如何采用可编程逻辑器件和A/D转换器组成高速数据采集卡？

　　引言
　　随着信息技术的发展，基于微处理器的数字信号处理在测控、通讯、雷达等各个领域得到广泛的应用。被处理的模拟信号也在向高频、宽带方面发展，但这需要高速、高分辨率的数字采集卡以将模拟信号数字化。美国国家半导体公司新推出的系列高速、高分辨率模/数转换器（如CLC5958）就非常适用于需要高速、高分辨率的信号采集系统。
　　用于PC的采集系统以前大多有用ISA总线结构，这种结构的最大缺点是传输速率低，无法实现高速数据的实时传输。而PCI总线则以其卓越的性能受到了广泛的应用。32位PCI总线的最大传输数据速率可达132MB/s，64位PCI总线的最大传输速率可达528MB/s。实际上，采用高性能的总线已经成为高速采集技术发展的趋势。
　　
　　利用FPGA（现场可编程门阵列）来连接高速A/D转换器和PC的PCI接口，可以充分利用可编程器件高速、灵活、易于升级、抗干扰性能的优点，并且可以大大缩短开发时间［1］。
　　1 CLC5958型A/D转换器
　　本数据采集系统中的A/D转换器采用美国国家半导体公司的CLC5958，该电路具有14位分辨率和52Mb/s的转换速度，而且动态输入频带宽，转换噪声低，非常适合于宽带、高频信号的采集。CLC5958集高保真采样保持器和14位多通道转换器于一体，其信号和时钟均采用差动输入方式，且内部集成有参考电压，可支持CMOS和TTL双重输出标准。采用0.8μmBiCMOS制作工艺。CLC5958的内部结构如图1所示。
　　
　　CLC5958的基本特性如下：
　　●具有极宽的动态输入范围；
　　●奈奎斯特滤波器特性卓越；
　　●取样保持能力强；
　　●采用48引脚CSP封装；
　　●CMOS、TTL输出可选；
　　●取样速度可达52Ms/s，SFDR可达90dB，SNR可达70dB。
　　CLC5958可应用于GSM、WCDMA、DAMPS、精确天线系统等通讯领域。其工作时序如图2所示。但在具体应用时，应注意以下问题。
　　
　　（1）由于AIN和AIN模拟量差分输入端可通过片内500Ω输入电阻器接入，且内置3.25V标准参考电压。为了减小非线性输入的偏置电流，其输入耦合网络应尽可能接近电路。
　　（2）ENCODE和ENCODE为时钟差分输入端，其参考电源为VCC，时钟输入可以为PECL电平，也可以为其他波形（如直流为1.2V峰值在VCC以下的正弦波）。输入时钟的噪声超低，转换时的SNR性能越高。但由于时钟输入采用非自偏置输入，所以每个输入信号必须指定“地”电平。
　　（3）该电路的噪声主要来自采样保持器的非线性特性和转换器，因此，通过变压器的磁耦合来传递输入信号可以有效减少低频噪声。输入时钟在电路内部被分频产生内部控制信号，但在分频过程中可能产生1/4倍和1/8倍的时钟噪声，这些噪声一般不大于-90dBFS。
　　（4）CLC5958的内部电源由V cc供给，但是输出信号电源由DVcc供给（3.3V到5V均可），使用时，每一个电源引脚都必须接入相应的电平，且最好并接0.01μF的去耦电容器。
　　（5）该电路在高速采样时性能最好，如果采样速率过低，内部采样保持电路将会产生较大误差。
　　根据以上注意事项，给出CLC5958在采样系统中的电路，如图3所示。
　　2 FPGA的内部设计
　　由于CLC5958的转换速度高且控制操作简单，因此一般单片机因速度太低而很难控制该电路。如果采用高速DSP来控制，显然，对DSP超强的运算能力来说又是一种浪费。
　　现在市面上销售的各种PCI接口控制电路，如果AMCC公司的S5933及PLX的9080系列等，虽然可以实现完整的PCI主、从设备模式的接口功能，将复杂的PCI总线接口转化为相对简单的用户接口，但系统结构受接口电路的限制，不能灵活地设计目标系统，且成本较高。本文所设计的数据采集卡则不需要完整的PCI接口功能。
　　
　　在高速数据采集方面，FPGA具有单片机和DSP无法比拟的优势，FPGA的时钟频率高，内部时延小，全部控制逻辑均可由硬件完成；而且速度快，效率高，组成形式灵活，并集成有外围控制、译码和接口电路。根据本数据采集系统的要求，FPGA分为以下几个模块：A/D控制模块：产生A/D时钟和控制信号用于控制CLC5958，读取A/D转换产生的数据并存储。双口RAM：作为缓存，一边存储A/D转换产生的数据，一边通过PCI向PC传输数据。双口RAM控制模块：产生存储和取数的读写信号和地址信号，控制双口RAM的正常工作。PCI接口控制模块：从双口RAM中读取数据，经过符合PCI协议的变换后，传送给PC。FPGA的内部结构如图4所示。
　　（1）A/D转换器控制模块
　　该模块首先从PCI总线控制模块接收采样速度控制字，然后根据控制字对FPGA时钟进行分频以得到用于CLC5958的时钟。同时可在A/D转换器中断输入线的每一个上升沿给双口RAM一个写入信号，并读取A/D转换器输出的数据。此外，还用于给双口RAM控制模块一个控制信号以使其输出的双口RAM地址控制字加1。
　　（2）双口RAM
　　当写入控制信号到达时，根据当前写入地址控制字向相应单元写入数据输入总线上的内容，并在读出控制信号到达时，根据读出地址控制字从相应单元读出内容，送到数据输出总线。
　　
　　（3）双RAM控制模块
　　当启动写入地址控制信号到达时，把当前的写入地址加1，加满之后清零并重新开始，同时，当启动读出地址控制信号到达时，对当前读出地址加1，加满之后清零并重新开始。
　　（4）PCI接口控制模块
　　PCI总线接口控制模块中的信号按照功能可以分为系统信号、地址和数据信号、接口控制信号等。系统信号包括CLK和RST两个信号，为系统提供时钟和复位。对地址和数据信号来说，在总线传输操作周期中，一个PCI总线周期由一个地址段和紧随其后的一个或多个数据段组成，其中AD［30：0］是地址和数据复用总线，它可为PCI接口电路提供地址和数据信号。复用引脚C/BE［3：0］为PCI接口电路提供总线命令和这节允许两组信号。
　　接口控制信号主要由FRAME、IRDY、TRDY和DEVSEL等组成。其中FRAME信叫是总线周期构成信号，由当前总线中主要设备驱动，用以表明一个总线风吹草动期的开始和延续；IRDY表明启动方准备好数据；TRDY是目标设备就绪信号，在写操作中，TRDY有效说明从设备已准备好接收数据，在读操作中，它说明AD［30：0］上已有有效数据；DEVSEL为设备选择信号，当其有效时，说明驱动它的主设备已将其地址译码作为当前操作的目标设备，该信号作为输入信号时，DEVSEL用来表示总线上已有目标设备被选中。
　　
　　其他PCI总线所需但本系统不用的信号则可用高阻态来代替。图5示出PCI接口控制模块的内部结构。
　　PCI总线上的基本传输机制是突发分组传输。一个突发分组由一个地址周期和一个（或多个）数据周期组成。PCI支持存储空间和I/O的突发传输，所有的数据传输基本上都是由FRAME、IRDY和TRDY三条信号线控制的。
　　当数据有效时，数据资源需要无条件设置IRDY信号（写操作为IRDY，读操作为TRDY）。接收方可在适当时间发出它的xRDY信号。FRAME信号有效后的第一个时钟上升沿是地址周期的开始，此时传送地址信息和总线命令。下一个时钟上升沿即是一个（或多个）数据周期的开始，每当IRDY和TRDY同时有效时，所对应的时钟上升沿，数据可以在主、从设备之间传送。在此期间，可由主设备或从设备分别利用IRDY和TRDY的无效而插入等待周期。PCI总线的读写时序如图6所示。
　　本设计采用Verilog语言来进行编程，在MAXpluse II仿真平台上进行仿真，采用的电中是Altera公司的EPM7160SQC160-6。PCI接口控制部分的仿真结果如图7所示。
　　
　　3 结束语
　　本文提出一种采用可编程逻辑器件和A/D转换器组成的高速数据采集卡的设计方案，该采集卡只用两块主体电路，因而结构简单，可以直接插入PC，适用于智能仪器和其他需要高速数据采集的场合。如果在该采集卡前置处理部分增加通道转换和可控放大部分，则该采集卡的功能将更加完美。