目前數據采集系統朝著高速和高精度的方向發展。隨著FPGA" target="_blank">FPGA的集成度和運行速度的提高，可以滿足高速數據采集系統的需求。FPGA內部具有豐富的存儲單元，易于實現各種存儲器(如FIFO" target="_blank">FIFO、雙口RAM等)；另外，基于查找表的邏輯單元可用于實現各種數字信號處理(如濾波等)，以輔助DSP處理器做各種預處理。
TI公司推出的高性能數字信號處理芯片TMS320C6000系列，工作頻率最高可達到1GHz，具有處理速度快、靈活、精確和可靠性高等優點，作為數據采集系統中的主處理器，可以滿足實時性的要求。基于以上考慮，北京合眾達公司開發了采用TMS320C6416和FPGA的高速高精度雙通道數據采集系統，每個通道的采樣率為3Msps，最高可達10Msps，采樣精度為14b。系統主要包括以下幾部分：高速A/D轉換、FIFO數據緩存和EDMA數據傳輸，系統結構框圖如圖1所示。
AD9243及轉換控制
設計中采用的模數轉換器芯片是AD9243。AD9243是ADI公司生產的14位、3Msps高性能模數轉換器。AD9240與AD9243完全兼容，因此系統的最高采樣率可兼容到10Msps。
模數轉換器AD9243的時序控制與傳統的A/D有所不同，完全依靠時鐘控制采樣、轉換和數據輸出，在第一個時鐘的上升沿開始采樣轉換，第四個時鐘上升沿到來時，數據將出現在D1~D14端口上。本文采用系統自通電時起，A/D和時鐘電路始終處于工作狀態，對數據不停進行轉換，以減少誤碼率，提高采樣精度。
FIFO的實現及控制
設計中采用FPGA來實現雙通道數據的緩存和數據傳輸的邏輯控制。Spartan3E是一款高性能低價格的可編程邏輯器件，具有豐富的邏輯單元和存儲單元。其內部的BlockRam可以配置為大小不同的各種類型存儲器，如單口RAM、雙口RAM和同步FIFO，其中FIFO更適合作為A/D采樣數據高速寫入的存儲器。FIFO存儲器就像數據管道一樣，數據從管道的一頭流入、從另一頭流出，先進入的數據先流出。FIFO具有兩套數據線而無地址線，可在其一端寫操作而在另一端進行讀操作，數據在其中順序移動，從而達到很高的傳輸速度和效率，且由于省去了地址線，有利于PCB板布線。
采用FIFO構成高速A/D采樣緩存時，由于轉換速度較快，如果直接將ADC采樣后的數據存儲到FIFO中，對時序配置要求非常嚴格，如果兩者時序關系配合不當，就會發生數據存儲出錯或者掉數。利用FPGA可以方便地控制時序和數據傳輸，簡單、可靠地實現采樣和存儲是選用FPGA的優點。該數據采集系統中只采用了一個外部時鐘源，直接輸入到FPGA，經DCM分頻后作為FIFO和ADC的時鐘源。
在軟件設計中，采用ISE開發環境開發FPGA時，調用Core Generator來構造FIFO，可以設置FIFO的參數，如深度和寬度；設置FIFO的各種標志和控制位，如空滿、半滿全滿、半空全空、可編程滿和可編程空等標志位；寫使能、讀使能等控制位，以便實現與高速A/D和DSP的邏輯接口。FIFO的輸入輸出引腳如表所示：其中WR_EN由DSP的GPIO口引出，控制數據是否寫入到FIFO中，輸出引腳中只用到了PROG_FULL即可與DSP進行數據傳輸。
FPGA的作用除了構造FIFO以實現數據通道復用外，還可以作為協處理器進行實時要求性高的數據預處理(如插值、取平均、FIR濾波等)，以減少DSP處理的數據量。設計中采用分布式算法的FIR濾波，首先對ADC轉換后的數據進行FIR濾波，然后存入FIFO中以等待DSP的讀取。FPGA代替ASIC和DSP作為前端數字信號處理的運算，在規模、重量和功耗方面都有所降低，而且吞吐量更高，開發成本進一步縮小。
FPGA設計中，需提供外部閃存來存儲FPGA的下載文件，上電后數據會自動下載到FPGA內部，以對FPGA進行配置。FPGA有多種配置方式，包括主串、從串、主并、從并、SPI、BPI，以及JTAG等方式。串行方式即逐位串行配置，接線簡單，但速度比較慢，并行方式即8位同時傳輸，速度快，但接線復雜。串行方式和并行方式都需要外加閃存作為配置文件的存儲器。設計中本文采用C6416的多通道緩存串行口(McBSP)以SPI方式對FPGA進行配置。
圖1：系統結構框圖
接口和控制電路的設計
系統的接口和控制電路主要包括以下兩個部分：
1. ADC與FIFO的接口電路
利用FPGA構造了兩個完全一樣的FIFO，將兩路A/D轉換數據分別送入兩個FIFO中，實現雙通道采樣數據的緩存和傳輸。設計中A/D轉換時鐘和FIFO寫時鐘為同一時鐘源，自上電起，A/D和時鐘電路一直處于工作狀態，不停的進行數據的轉換，但數據是否寫入到FIFO中，由FIFO的寫使能信號來決定，當DSP發出寫使能信號有效時，轉換數據才能存儲到FIFO中。從前面的A/D時序電路中可知，A/D轉換數據的輸出和轉換時鐘有一定的相位差，在FPGA內部可通過延時或時鐘管理器來滿足建立時間和保持時間，保證數據不失碼地傳輸到FIFO中。
2. FIFO與C6416的接口電路
C6416有兩個EMIF口，即EMIFA和EMIFB，其中EMIFA的總線寬度支持64b、32b、16b和8b，尋址空間為1024Mb；EMFIB的總線寬度支持16b和8b，尋址空間為256Mb。本文采用EMIFB作為與FIFO的接口，其總線寬度配置為16b。EMIFB可以與各種外部存儲器實現無縫接口，如SBSRAM、SDRAM、異步設備(包括SRAM、ROM和FIFO)和外部共享存儲設備等。設計中EMFIB和FIFO的接口采用異步讀的方式，實現數據的可靠傳輸，即通過由/ARE和地址來實現對兩個同步FIFO的異步讀，其控制接口信號的連接關系為：
RD_CLK=/ARE
RD_EN1=A20
RD_EN2=A19
表1：FIFO的輸入輸出引腳定義
設計中將兩個FIFO的存儲空間都映射到EMIFB的BCE2中，當FIFO的可編程滿信號PROG_FULL有效時，引發外部中斷，觸發EDMA以實現數據的快速傳輸。由于FIFO不需要地址線，可以通過簡單的接口來產生EDMA的讀地址，實現EDMA分時讀兩個FIFO。異步讀FIFO必須滿足下列時序關系：
異步讀時序如圖2所示，其中EMFIB的時鐘可以是外部時鐘源，也可以是由CPU時鐘分頻獲得。設計中使用外部時鐘源，其頻率為133MHz，可以根據EMIFB的讀寫控制寄存器配置Setup、Strobe和Hold的值。
圖2：異步讀時序圖
本文小結
本文系統地介紹了一種由數字信號處理器TMS320C6416、可編程邏輯器件Spartan3E構成的高速數據采集系統。實驗表明，系統具有抗干擾強、可靠性高、失碼率低等優點。設計中采用了FPGA來構造FIFO，可根據不同的應用場合對FPGA編程以滿足設計要求，因此靈活性較大，是一種較好的高速數據采集方案。此外，采用了EDMA傳輸，適于在實時性要求較高的各種高速數據采集系統中應用。該數據采集卡采用標準擴展總線接口，可以與合眾達公司的DEC6000系列開發板連接。
作者：賈龍
開發工程師
truelong@seeddsp.com
北京合眾達電子技術有限責任公司