基于PC104+總線的24位AD數據采集卡設計

中國船舶重工集團公司第七一八研究所 胡 備

基于PC104+總線的24位AD數據采集卡設計

中國船舶重工集團公司第七一八研究所 胡 備

本文設計了一種基于PC104+總線的24bit分辨率數據采集卡，該采集卡具有高精度、高速度的優點。采用PLX9054控制芯片控制PCI時序，給出了具體的邏輯設計，通過實際測試，驗證了其實用性。

PC104+；PCI9054；24位AD

1 引言

隨著數字信號處理技術的快速發展,AD數據采集過程中的采樣和處理速度也越來越高。在某些數字信號處理場合,采樣信號的頻帶要盡可能的寬,動態范圍要盡可能大,以便獲取更多的信號細節特性。因此,數字信號處理系統對前端的A/D采樣電路要求更高,高精度、高分辨率,轉換速度也盡可能的快,以滿足整個系統實時性和精確度的要求。PCI總線作為一種高速同步總線,實現了設備間的快速訪問,并且有高達132MB/S 的數據傳輸率,而PC104+更以其緊湊的結構和方便的擴展性更有廣泛應用。本文采用了PC104+總線,結合PCI9054和FPGA作為控制中樞,設計了一種24位的AD數據采集卡。

2 采集卡總體結構

本設計中,采用一片PCI9054作為PCI總線控制器,一片采集控制芯片(FPGA)作為采集控制及時序控制,以及PCM4220芯片為核心的AD轉換模塊。總體結構框圖如圖1所示。該數據采集卡性能可以達到400k的采樣速率,分辨率在20左右,由于PCI總線不需CPU的介入便可進行數據傳輸,因此能在設備之間實現數據交換和快速訪問。

圖1 系統總體結構圖

欲采集信號經隔離放大后進入A/D模塊,在FPGA的控制下,由24bitADC芯片PCM4220將外部信號作模數轉換后,存入RAM之中。每一組數據采集完成后,由FPGA通過PCI9054向主機申請中斷,中斷響應通過PCI9054直接讀取RAM中的數據,再進行下一步的數據處理。

3 采集卡的設計方案

3.1 PCl總線控制器

PCI總線是一種高速同步總線,它可以實現突發傳遞、即插即用功能。由于PCI總線協議有一定的復雜性,其硬件電路實現起來較為困難,所以一般情況下通過兩種途徑實現:一種是選用專用協議處理接口芯片,或者是采用FPGA的IP核實現。兩者各有優缺點:專用芯片由于內部集成了處理協議的大部分功能,所以開發過程中并不需要設計者參與太多PCI協議相關內容,所以開發周期短,但是降低了系統的集成性,增加了成本;IP核方式要求設計者對PCI協議有深入了解,然后自行設計協議接口的時序和邏輯,這種方式的設計難度相對較大,但是保證了系統的集成性。本設計中,我們采用第一種方式,采用PLX公司的PCI9054作為PCI總線控制器。

選用PCI9054的c模式工作方式。在C模式下, PCI9054將PCI接口的地址和數據總線區分開,是系統設計中的一種常見模式。C模式下,要求設計者對時序能嚴格把控,使本地和總線兩部分的時序控制互不干擾,同時相輔相成,從而很好的應用9054芯片。在本設計中,將mode0和mode1引腳拉低,以確保mode[0:1]=00。

3.2 FPGA邏輯設計

本設計中采用的Altera公司的EP2C8Q208,其主要功能是負責PCI接口芯片的邏輯,在FPGA內部,集成了PCI局部總線、DMA控制器以及ADC芯片控制等功能,其內部邏輯結構框圖如圖2所示。其中,9054接口的主要任務是與PCI 總線完成握手過程,根據PCI9054芯片的時序要求產生時序對應的響應信號;當有數據寫入完畢后,負責產生中斷請求信號;時鐘信號部分用來產生片內所需的時鐘信號;控制部分根據總體時序邏輯來控制FPGA片內其它部分;DMA 控制器主要是地址控制器,按照相應的ADC頻率產生一個遞增的RAM地址,在寫入RAM時發揮作用,另外可以作為片選信號等邏輯。

圖3 PCl讀時序

圖4 PCl寫時序

圖2 FPGA內部邏輯框圖

PC104+主板通過向I/O口的既定地址單元執行寫入操作,從而觸發AD開始采集命令,此時控制部分使ADC芯片PCM4220相應引腳有效來啟動數據采集。當AD準備好數據并且數據有效時,由DMA控制器做出相應使得數據存入RAM。進而,PCI本地總線部分產生中斷信號申請中斷。與此同時,PCM4220仍繼續按遞增地址的方式將采集后的有效數據存入RAM。PC104+主板收到中斷信號后,執行中斷服務程序,讀取數據采集卡上RAM中的數據。PCI9054的數據地址線分別與RAM的數據地址線直接相連,讀寫控制線與FPGA相連,中斷有效后,PCI9054直接讀RAM中的數據。

4 設計時序圖

FPGA相關時序如圖3、圖4所示。

5 結論

經制板測試驗證,本文設計的24bit分辨率數據采集卡,具有高精度、高速度的優點。采用PLX9054控制芯片控制PCI時序,給出了具體的邏輯設計,通過實際測試,驗證了其實用性。采用了PC104+總線架構,實現了系統的易擴展性。

［1］PC/104 Embedded Consortium PC/104—Plus Specification Version 1.2,August 2001.

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