基于FPGA實現高速ADC器件采樣時序控制與實時存儲

提出了一種基于FPGA的DMA方式高速數據采集系統設計方案。該方案由底層控制器提供精確采樣時序，保證ADC器件的采樣吞吐；采用支持PCI協議的DMA方式的數據采集機制，優化數據采集存儲及向上位機交互方式，以確保采集數據的高實時性。該方案具有良好的移植性，可應用于采樣速率高、數據采集量大、數據實時性要求高的數據采集系統。

工業自動化設備的快速發展，對控制精度的要求越來越高，對數據采集的可靠性和實時性的要求也不斷提高。提高數據采集系統性能的方法有：(1)采用高性能的ADC器件，配合低噪聲、低靜態偏移的前端驅動電路，以達到極高的采樣吞吐和采樣分辨率。目前高端的ADC器件分辨率可達24 bit，采樣率已達40 GS/s[1]。(2)設計數據存儲為FIFO，以提高數據采樣實時性和數據存儲深度。(3)采用高速數據通信技術，完成由底層數據采集單元到上位計算機的數據傳輸，利用上位機軟件平臺進行數據的分析處理和多樣化的輸出顯示[2]。數據采集系統的性能瓶頸在于高速采樣數據實時存儲，以及上下位機間的數據傳輸能力。

針對ADC器件，一般采用微控制器以指令方式控制其執行時序，但微控制器的速度有限，而且一般需要3～4條指令完成一次數據采樣工作，制約了ADC的采樣吞吐[3]。如目前高性能的浮點型DSP TMS320C6713B的外部總線時鐘也僅為100 MHz[4]，難以直接控制超過50 MS/s ADC器件的數據采樣或存儲。此外，微控制器對外訪問為標準時序，并不具備針對精密復雜采樣時序ADC器件的能力。而FPGA具有較高的運行主頻，用于控制底層器件的執行時序，具備良好的接口能力，能最大限度地保障ADC的采樣率[5]。

為保證數據采樣的實時性，應盡可能減少數據實時采集、預處理、存儲和傳輸過程中的時間開銷，需設計高性能的數據鏈路，一方面實現高速采樣數據的實時存儲，另一方面實現底層數據采集單元與上位機之間的數據交互。DMA(Direct Memory Access)方式由專用的DMA控制器完成多系統單元之間的快速數據交互，包括微處理器內核、存儲區、外部接口等，不占用大量的處理器時間，而且數據傳輸速率不受處理器執行速度限制，能有效減輕處理器的負擔，提高數據傳輸的效率，從而提高系統性能[6]。

本文提出了一種基于FPGA的DMA方式高速實時數據采集系統設計方案：基于FPGA實現高速ADC器件采樣時序控制與實時存儲；采用帶DMA控制器的PCI接口，將數據實時傳輸到上位機；數據采集、存儲與傳輸呈流水線方式進行。

1 數據采集系統總體結構DMA方式數據采集是指數據采集過程由底層數據采集單元完成，而數據采集結果不經過微處理器而被直接寫入系統內存。底層數據采集單元依照上位機設定而高效運行，對微處理器的依賴程度低，能有效節省上位機軟件開銷，且數據采集實時性高。

數據采集系統的總體架構如圖1所示，其中PCI核、DMA控制器與A/D控制器均在FPGA內部實現。為實現多路并行采樣，可選用多片A/D器件并行處理的方式，在FPGA的高速狀態機控制下，完成模擬信號經過多片A/D器件流水轉換，并將數據采樣結果儲存到由Block RAM構建的高速緩沖RAM陣列中，采樣時序由FPGA生成，保證了多路并行采樣的高同步性。

FPGA采用Altera公司的Cyclone IV系列 EP4CGX150，內部帶有6.3 MB嵌入式 Block RAM，支持最高頻率167 MHz的存儲區訪問，易于設計接口友好的存儲區[7]。在FPGA內部設計了數據FIFO用于實現總線速率匹配，PCI總線速率為32 bit、33 MHz，而數據采樣流水速率為16 bit、20 MHz。為提高總線利用率，需設計數據緩沖來實現不同速率數據傳輸之間的速度匹配，而數據緩沖的深度取決于采樣數據實時性要求。

采用以上結構具有如下優點：(1)底層A/D控制器提供精密采樣時序，保證了ADC器件的采樣吞吐，最大化地保證數據采樣的實時性；(2)采用帶DMA控制器的PCI接口與上位機進行數據交互，減少了上位機軟件負荷； (3)基于單片FPGA芯片設計，結構簡單而優化，可靠性高，可降低成本。

2 數據采集系統的實現2.1 PCI IP核PCI總線是獨立于處理器的32 bit或64 bit局部總線，在32 bit/33 MHz時，可達到132 MB/s的帶寬；在64 bit/66 MHz 時，可達到528 MB/s的帶寬[1]。通常PCI總線接口通過專用的PCI橋芯片或帶PCI控制器DSP器件(如TMS320C6205等)實現。

Altera公司推出的 PCI Compiler 軟件包可以參數化地生成應用于PCI總線的IP核，基于該IP核可生成符合32 bit/33 MHz PCI 2.2規范的主從控制器，包含了PCI總線的全部功能，能實現總線協議的轉換，并將復雜的、時序要求高的PCI總線操作，轉換成易于使用本地總線（Local 總線）的接口邏輯[6]。

PCI IP核的結構如圖2所示，包括：(1)配置寄存器：用于保存PCI設備的基本信息；(2)PCI地址數據緩存：用于緩存PCI總線上的地址信號；(3)主模式接口控制模塊：負責在主模式（Master）下對PCI總線的操作；(4)從模式接口控制模塊：負責在從模式（Slave）下PCI總線的操作；(5)奇偶校驗器：當數據校驗出錯時，生成一個錯誤信息輸出到配置寄存器；(6)本地主模式控制模塊：負責主模式下的本地接口控制邏輯；(7)本地從模式控制模塊：負責從模式下本地接口控制邏輯；(8)本地邏輯接口模塊：負責控制本地端接口的地址、數據、控制、字節使能等[6]。

2.2 DMA控制器針對高帶寬、低延時和大量數據存儲與傳輸需求，設計了基于PCI IP核的DMA控制器。該DMA控制器是系統中的核心單元，實現高速采樣數據向上位機的DMA方式實時傳輸。DMA控制器結構如圖3所示，內部寄存器堆定義了DMA控制器的行為，而上位機可通過PCI總線設置相應的寄存器。