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基于PCI-E总线的高速数据采集和数据回放模块设计


目录
1 2 课题来源及研究的目的和意义 .........................................................................................................- 1 国内外在该方向的研究现状及分析 ........................................

.........................................................- 1 2.1 国内研究现状 .........................................................................................................................- 1 2.2 国外研究现状 .........................................................................................................................- 2 主要研究内容 .....................................................................................................................................- 2 3.1 功能要求 .................................................................................................................................- 2 3.2 技术要求 .................................................................................................................................- 2 3.3 主要内容 .................................................................................................................................- 2 研究方案及进度安排,预期达到的目标 .........................................................................................- 3 4.1 研究方案 .................................................................................................................................- 3 4.1.1 硬件方案论证 .............................................................................................................- 3 4.1.2 软件方案论证 .............................................................................................................- 5 4.2 进度安排及预期目标 .............................................................................................................- 6 为完成课题已具备和所需的条件和经费 .........................................................................................- 6 5.1 课题所需的条件 .....................................................................................................................- 6 5.2 课题所需的经费 .....................................................................................................................- 6 预计研究过程中可能遇到的困难和问题,以及解决的措施 .........................................................- 7 主要参考文献 .....................................................................................................................................- 7 -

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1 课题来源及研究的目的和意义
随着航空、雷达、声纳传输等领域实时数据采集量的不断增加,以及实时数据处理 能力的不断提升,对数据采集和回放系统的数据传输速率提出了更高的要求[1]。在现代 的信号处理过程中,对感兴趣的信号进行数字化以后,需要进一步数值分析、频谱分析 以后对信号进行综合分析,给出分析结果。同时我们还要对与该信号相关的信号进行分 析,这就要求我们进行相关分析;而前提是我们应该要保证信号间在数字化的过程中应 该保证同步。 随着对信号监控实时化的要求越来越高, 而传统的计算机总线传输速度慢、 传输的数据量小;这已经不能满足当今高传输速率的要求。随着 PCI Express 串行总线 的出现,这对于高速传输是一个不错的选择。 PCI Express 是高速的、串行总线;PCI Express 总线单通道的传输速率能达到 2.5Gbit/s [2],该总线有单通道、四通道、八通道、十六通道和最高的三十二通道,可以满 足不同系统设备对数据传输带宽不同的需求[3]。比起 PCI 以及早期的并行架构的计算机 总线,PCI Express 总线设备都有自己的专用连接,该总线技术具备高带宽、高性能、 引脚间低延迟、低功耗以及传输可靠等优点,具有广泛的应用前景[4];相对于 PCI 在一 个周期内只能单方向传输数据[5],PCI Express 可以实现在一个周期内实现双向传输数 据。除此以外,PCI Express 还具有热插拔的特性。PCI Express 总线保持与传统的 PCI 的软件兼容性,但是将物理总线代替为一个高速的串行总线[6]。因为这种总线的结构发 生了变化,所以插槽并不兼容[7]。在由 PCI 向 PCI Express 的过渡过程中,大部分的计 由于 PCI Express 是一个新 算机的主板上既提供了 PCI 插槽也提供了 PCI Express 插槽。 兴起的总线,加上其复杂的体系架构使得应用设计和开发存在较大的困难[8]。 本设计除了要求并行的高速采集,还要求信号的再现:即数据的回放。数据回放是 数据采集的延续,数据回放的应用非常广泛,使得数据回放的开发具有重大的意义。数 据回放可以更好的描述原始信号,从而可以作为其他的信号板的输入信号。

2 国内外在该方向的研究现状及分析
2.1 国内研究现状
现在,在国内数据的采集的速度能做到的最高速度能达到 1G 的采样率,但是现在 由于 AD 的采集速度不够,所以国内实现高的采样率所采用的方法主要是通过两个 500M 采样率的 AD 芯片来交替的采样。这是一个通道的采样,如果要想同时多路高速 采样实现起来是非常的困难,其大量的数据的存储是最大的瓶颈。随着时代的发展,对 于信号相关性的要求越来越高,这就要求信号之间必须保持同步;而且对于信号的采集 速度要求越来越高; 这就给设计者提出了设计多路的、 高速的、 同步的采集系统的任务。 在多路分析系统中,需要多路同步高速数据采集和处理,而目前市场上所能见到的数据 采集卡采样率能达到几十兆,并且大部分都是扫描式的采样,而且在通道切换时被切换 的通道在采集时需要一定的稳定时间,采集的多路信号很难保证同步,而且这样的采集 效率比较低。现在在市场上能保证高速同步的采集卡通道较少、价格非常昂贵,所以也 很难满足要求。现在国内的数据采集回放模块单通道在采集时能做到的技术指标如下: 转换分辨力为 12 位;模拟输入范围为正负 1 伏;全功率输入带宽为 500 兆赫兹;最大
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转换率为 240 兆赫兹。

2.2 国外研究现状
在国外,由于集成电路技术非常发达,所以高速 AD 芯片的采样率很高,这样的采 集芯片非常昂贵。所以发达国家在数据采集系统方面做得非常好。2006 年 12 月 NI 公 司宣布推出业界最新的两款 PCI Express 高速 AD,可以达到与处理器之间每方向 200MB/s 的吞吐量[9];如果换用其他的总线方式则是无法实现的。

3 主要研究内容
3.1 功能要求
1). 200MHZ 信号调理技术; 2). 6 路信号并行采集技术; 3). 6 路信号并行硬件回放技术;

3.2 技术要求
1). 2). 3). 4). 5). 6). 7). 8). 采集方式:并行采集; 6 通道输入; 输入电压:-2V~+2V; 模拟带宽:不小于 40MHZ; 精度:12bit; 最大采样率:200MSPS/通道; 输入阻抗:50Ω/75Ω; 硬件回放功能:12bit 的 D/A。

3.3 主要内容
1). 2). 3). 4). 研究高速模拟信号调理、连续实时采集技术; 研究多路并行采集技术; 研究多路数据硬件回放技术; 研究基于 PCI Express 总线的采集卡实现。

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4 研究方案及进度安排,预期达到的目标 研究方案及进度安排,
4.1 研究方案
研究方案主要包括两部分:硬件方案和软件方案。

4.1.1 硬件方案论证
该设计的硬件部分主要包括以下几个部分:信号调理、采样电路、数据回放、采样 控制逻辑、PCI Express 接口芯片以及存储部分;下图为电路结构框图。

外围设备

磁盘阵列

磁盘阵列读 写接口

同步控制线 信号 前端处理 输入1 信号 前端处理 输入2 AD芯片

数据 处理 单元

AD芯片

PCI E 总线 接口
信号输出 放大 DA芯片 DA芯片

上 位 机

信号输出

放大

FPGA

图 1 系统电路结构

4.1.1.1模拟信号调理设计
信号调理电路主要包括:放大衰减电路、隔离电路和滤波电路[10]。

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4.1.1.1.1 放大衰减电路
由于在实际采样的过程中,许多信号的幅度相对于 AD 的采样的范围比较小或者 超过了 AD 的采样范围。如果要采样的信号幅度比较小,可以通过放大器来提高测量 的精度;相反,当需要采样的信号的幅度超过了 AD 的范围时,则需要一个衰减电路 对信号进行衰减以达到 AD 的采样范围。

4.1.1.1.2 隔离电路
在数据采集系统中接地如果不合适是造成系统不好用的最常见的原因, 解决的方法 通常采用电气隔离,该方法破坏了接地环路,避免了高的共模电压的产生,并且可以有 效的保护采集系统而不被破坏。 通常的隔离方法可以利用光耦、 磁性或者容性的隔离器。

4.1.1.1.3 滤波电路
在采样的过程中,往往需要抑制一定频率范围内的噪声。对于不同的采集系统, 噪声的含义是不同的,通常可以分为两种情况,一种情况是来自机器或者是电线的低 频噪声,可以采用低通滤波器来抑制;另外一种情况就是根据采样定律可知,超过二 分之一采样频率的信号必须要在采样前进行滤波,否则会产生频率混叠,现在模拟抗 混叠滤波器在数据采集系统中的应用非常广泛。

4.1.1.2数据采集电路设计
目前,越来越多的通讯系统都工作在很宽的频带上,对于要求保密性和抗干扰的 某些通讯系统更是如此[11]。随着信号处理器件的处理速度越来越快,数据的采样率也 越来越高,这对于某些电子领域要求处理的频带尽可能宽,动态范围要尽可能大是一 个不错的选择。然而,通讯系统对处理前端的采样电路的要求更高了,随着系统时钟 的提高,那么系统的同步问题一直不能得到有效的解决,因此提出了同步接口设计的 解决方案[12]。 整个系统是一个六路同步采集系统,拟采用六个高采样率的 AD 芯片,用来自 FPGA 芯片内部的时序和控制信号来保证采集系统的同步工作。数据采集速率可以程 控,通道采样也可以程控。

4.1.1.3数据回放
数据回放是数据采集技术的后续,与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一 起构成了检测技术的基础[13]。数据回放主要有两部分组成:硬件电路和软件控制。软 件主要是向硬件发送数据和控制命令;硬件采用了 PCI Express 插卡的形式,主要功能 是接收上位机的控制命令来控制存储阵列将数据读出发送至 FPGA 里的 FIFO。 然后经 过数模转换芯片给信号调理输出。如图 2 所示为数据回放的原理图。数据回放主要是 把存放在硬盘里的二进制数据读出来送给数模转换装置得到模拟信号,然后再经过信
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号调理得到原始信号的近似[14]。

图 2 数据回放原理图

数据回放的模式分为两种:实时模式和非实时模式[15]。第一种模式是系统对输入 的信号进行采样后,将数据以一定的格式存入缓冲存储器中,经过一定的时间延迟再 把数据读出送给 D/A 进行模数转换达到实时回放的目的;第二种模式是系统对信号采 样后,将数据以一定的格式存入大容量的存储器中,之后再将数据读出送给 D/A 芯片 进行数据回放。

4.1.1.4采样控制逻辑设计
作为数据采集同步控制的核心,采样控制逻辑的主要作用在于:产生各个 AD 同 步工作的时序;同步发送命令字;同步接收和存储采集的数据,提供与 PCI Express 总 线的接口逻辑[16]。其内部的逻辑单元包括:状态机、AD 控制器、FIFO 块、接口单元。

4.1.1.5数据存储方案设计
因为数据回放可以划分为实时回放和非实时回放,所以数据的存储方式也不同;当 数据回放为实时回放时,数据不需要存储,而是经过高速缓冲后直接送给数模转换芯片 得到模拟信号。 当程序控制系统为非实时回放时, 数据经过高速缓存后送给磁盘阵列[17], 当需要回放的时候, 从磁盘阵列里把数据读出送给高速缓冲后再送给数模转换芯片得到 所要的模拟信号。

4.1.2 软件方案论证
本设计的软件主要包括两部分:FPGA 控制逻辑和上位机软件,他们与硬件相结合 构成了完整的采集系统。FPGA 控制逻辑主要实现对同步采样的时序控制、命令控制、 串并转换、以及接收来自上位机的命令。上位机软件给用户提供了友好的操作接口,完 成对模块的控制和监视。

4.1.2.1控制逻辑方案
利用 FPGA 技术开发逻辑时, 要根据实际需要设计来选择芯片。 在具体选择 FPGA 芯片型号时,主要考虑的因素有:芯片内部可用逻辑门数量、管脚之间逻辑的延迟时 间、芯片的封装和管脚数等。如图 3 所示,为逻辑设计流程图。FPGA 逻辑的设计平 台是 Quartus II,在该平台上可以支持 Verilog、VHDL 语言和框图。在设计的过程中, 如果设计得到的时序和实际需要的时序不同时,就需要修改设计文件,直到满足设计
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要求,最后通过下载线把 POF 文件下载到 FPGA 的配置芯片。FPGA 芯片也可以在线 仿真

4.1.2.2上位机软件方案
上位机软件的核心是驱动程序,驱动程序是用户界面和硬件电路的纽带。所以在自 行研制模块时,必须编写相应的驱动程序;本系统采用 Visual C++ SDK 编写数据处理 程序。SDK 方式用 WinMain 函数作为程序的入口,通过消息循环机制对各个 API 函数 发出的消息作出响应。 与广泛应用的 MFC 相比, SDK 的主要优点在于编写的程序结 用 构简单,更多的使用 Visual C++自带的 API 函数,使得程序的响应速度更快,单位时 间内采集的数据更多,能够更好的适应高速度、高精度的数据采集要求[18]。 本系统的每个通道能达到的最高采样率为 200M,也可以用程序控制最高采样率以 内的任意值的采样率。也可以对任意通道设置采样或者指定某通道不采样。

4.2 进度安排及预期目标
1). 2). 3). 4). 5). 6). 7). 2007 年 8 月 方案论证; 模块的硬件部分设计; 2007 年 9-10 月 2007 年 11-12 月 FPGA 编程,硬件部分研制调试; 2008 年 1-3 月 进行模块的底层驱动程序开发; 用户界面用 VC 开发平台进行设计; 2008 年 4 月 2008 年 5 月 软件和硬件进行联合调试; 开始撰写论文。 2008 年 6 月

5 为完成课题已具备和所需的条件和经费
5.1 课题所需的条件
1. 2. 3. P4 3.0G 计算机一台(已配备) 示波器一台(已配备) EDA 软件 Protel99 SE、QuartusⅡ5.0、VC6.0 一套(已配备)

5.2 课题所需的经费
本课题所需经费由教研室支持,研究经费能够保证课题顺利进行。

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6 预计研究过程中可能遇到的困难和问题 , 以 预计研究过程中可能遇到的困难和问题, 及解决的措施
随着自动测试领域的快速发展,对数据采集速度、数据存储系统的存储速率及存 储深度等都提出了越来越高的要求。本课题的设计存在如下几个难点: 1). 本课题拟设计一个六通道的高速同步采集系统,如何保证信号间的同步将是一个 难点,解决的方法采用同一个时序来控制; 2). 因为该系统属于高频电路,那么高频抗干扰是系统的重点和难点[19],解决的方法 主要考虑如下几个因素:在电源电路设计方面,必须将数字电源和模拟电源隔开, 以免数字信号干扰模拟信号;其次,在共点地选择方面:对于模拟和数字信号都 存在的系统中,往往采用模拟地和数字地在一点相连接,通常选择在 AD 芯片引 脚所需最大电流的位置[20],这样可以避免对模拟信号的干扰,提高系统的采集精 度;最后是对布局和布线的要求:模拟信号的前端处理电路要尽可能的短,模拟 电压线和参考电压线要远离数字电路[21]。 3). 在高速采集系统中,存储器的速度和容量成为一个关键的考虑因素。因此,如何 采用普通的高速存储器构建超大容量存储器以及实时的传输数据成为了一项关键 技术;解决的方法:采用双端口 RAM 和磁盘阵列;

7 主要参考文献
[1] 黄俊,陈春辉,陈亚骏. 高速雷达数据回放系统的实现. 信息技术. 2007 年第 2 期 [2] Ravi Budruk. Don Anderson. Tom Shanley. PCI Express System Architecture.. Pearson Education.2004 [3] 田玉敏, 王菘, 张波. 译. PCI Express 系统体系结构标准教材. 电子工业出版社. 2005 [4] MindShare Inc.,Don Anderson,Tom Shanley. ISA System Architecture. Addison Wesley Professionl. 2006 [5] 李贵山,陈金鹏. PCI 局部总线及其应用. 西安电子科技大学出版社. 2003 [6] 李贵山,戚德虎. PCI 局部总线开发指南. 西安电子科技大学出版社. 1997 [7] 郭绍日,张振宇. PCI Express 总线技术剖析.飞利浦半导体公司.2006 [8] PCI-SIG . PCI Express Base Specification Revision 1.0a. 2003 [9] 魏鹏,罗武胜,杜列波. PCI Express 总线及其应用设计研究. 电测与仪表 .2007 [10] 200 MSPS A/D Converter Design,Analog Devices Inc.,2003 [11] 乔巍,杜爱玲,陈春等. 高速数据采集系统信号调理电路的设计. 计算机应用. 2003 年第 4 期 [12] 肇云波等. 基于 FPGA 高速数据采集的解决方案. 现代电子技术. 2007 年第 5 期 [13] Fred R.Schraff, Data Acquisition Systems,MEASUREMENTS & CONTROLS, February 1998
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[14] 刘灵,吴曼青,洪一,胡丹. 基于 PCI 总线的多路数据回放系统. 电子工程师. 2006 年 4 月 [15] 刘卓,张维竟,聂鹏瑜.基于 LabVIEW 平台的数据回放系统设计. 仪表技术. 2003 年第 6 期 [16] 孙凤荣,吕卫祥,贾金伟. 一种高速数据采集重放系统的实现. 现代雷达. 2007 年第 7 期 [17] Guidelines for Designing High-Speed FPGA PCBs,Application Note, Analog Devices Inc., February 2004,VER.1.1 [18] 周骞,陈金树. 超高速数据采集存储系统得设计与实现. 维普资讯. 2004 [19] 辛德刚,林克正. 基于 PCI 数据采集卡的高速数据采集系统设计. 信息科学. 2003 [20] 刘元安,李书芳,高攸纲. 电磁兼容和印刷电路板.人民邮电出版社.2002 [21] High-Speed Board Layout Guidelines, Application Note, Analog Devices Inc., September 2003,VER.1.1

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