可變參數(shù)數(shù)據(jù)采集控制電路的FPGA實(shí)現(xiàn)

李 媛，王 暢，郭建新，劉尚峰③

（①空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院，陜西 西安 710077；②華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011；③空軍雷達(dá)學(xué)院，湖北 武漢 430019）

0 引言

數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)是現(xiàn)代信號處理的基礎(chǔ),廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、遙測遙感等領(lǐng)域。隨著信息科學(xué)的飛速發(fā)展,人們面臨的信號處理任務(wù)愈來愈繁重,對數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的要求也愈來愈高[1]。數(shù)字采集卡[2]是現(xiàn)代數(shù)字通信接收機(jī)和信號分析處理的常用設(shè)備，其基本功能就是對接收到的模擬信號進(jìn)行受控采樣，獲得滿足要求的數(shù)字信號。常用的數(shù)據(jù)采集方案往往采用單片機(jī)(MUC)或數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制器,以控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)、存儲器和其他外圍電路的工作,但因單片機(jī)自身指令周期及處理速度的影響,很難達(dá)到多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求,雖然 DSP可以實(shí)現(xiàn)較高速的數(shù)據(jù)采集,但在提高其速度的同時(shí),也增加了系統(tǒng)成本[3]。由于FPGA[4]技術(shù)具有工作頻率高，設(shè)計(jì)靈活，可編程性好，適合于時(shí)序、組合邏輯電路應(yīng)用等特點(diǎn)，使得FPGA在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集上有著不可比擬的優(yōu)勢。基于FPGA平臺，運(yùn)用VHDL語言[5]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制電路系統(tǒng)，最大限度地提高信號采集和處理能力。

1 設(shè)計(jì)需求

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求如下：

①采樣率：20 MHz和20.32 MHz可選，通過外部選擇信號控制；

②采樣位寬：12 bits；

③采樣開始條件：支持軟件軟觸發(fā)和外部硬觸發(fā)；

④采樣批次控制：通過控制可以實(shí)現(xiàn)一次采1、2、4、8或16批數(shù)據(jù)；

⑤采樣深度控制：每一批深度可分別為128、256、512、1024、2048、4096、8192、16384。

⑥采樣時(shí)延控制：接收到采樣開始命令后，要延時(shí)規(guī)定時(shí)間才能進(jìn)行采樣，延時(shí)時(shí)間為 16、32、64、128、512、1024、2048、4096個采樣時(shí)間。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)組成與總體流程

采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路，將控制電路各功能對應(yīng)到各個具體設(shè)計(jì)模塊，將系統(tǒng)劃分為以下4個模塊：時(shí)鐘產(chǎn)生與選擇模塊、延時(shí)控制模塊、深度和批次控制模塊、存儲輸出模塊。其組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

其中，時(shí)鐘產(chǎn)生與選擇模塊的主要功能是對外部輸入的2個時(shí)鐘信號源進(jìn)行選擇，并輸出其中一個作為整個控制系統(tǒng)的主時(shí)鐘；時(shí)延控制模塊的主要功能是接收到觸發(fā)脈沖后，對其進(jìn)行規(guī)定時(shí)長延遲處理后，輸出使能信號至采樣深度和批次模塊；深度和批次控制模塊的主要功能是在時(shí)延控制模塊使能信號的控制下，按照規(guī)定深度和批次對信號進(jìn)行采樣，并產(chǎn)生寫地址、讀地址和存儲輸出使能控制信號至存儲和輸出控制模塊；存儲和輸出模塊的主要功能是在深度和批次控制模塊寫地址、讀地址和存儲輸出使能信號的控制下，對輸入采樣信號進(jìn)行緩存和輸出。

系統(tǒng)工作流程如圖2所示，可歸納為4步。①讀取時(shí)鐘選擇信號，進(jìn)行主時(shí)鐘選擇；②等待采樣觸發(fā)信號，收到，系統(tǒng)跳入下一步，否則等待；③讀取采樣延時(shí)控制字，并延時(shí)處理，滿足控制要求跳入下一步，不滿足則繼續(xù)延時(shí)處理；④讀取采樣深度和批次控制字，對輸入信號進(jìn)行采樣、緩存、讀取處理，滿足控制要求停止操作轉(zhuǎn)入初始等待狀態(tài)，不滿足則繼續(xù)處理。需要指出的是，存儲操作和讀取操作之間有3個時(shí)鐘差，外部表現(xiàn)為RAM存儲操作第3個采樣數(shù)據(jù)后，讀取操作開始。

2.2 各模塊實(shí)現(xiàn)方案

2.2.1 時(shí)鐘產(chǎn)生與選擇模塊

該模塊在設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊庫中的ALTCLKCTRL元件。其工作原理是通過時(shí)鐘選擇器通過電平變化控制20 MHz和20.32 MHz時(shí)鐘輸出。

2.2.2 延時(shí)控制模塊

延時(shí)控制模塊的工作原理是接收到采樣使能信號后，通過比較器對計(jì)數(shù)結(jié)果與延時(shí)控制字進(jìn)行比較后，到達(dá)延時(shí)規(guī)定時(shí)間時(shí)產(chǎn)生采樣開始使能信號，并輸出至后續(xù)模塊，延時(shí)時(shí)間為16、32、64、128、512、1024、2048、4096 個采樣時(shí)間。

圖2 系統(tǒng)總體流程

2.2.3 深度和批次控制模塊

如圖3所示是深度和批次控制模塊的設(shè)計(jì)原理圖，可看到該模塊由深度和批次控制部分、寫地址產(chǎn)生器、讀地址產(chǎn)生器3部分組成。

圖3 深度和批次控制模塊

深度和批次控制部分由非門、D觸發(fā)器、“sampling_ctrl”和 “en_gate”塊構(gòu)成。現(xiàn)對“sampling_ctrl”4 個輸出端口的功能進(jìn)行簡要說明：①“ctrl”：當(dāng)完成1個批次的采樣后，輸出一個脈沖，對地址產(chǎn)生器進(jìn)行清零。完成全部批次采樣后，保持高電平“1”；②“stuck1”：經(jīng)過非門和“en_gate”處理，產(chǎn)生寫計(jì)數(shù)器和寫存儲器的使能信號“wren”；③“stuck2”：經(jīng)過非門、“en_gate”和延遲處理，產(chǎn)生讀計(jì)數(shù)器和讀存儲器的使能信號“rden”；④“done”：采樣結(jié)束后，產(chǎn)生清零脈沖，輸出至延時(shí)計(jì)數(shù)、地址計(jì)數(shù)、存儲輸出等模塊。

地址產(chǎn)生器，利用模塊庫中的LPM_COUNTER元件，將時(shí)鐘、使能和清零信號“ctrl”分別接入對應(yīng)端口，實(shí)現(xiàn)對存儲輸出模塊的地址選擇。

2.2.4 存儲輸出模塊

該模塊采用模塊庫中的LPM_RAM_DP元件，其工作原理是在寫地址、讀地址和存儲讀取使能信號的共同控制下，對端口輸入的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和讀取輸出。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用Quartus Ⅱ[6]Simulator進(jìn)行時(shí)序仿真和功能驗(yàn)證。如表1所示。

表1 主要控制端口功能說明

通過對上述控制端口的選項(xiàng)進(jìn)行逐個測試，時(shí)序仿真結(jié)果均滿足預(yù)定的各項(xiàng)要求。

現(xiàn)選擇時(shí)鐘“clk1”，延時(shí)64個時(shí)鐘、深度控制128點(diǎn)、批次控制3為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果如圖4所示，在對“ready”觸發(fā)脈沖進(jìn)行 64個時(shí)鐘延遲后，采樣控制電路對測試信號進(jìn)行采樣存儲操作，經(jīng)過3個時(shí)鐘的延遲處理后，對存儲的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行同步讀取。

在每批次完成后，寫地址和讀地址計(jì)數(shù)器分別進(jìn)行清零操作，值得注意的是由于讀地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)開始時(shí)間稍晚于寫地址計(jì)數(shù)器，故其清零也較寫地址計(jì)數(shù)器有所延遲。最后，在所有采樣緩存、讀取操作完成后，各控制端口收到清零信號，恢復(fù)等待狀態(tài)。

圖4 系統(tǒng)時(shí)序仿真驗(yàn)證

對其他參數(shù)做了相應(yīng)仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了此控制電路的各項(xiàng)功能，限于篇幅，不再贅述。

4 結(jié)語

基于FPGA平臺，采用原理圖設(shè)計(jì)輸入和硬件描述語言設(shè)計(jì)輸入相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了可變參數(shù)數(shù)字采集器的多采樣率、多深度、多批次以及多采樣時(shí)延控制功能。電路的設(shè)計(jì)提高了數(shù)據(jù)采集的直觀可控性，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，有重要的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步可增加其他如顯示、繪圖、打印的功能并可實(shí)現(xiàn)可視化的人機(jī)界面。實(shí)際測試和應(yīng)用表明，可廣泛應(yīng)用各種過程控制和自動化過程中。

[1] 牛國朋,袁洪，范建軍.一種基于FPGA和DSP的高性能PCI數(shù)據(jù)采集處理卡設(shè)計(jì)[J]. 《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與 SOC)2006（22）：137-139.

[2] 朱志亮，邱紹峰.基于FPGA的STM-1數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2007，40（11）：262-264.

[3] 王永水,任勇峰,焦新泉.基于FPGA的160路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國外電子元器件,2008(10):4-5.

[4] 樂健，陳紹偉，吳婷婷.基于FPGA的PCI接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息安全與通信保密，2010（05）：41-43.

[5] 姜立東.VHDL語言程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用 [M]. 第2版.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004：152-168.

[6] 褚振勇 齊亮.FPGA設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [M].第2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006:139-179.