一种新型高速数据采集系统的设计与实现

摘要： 介绍了一种基于USB2.0接口的高速数据采集系统的设计。该采集系统能够将雷达接收机送来的信号进行高速的采集，然后通过USB接口，将采集到的数据送到计算机，经由上层软件对数据进行处理分析。

关键词： USB2.0；FPGA；高速数据采集；雷达接收机

引言

　　在雷达接收机的测试和维护中，经常需要对数据进行采集，然后将采集到的数据送入计算机进行分析处理。鉴于对数据实时采集的需求，对采集系统提出三方面的要求：第一，接口简单灵活且有较高的数据传输率；第二，采集的数据能够快速处理并能方便提取原始数据；第三，数据采集装置具备多路数据采集能力。对于一些特殊应用，甚至需要整个数据采集系统能够方便携带。

　　传统的数据采集系统大多通过PCI总线完成数据的传输，但PCI总线存在严重缺陷：受限于计算机插槽数量和中断资源；不便于连接与安装；易受机箱内电磁环境的影响。这些问题遏制了基于PCI总线的数据采集系统的进一步开发和应用。因此，需要一种更为简便通用的方式来完成采集系统和计算机的数据的交互。

　　考虑到现代计算机上大都配备了USB接口，且USB支持即插即用，安装方便，易于扩展，USB2.0能够达到480Mb/s的理论传输速度，非常适合在高速数据采集系统中应用。因此，通过USB接口来完成数据传输是一个很好的替代方案。出于上述考虑，笔者设计了一个基于USB2.0接口的高速数据采集系统，通过实际测试，该系统可以很好的完成数据采集的功能。

数据采集系统电路设计

　　高速数据采集系统框图如图1所示。系统整体的设计思路如下：计算机将采集指令(包括数据格式，数据长度，FPGA控制指令等)送给USB控制芯片，USB控制芯片通过固件程序对指令进行简单的格式判定，然后将判定后正确的指令送给FPGA，FPGA对指令进行译码，获得需要采集的数据的长度，以及采集的地址和控制信号，控制RAM来完成数据的采集存储。雷达接收机送过来的数据和时钟信号经过长线接收器组以后，由差分信号变为普通的数字信号，时钟信号送入FPGA，经过处理后，用来控制数据的采集时刻，数据先存入RAM，待完成所需数目的采集以后，再通过USB控制芯片送给计算机，完成数据的后期处理和显示。

图1  高速数据采集系统框图

　　图2为FPGA与USB控制芯片的连接图，电路中FPGA选用EP1C3T144C8，USB控制芯片选用Cypress 公司的CY7C68013。USB_Ready 为USB芯片状态标志，低电平有效；FPGA_Ready为FPGA芯片状态标志，低电平有效；USB_Clk为USB向FPGA传送指令的指令时钟，USB_Data 为USB传送给FPGA的控制指令；FD[15:0]为USB 与FPGA交互的数据。

图2  FPGA与USB控制芯片的电路连接图

　　FPGA与USB芯片之间的通信流程如下：
　　
　　1、FPGA发送FPGA_Ready信号给USB控制芯片，表示FPGA准备好；

　　2、USB控制芯片发送USB_Ready信号给FPGA，表示在USB_Ready为低电平期间将有控制指令传送；

　　3、USB控制芯片由Send_CLK发送时钟信号，同时由Send_DATA发送控制指令给FPGA，控制指令在时钟信号上升沿有效；

　　4、FPGA收到控制指令，执行相应动作。FPGA发送各种控制时序信号和RAM地址，把I路、Q路数据存在RAM里，而后将数据读到FPGA，再通过FD[15：0]以字的形式传给USB控制芯片的从属FIFO端点EP8缓冲区，由PC机读取。

数据采集系统软件设计

　　系统软件主要分为FPGA 模块设计程序，USB 固件程序，以及上层应用软件程序。

　　FPGA模块编程

　　系统采用Altera 公司的Cyclone系列的FPGA芯片，采用Verilog HDL 作为开发语言，开发环境采用Quartus II 5.0。

　　在系统的FPGA软件设计过程中，根据功能的需要，将整个系统分为了三个大的模块来设计，分别为：时钟、控制指令输出模块，数据采集、存储模块，USB数据传输模块。时钟、控制指令输出模块对输入的时钟进行整形，形成数据采集时钟，同时，输出22位控制电平信号；数据采集、存储模块对输入的数据进行采集并存储在存储器里；USB数据传输模块读取存储器里的数据并把数据输出至USB的FIFO里。