具有PCI和并行接口的数据采集系统设计

1 引言

随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。典型数据采集系统的构成是由A/D+DSP+FPGA(CPLD)+D/A。本文通过利用模数转换芯片AD6644，以及FPGA实现了可用于两种接口(PCI、并行接口)传输模式下的高精度数据采集系统。

2 硬件电路设计

2.1 系统设计方案

本数据采集系统主要由模拟部分，数字部分和接口部分三大板块组成，如下图1所示。其中模拟部分主要包含模拟中频信号预处理模块和模数转换模块；数字部分除时钟产生电路外，其余部分完全在FPGA中设计完成；接口部分包含PCI总线接口、DB25并行接口以及SignalTapII逻辑分析仪调试接口。

本系统的设计思路就是：首先通过模拟中频信号预处理模块，将调整后的模拟信号输入给A/D转换器，然后经模数转换之后将16bit数字信号(AD6644输出14bit，再加上2个校验位)直接输出给FPGA进行存储。在FPGA中设计了高速缓冲器DCFIFO和高速存储器DPRAM以及一系列时序控制逻辑，以保证在预定容量下能够实时的存储由ADC发送过来的数据。同时，在FPGA中还设计了2种数据传输接口，从而使得系统可以在我们选择的模式下进行数据传输，或通过并行接口，或通过PCI总线接口。

图1 系统总体框图

2.2 模拟中频信号预处理模块

首先，将该输入信号通过两级放大器，目的是为了使模拟输入信号幅度达到AD6644输入幅度的要求和对模拟输入信号进行很好的隔离。这里选用AD9618来实现对模拟信号的放大功能。AD9618的单位增益带宽和压摆率的指标均较高，能起到对模拟输入信号放大和改善性能的作用。电路图如图2所示。

图2 两级AD9618放大器原理图

其次，将经过放大处理后的单端信号通过AD8138，转换为差分信号后输出给AD6644。这么做是因为作为新型的高转换速度、大动态范围的ADC，为保证其性能，AD6644的模拟输入信号要求差分形式。在模拟信号阶段使用差分形式，可以有效地滤除偶次谐波分量，同时对其它共模杂散信号(如由电源和地引入的噪声)及对晶振的反馈信号也有很好的抑制作用。如下图3，使用AD8138对模拟信号进行调整。单端模拟信号(AD9618_out)由AD8138转换为差分模拟信号(AIN、nAIN)，增益为1，然后送AD6644实现模数转换。AD8138的直流偏压V_REF由AD6644的精密参考源提供。采用差分输入比单端输入大约可以提高信噪比3dB。

2.3 FPGA配置与模数转换模块

FPGA部分是本系统的核心模块，承载了所有的数字电路部分。在设计过程中，强调SOC(片上系统)的概念，在FPGA平台上实现了系统中所需要的所有数字逻辑，包括触发器、存储器，缓冲器，PLL(锁相环)，计数器，译码器，多路选择器，DB25接口逻辑，PCI接口逻辑等。从而使得系统中的数字部分处于完全可编程可调状态，只需根据需求更新FPGA程序即可，具有较强的适应性和灵活性。基于上述思路，我们选择了Altera公司的Cyclone系列FPGA――EP1C6Q240C8。

图3 AD8138+AD6644连接原理图

在本系统中，使用了2种配置方式，即AS方式和JTAG方式。这2种配置方式可以共同使用，只需在板子上放置2套接线柱即可，下载电缆采用ByteBlaster II。首先使用JTAG方式配合Quartus II工具中自带的在线逻辑分析仪SignalTap II对FPGA功能及时序进行调试，成功后再使用AS+EPCS4方式将程序下载到配置芯片EPCS4中，使得每次系统上电后，都能对FPGA自动加载程序。另外要注意，使用这种配置方式时，如果让JTAG和AS模式同时开始加载，则JTAG模式会自动取得优先权进行程序加载，而AS模式则会自动终止。