發(fā)極性可選上升沿觸發(fā)rising＿edge和下降沿觸發(fā)falling＿edge兩種。觸發(fā)模式可分為前觸發(fā)pre＿trigger、中間觸發(fā) mid＿trigger、后觸發(fā)post＿trigger三種模式。觸發(fā)窗長度設(shè)置為0～100的整數(shù)，觸發(fā)點電平可設(shè)置為0～255的整數(shù)。

當連接通信接口的外部顯示控制界面設(shè)置好觸發(fā)極性、觸發(fā)模式、觸發(fā)窗長度、觸發(fā)點電平時，開始啟動采集命令，包裝好的40位數(shù)據(jù)流將被發(fā)送到FPGA；FPGA接收到40位數(shù)據(jù)后，迅速分離成5個8位數(shù)據(jù)，即觸發(fā)極性、觸發(fā)模式、觸發(fā)窗長度、觸發(fā)點電平和采集啟動信號，利用FIFO存儲器先進先出的特性以及對AD9057的控制時序，配合觸發(fā)信號存儲A／D數(shù)據(jù)；當采樣完成后，F(xiàn)IFO中的數(shù)據(jù)可以被發(fā)送到外部的顯示控制界面直觀地顯示出來。

1.1 觸發(fā)信號的產(chǎn)生

傳感器探測和感知的模擬信號一般都帶有一定干擾，如果僅憑一個觸發(fā)點來決定觸發(fā)的位置則很難控制，在本模塊觸發(fā)位置的設(shè)計中采用了三點觸發(fā)窗技術(shù)，觸發(fā)窗的設(shè)置可以有效地屏蔽模擬信號的抖動，使模塊正常運行。

觸發(fā)極性triggerpolar有上升沿觸發(fā)rising＿edge和下降沿觸發(fā)falling＿edge兩種模式，在這兩種觸發(fā)極性下，觸發(fā)信號上升沿表示模塊開始存儲A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。模塊設(shè)置了觸發(fā)字1和觸發(fā)字2，觸發(fā)字1為觸發(fā)點加上觸發(fā)窗長度，如果結(jié)果小于255則觸發(fā)字為兩者相加結(jié)果，否則為255；觸發(fā)字2為觸發(fā)點減去觸發(fā)窗長度，如果結(jié)果大于0則觸發(fā)字為兩者相減結(jié)果，否則為0。

圖2是下降沿觸發(fā)信號產(chǎn)生圖。圖中模塊開始采樣時，A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與觸發(fā)字1和觸發(fā)字2不斷地比較，當A／D數(shù)據(jù)大于觸發(fā)字1時，觸發(fā)信號輸出為低電平；此后A／D數(shù)據(jù)與觸發(fā)字2比較，當A／D數(shù)據(jù)小于觸發(fā)字2，觸發(fā)信號輸出高電平。

圖2 下降沿觸發(fā)信號產(chǎn)生圖

compare＿standard1、compare＿standard2分別是觸發(fā)字1和觸發(fā)字2。flag為標志變量，當A／D數(shù)據(jù)大于觸發(fā)字1時，flag＝1；當 A／D數(shù)據(jù)小于觸發(fā)字2時，flag＝0。具體實現(xiàn)的代碼如下：

1.2 觸發(fā)模式的選擇

觸發(fā)模式分為前觸發(fā)、中間觸發(fā)和后觸發(fā)。觸發(fā)模式的選擇決定了觸發(fā)的預(yù)觸發(fā)深度N的不同。在一定的存儲深度M下，捕捉的波形在觸發(fā)點P附近被最大化地存儲和顯示。觸發(fā)點前端波形的觀察選擇前觸發(fā)模式，即預(yù)觸發(fā)深度占存儲深度的比例要大［7］。觸發(fā)模式如圖3所示。S代表起點，E代表結(jié)束點。觸發(fā)點前后波形的觀察選擇中間觸發(fā)模式，觸發(fā)點后端波形的觀察選擇后觸發(fā)模式。

圖3 觸發(fā)模式

1.3 FIFO讀寫數(shù)據(jù)控制

FIFO存儲器的讀寫［8］是用狀態(tài)機來實現(xiàn)的。5個狀態(tài)分別為 wait、wr＿trigger、wr＿read、wr＿full、read。FIFO控制器流程如圖4所示。模塊開始進入wait狀態(tài)等待啟動信號start上升沿，如果start上升沿到來模塊轉(zhuǎn)到wr＿trigger狀態(tài)，否則將在wait狀態(tài)一直等待；當模塊進入wr＿trigger狀態(tài)時，F(xiàn)IFO開始寫數(shù)據(jù)直到滿足觸發(fā)模式的預(yù)觸發(fā)深度，此時的寫時鐘等于采樣時鐘；此后模塊進入wr＿read狀態(tài)，F(xiàn)IFO開始一邊讀數(shù)據(jù)一邊寫數(shù)據(jù)，即一直保持FIFO中存儲的數(shù)據(jù)是最新A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，此時的讀寫時鐘與采樣時鐘是同頻的。直到觸發(fā)信號上升沿的到來，否則FIFO存儲器將一直讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)；當觸發(fā)信號上升沿有效時，模塊進入wr＿full狀態(tài)，F(xiàn)IFO存儲器停止讀數(shù)據(jù)，開始寫數(shù)據(jù)，直到FIFO寫滿數(shù)據(jù)；當FIFO寫滿數(shù)據(jù)（full＝1）以后，模塊轉(zhuǎn)到read狀態(tài)，F(xiàn)IFO開始讀數(shù)據(jù)并通過通信接口發(fā)送到顯示控制界面進行直觀的顯示，直到FIFO為空empty＝1，此時讀時鐘為顯示時鐘；FIFO讀數(shù)據(jù)操作完畢，模塊將一直停留在wait狀態(tài)等待下一次采集啟動信號的到來，如此反復(fù)執(zhí)行。

圖4 FIFO控制器流程

1.4 高速數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計

AD9057是8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以達到60MHz的最大采樣頻率。設(shè)計中，模塊采用50MHz的采樣頻率，AD9057帶有2.5V的基準電壓，可以對1V峰峰值輸入模擬信號進行A／D轉(zhuǎn)換［9］。通常采用高頻、寬帶運放對模擬信號進行緩沖，本設(shè)計中采用AD8041作為放大器，AD9057高速數(shù)據(jù)采集模塊電路圖電路圖如圖5所示。

圖5 AD9057高速數(shù)據(jù)采集模塊電路圖

2 結(jié) 論

模塊可以工作在50MHz的采樣頻率下，并且在模擬信號幅度偏小和有一定干擾的情況下也可以正常地工作。本次設(shè)計中采用了VC＋＋6.0編寫的顯示控制界面進行模塊驗證［10］。圖6是數(shù)據(jù)采集模塊捕捉的頻率為5MHz、300mVpp交替出現(xiàn)間隔為1ms的一個脈沖波形圖。

其中，觸發(fā)模式選用中間觸發(fā)，觸發(fā)極性為上升沿，采樣頻率為50MHz。由此可見，本模塊的技術(shù)方案可行，具有靈活簡潔的特點，可以應(yīng)用在程控儀器和自適應(yīng)信號采集與處理系統(tǒng)中。

圖6 5MHz、300mVpp脈沖波形圖

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