隨著數字電子技術的發展，大型電子設備中數字電路的比例越來越大[1]。為便于故障診斷，一些電子設備(如雷達系統)預留了大量的數字信號檢測口[2]。采用示波器采集此類測試接口的信號時，由于示波器采集通道數的限制，無法保留同步信息；采用邏輯分析儀或ATE設備不但價格昂貴，而且不便于攜帶，不適宜廣泛使用。因此，設計一款便攜式并行數字信號高速同步采集系統，為大型電子設備的維護提供支持是十分必要的。
    此類檢測口信號采集中多通路、高采樣率的特性要求瞬時大量數據的高速緩存實現方法。文獻[3]以硬盤為存儲介質，采用DMA技術實現了接近6 MB/s的存儲速率。文獻[4]，文獻[5]，基于SoPC技術采用SDRAM作為存儲介質，相對硬盤存儲速度有了很大的提高。但是當通道數超過SDRAM數據位數時，SoPC的處理速度就會影響數據的存儲速度，適用于多通路同步采集。本文采用讀寫速度最高的SRAM作為存儲介質，并利用虛擬多個DMA通道的技術極大地提高了數據存儲速度，實現多路并行數字信號的高速同步采集。
1 系統整體設計
    采集系統采用了嵌入式技術達到便攜性的目的，由FPGA子系統和ARM子系統兩部分組成，如圖1所示。

    FPGA子系統接收ARM子系統的指令，完成數據的采集、緩存和發送功能。數字信號緩沖電路用于數字信號的電平轉換和驅動。輸入數字信號可能是TTL或CMOS電平，采用緩沖電路一方面減小對原電路的影響，另一方面將電平轉換為FPGA輸入所需的CMOS電平。FPGA子系統以Altera公司的EP1C12Q240C6芯片為核心，EP1C12Q240C6擁有12 060個邏輯單元以及173個用戶可使用IO，能充分滿足開發及調試中的要求。FPGA搭配SRAM采用DMA的方式實現數據的高速緩存，選用SRAM容量為1 MB，訪問時間為10 ns，利用SRAM訪問速度快的特點，可達到200 MB/s的數據訪問速率。同時，FPGA還實現了與ARM的通信接口，完成緩存數據的打包發送功能。
    ARM子系統實現數據的存儲和人機交互界面。采集到的數據可以通過ARM子系統以類似于邏輯分析儀的方式圖形化地呈現給用戶，方便用戶管理數據采集過程。
2 DMA高速數據緩存
    由于ARM系統通信速度的限制，要想避免數據的溢出，采集的數據需要先緩存到FPGA子系統的SRAM中。對于62路并行數據信號進行同步采集，采集頻率為5 MHz時，數據量達310 Mb/s，因而選用了DMA的方式來高速地緩存采集數據。基于FPGA系統，數字信號首先在采樣時刻被存放到FPGA的寄存器中，并在2個連續采樣時刻之間的采樣間隔內將FPGA寄存器中的數據通過多個虛擬的DMA通道存儲到SRAM中。DMA高速數據緩存結構如圖2所示。

    采集系統選用了1片16 bit的SRAM，62路數字信號需要分為4組緩存入SRAM中，因而構建了4個DMA通道分時與SRAM連接。由于SRAM的訪問時鐘是FPGA系統中的最高時鐘，所以SRAM的訪問時鐘選用了系統時鐘。SRAM的訪問時間為10 ns，系統時鐘必須低于100 MHz，才能保證每次能將數據完整正確地寫入SRAM中。本FPGA系統選用了50 MHz的系統時鐘，這樣采樣時鐘頻率最高為5 MHz，一個采樣周期內的數據有10個系統時鐘周期的時間來處理。在FPGA系統的控制下，一個采樣周期內的10個系統時鐘有1個用于等待數據寫入FPGA寄存器，4個用于向SRAM寫入數據。數字信號并行采集的數據緩存時序如圖3所示。

    圖3中‘0’時刻為采樣時鐘上升沿，此時刻FPGA系統將并行的62路數字信號緩存入62 bit寄存器中。由于傳輸延時時間受系統布線和FPGA內部布局的影響，系統時鐘和采樣時鐘上升沿不一定是同步的，圖中‘0’時刻到‘2’時刻之間可能有1～2個系統時鐘周期，這段時間內，系統不動作等待采集信號可靠地寫入寄存器，這樣可以避免‘0’和‘1’時間間隔過小，采集的數據未完全寫入寄存器的情況。在之后的‘2’時刻至下一周期‘0’時刻，系統完成寫入SRAM的工作。其中‘2’時刻至‘3’時刻為第一寫入周期，系統將寄存器中的0 bit～15 bit寫入SRAM中；‘3’時刻至‘4’時刻為第二寫入周期，系統將寄存器中的16 bit～31 bit寫入SRAM中；‘4’時刻至‘5’時刻為第三寫入周期，系統將寄存器中的32 bit～47 bit寫入SRAM中；‘5’時刻至下一周期‘0’時刻為第四寫入周期，系統將寄存器中的48 bit～61 bit寫入SRAM中。這樣，同一采樣時刻的62通路的數字信號被分時地寫入SRAM中，信號保持真實的同步信息。此時，系統的數據緩存速率達310 Mb/s。
    上述方法中，‘5’時刻至下一周期‘0’時刻只進行了一次寫入，實際上這段時間可以容納6個寫入周期，時間并沒有被充分地利用。對其進一步擴展，將系統時鐘周期充分地利用，可以同時采集更多通路的信號，將第六到第十個系統時鐘周期也用于信號緩存，則可以同時緩存16×9=144路數字信號。這種情況下，系統的數據緩存速率可達720 Mb/s。
    考慮采用SRAM的極限訪問速率的情況，可以選用100 MHz的系統時鐘，這時系統的數據緩存速率可達1 520 Mb/s。
    選用的SRAM的數據寫入極限速率為1 600 Mb/s，此種方法的數據緩存速率達SRAM數據緩存極限的95%，實現了高速的數據緩存。
3 緩存數據重組織
    按照上述數據緩存的方法，同一通道的數據不是連續地存儲在SRAM中。SRAM中的數據存儲順序如圖4所示。圖中第一列表示SRAM地址，offset為數據存儲的初始地址偏移；第一行表示數據位，選用的SRAM中一個地址對應2字節數據，有16個數據位；剩余每個方格表示一個數據存儲單元，方格里的數字表示該單元用于存儲第幾通道的數據。

    定位一個通道的一位數據需要知道其對應的SRAM地址和位號。假設通道m的第i位數據由[addr(m，i)，bit(m，i)]定位。分析SRAM中的數據存儲順序可知：
    addr(m，i)=offset+1+[(m-1)/16]+(i-1)×4；
    bit(m，i)=(m-1)%16。
    其中m=1，2，3，…，64；i=1，2，3，4，…。
    FPGA系統向ARM系統發送數據時，將同一通路的數據抽取出來，以一個字節為單位連續發送，所以需要對存儲的數據進行重組織。在FPGA系統中，使用6 bit變量dch[5：0]表示通道號，其中000000(b)表示通道1(m=1)，000001(b)表示通道2(m=2)，依此類推。數據位計數i使用N位變量bitcnt[N-1：0]來表示，其中N由存儲的總數據量決定，與通道號類似，全零表示i=1情況，1(b)表示i=2情況，依此類推。因而有：
    [(m-1)/16]=dch[5：4]；
    (i-1)×4={bitcnt[N-1：0]，00(b)}；
    (m-1)%16=dch[3：0]。
    數據由FPGA中的變量定位表示為：
    addr=offset+1+{bitcnt[N-1：0]，dch[5：4]}；
    bit=dch[3：0]。
    FPGA系統根據以上公式將各個通道數據逐位地從SRAM中讀出，并移入移位寄存器中，從而把同一通路的數據以字節為單位連續地組織起來。
4 采集實驗結果
    為了進行測試，基于FPGA設計了專用信號發生器，產生62路數字信號用于測試。62路數字信號中包括4.07 kHz～520.8 kHz(50 MHz的96分頻)的TTL信號及恒高、恒低電平信號。
    由于數字信號通道數較多，這里以其中不包含恒高和恒低的9～12通道來說明采集精度，采集結果如表1。

    依此可知，各通道采集結果與輸入信號對應，說明個通道采集結果正確，本采集系統可靠。
    以某型雷達做為被測對象，系統進行了實際工作測試。采集性能如表2所示。

    本文介紹基于嵌入式技術的并行數字信號采集系統的設計，系統采用DMA技術實現了62路數字信號同步采集，用于某型雷達預留測試接口信號的采集，整體采集速率達310 Ms/s。利用本設計中提出的DMA方法，系統可以進一步擴展，從而實現128路數字信號同步采集，并使整體采集速率達1 520 Ms/s，此時SRAM的寫入速度已成為主要的限制。

參考文獻
[1] 唐玉蘭，陶偉，于宗光.一種實現數模混合電路中的DAC測試的BIST結構[J].電子器件，2006，29(1)：231-234.
[2] 張開德.1553B數據總線技術在某艇作戰系統中的應用[J].艦船科學技術，1994，(003)：48-51.
[3] 詹艷艷.數據采集系統并行存儲的實現[J].科技資訊，2009(4).
[4] 奚素霞.基于SOPC的高速數據采集系統的分析與設計[J].電子元器件應用，2009，11(4).
[5] 馮萍，李秀華.基于FPGA的高速高精度數據采集系統的研究[J].中國科技信息，2008，(021)：105-106.