FPGA芯片在高速數據采集緩存系統中的應用
孫杰，馮小平 西安電子科技大學204教研室
摘要： 在高速數據采集方面，FPGA有單片機和DSP無法比擬的優勢。FPGA的時鐘頻率高，內部時延小，全部控制邏輯都可由硬件完成，而且速度快，組成形式靈活，并可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。更最主要的是，FPGA可以采用IP內核技術，以通過繼承、共享或購買所需的知識產權內核提高其開發進度。而利用EDA工具進行設計、綜合和驗證，則可加速設計過程，降低開發風險，縮短了開發周期，效率高而且更能適應市場。本數據采集系統就是基于FPGA技術設計的多路模擬量、數字量采集與處理系統。FPGA的IO端口多，且可以自由編程、支配、定義其功能，同時配以verilogHDL語言以及芯片自帶的可定制模塊，即可進行軟件設計。FPGA的最大優點是可在線編程。此外，基于FPGA設計的數據采集器還可以方便地進行遠程功能擴展，以適應不同應用場合的需要。
Abstract：
Key words :
在高速數據采集方面，FPGA有單片機和DSP無法比擬的優勢。FPGA的時鐘頻率高，內部時延小，全部控制邏輯都可由硬件完成，而且速度快，組成形式靈活，并可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。更最主要的是，FPGA可以采用IP內核技術，以通過繼承、共享或購買所需的知識產權內核提高其開發進度。而利用EDA工具進行設計、綜合和驗證，則可加速設計過程，降低開發風險，縮短了開發周期，效率高而且更能適應市場。本數據采集系統就是基于FPGA技術設計的多路模擬量、數字量采集與處理系統。FPGA的IO端口多，且可以自由編程、支配、定義其功能，同時配以verilogHDL語言以及芯片自帶的可定制模塊，即可進行軟件設計。FPGA的最大優點是可在線編程。此外，基于FPGA設計的數據采集器還可以方便地進行遠程功能擴展，以適應不同應用場合的需要。
1 系統基本構架
本文所設計的高速數據采集系統是某雷達信號處理系統的一部分，可用于雷達信號的預處理以及采集、緩存。本系統以高速FPGA為核心邏輯控制模塊，并與高速ADC和DSP相連接。其系統基本架構如圖1所示。
圖1中的FPGA可用作數字接收機的預處理模塊，該器件集成有PPL倍頻、ADC控制接口、FIFO及其管理、SPI接口、DSP總線接口、狀態和自檢模塊等。FPGA的內部結構功能框圖如圖2所示。
圖2中的中斷產生模塊用于產生周期性中斷，利用視頻包絡和100 MHz時鐘可形成50 MHz的DMA同步傳送時鐘，然后通過外部口DMA方式將采樣數據傳送到DSP。ADC控制串行接口為通用三線串口，SPI總線接口實際上是一個串并轉換器，可用于控制本振。本系統的DSP數據總線為64位寬度，地址為32位。
由于雷達信號接收機中的信號處理量大，信號復雜，因此，通過基于高速大容量FPGA芯片的實時數據采集系統可以很好的滿足對信號預處理的需要。
2 芯片的選取
ADC是數據采集系統的核心，其性能指標往往是決定數據采集系統性能最關鍵的因素。本系統的中頻頻率為1125 MHz，帶寬BW為250 MHz。ADC選用ATMEL公司的高速采樣芯片AT84AD001本系統采用帶通采樣方式，其采樣頻率低于輸人中頻頻率。但是ADC的輸入帶寬必須大于中頻頻率加二分之一帶寬，AT84AD001的模擬輸入帶寬為1500 MHz，高于1125+125=1250 MHz，故可滿足設計要求。AT84AD001的最高采樣率為1000MHz，也可以滿足系統要求。此外，AT84AD001的模擬輸入、時鐘輸入和輸出全部采用差分方式。設采樣時鐘頻率fsw為500 MHz，內部提供了1：1／1：2降速率邏輯，其輸出A、B、C、D四路的數據速率分別為fsw／2，數據寬度為8位，電平為差分LVDS，數據寬度為2×8=16位，但是，由于速率已經是250MSPS，故可以直接送給FPGA處理，而不需要再進行專門的降速率處理。
StratixII系列FPGA是Altera公司具有全新構架的高密度產品。它采用1.2V電壓、90nm及全銅層SRAM工藝，是采用自適應構架的FPGA。與第一代Stratix相比，StratixII器件的邏輯密度是前者的2倍，速度也快了50％，在無線通信、高速數字信號處理和軍事雷達等領域都有廣泛的應用前景。本設計采用其中的EP2S90系列，該系列由三種不同大小的集成RAM塊組成，包括512 bit的M512塊、4 Kbit的M4K塊以及512 Kbit的M-RAM塊)。其中最大容量的M-RAM塊就有4塊，基于這三種塊的RAM單元最多能達到9 Mbits的容量，因此，StratixII系列FPGA是那些對存儲量要求很高的應用的理想選擇。
3 系統的實現及仿真
ADC接口及控制模塊
本系統選用AT84AD001B芯片，設計模擬輸入的工作方式為I通道與Q通道有相互獨立的兩路輸入，時鐘輸入的丁作方式為I通道和O通道有各自獨立的時鐘，并分別在上升沿時采樣。
AT84AD001B有MODE、CLK、LDN及DATA等4個引腳用于三線串口配置。其中，MODE為高時，啟用三線串口，設計時可將此引腳接入FPGA中，以便在FPGA中可以根據自身需要進行MODE的置0與置1的配置；CLK為三線串口的配置時鐘輸入引腳，該引腳允許輸入的最大時鐘頻率是50 MHz，本設計的輸入時鐘為20 MHz，可以符合要求；LDN為通過三線串口配置寄存器的開始和結束信號的輸入引腳；DATA為三線串口的寄存器配置數據輸入引腳。
每個三線串口寄存器所需輸人的配置數據包括3 bit的寄存器地址和16 bit送人該寄存器的數據，總共需配置8個寄存器，其相關時序圖如3所示。
根據以上高速采樣相關的三線串口組成情況，可以得到如圖4所示的AD配置電路。
圖4中各管腳的定義如下：
clk_20m：三線串口時鐘輸入；
rst：復位；
ad_mode：配置模式；
s_ldn：標志信號腳；
s_data：寄存器數據輸人；
其仿真結果如圖5所示，由圖5可見，在ldn上升沿時寄存器數據開始輸入，每20個周期讀入一個寄存器數據。由此結果，即可知配置正確。
3.2 大容量FIFO數據緩存模塊
由于采集的雷達信號數據量很大，所以，本系統通過Quartus中軟件自帶的宏功能MegaWizardPlag_in Manager來產生一個64 bit×32768words的大容量FIFO，從而有效地利用了這片FPGA的存儲資源。其產生的FIFO模塊如圖6所示。
圖6中，64位數據由ADC的高速數據采樣提供，ADC的I、Q兩路數據均為16位寬。為了獲得更高的速度以及更大的數據緩存量，在數據進入FIFO之前，可對ADC的采樣數據進行數據抽取和拼接，以將兩組32位寬的IQ數據拼接成64位寬數據，然后一次送入FIFO中進行緩存。FIFO的wrreq寫使能信號由前面提到的視頻檢測脈沖以及DSP的控制信號共同提供，其中寫時鐘wrclk與ADC數據拼接時鐘同步，讀時鐘rdclk與DSP時鐘同步，FIFO數據出口與DSP總線相連接。
系統的其他配置以及外圍接口由于不是本文的重點，在此省略不講。
在Ouartus平臺下進行時鐘分配、三線串口配置等相關處理，以及信號處理模塊綜合后，所得到的系統資源使用情況如圖7所示。然后再利用VisualDSP++5.0平臺讀取采樣信號數據，并用plot進行繪圖，即可得到如圖8所示的高速采樣結果圖。
4 結束語
本文是在參與實際項目的基礎上完成的，本系統目前已經應用于某雷達信號處理機中。隨著高速器件的開發和利用，數字接收機技術的迅速發展，其信號采集與處理的速度必將更快，處理質量會更好，處理數據量也會更大。
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