FPGA芯片在高速数据采集缓存系统中的应用

在高速数据采集方面，FPGA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，全部控制逻辑都可由硬件完成，而且速度快，组成形式灵活，并可以集成外围控制、译码和接口电路。更最主要的是，FPGA可以采用IP内核技术，以通过继承、共享或购买所需的知识产权内核提高其开发进度。而利用EDA工具进行设计、综合和验证，则可加速设计过程，降低开发风险，缩短了开发周期，效率高而且更能适应市场。本数据采集系统就是基于FPGA技术设计的多路模拟量、数字量采集与处理系统。FPGA的IO端口多，且可以自由编程、支配、定义其功能，同时配以verilogHDL语言以及芯片自带的可定制模块，即可进行软件设计。FPGA的最大优点是可在线编程。此外，基于FPGA设计的数据采集器还可以方便地进行远程功能扩展，以适应不同应用场合的需要。  

1 系统基本构架  

本文所设计的高速数据采集系统是某雷达信号处理系统的一部分，可用于雷达信号的预处理以及采集、缓存。本系统以高速FPGA为核心逻辑控制模块，并与高速ADC和DSP相连接。其系统基本架构如图1所示。  


  
图1中的FPGA可用作数字接收机的预处理模块，该器件集成有PPL倍频、ADC控制接口、FIFO及其管理、SPI接口、DSP总线接口、状态和自检模块等。FPGA的内部结构功能框图如图2所示。  


  
图2中的中断产生模块用于产生周期性中断，利用视频包络和100 MHz时钟可形成50 MHz的DMA同步传送时钟，然后通过外部口DMA方式将采样数据传送到DSP。ADC控制串行接口为通用三线串口，SPI总线接口实际上是一个串并转换器，可用于控制本振。本系统的DSP数据总线为64位宽度，地址为32位。  

由于雷达信号接收机中的信号处理量大，信号复杂，因此，通过基于高速大容量FPGA芯片的实时数据采集系统可以很好的满足对信号预处理的需要。  

2 芯片的选取  

ADC是数据采集系统的核心，其性能指标往往是决定数据采集系统性能最关键的因素。本系统的中频频率为1125 MHz，带宽BW为250 MHz。ADC选用ATMEL公司的高速采样芯片AT84AD001本系统采用带通采样方式，其采样频率低于输人中频频率。但是ADC的输入带宽必须大于中频频率加二分之一带宽，AT84AD001的模拟输入带宽为1500 MHz，高于1125+125=1250 MHz，故可满足设计要求。AT84AD001的最高采样率为1000MHz，也可以满足系统要求。此外，AT84AD001的模拟输入、时钟输入和输出全部采用差分方式。设采样时钟频率fsw为500 MHz，内部提供了1：1／1：2降速率逻辑，其输出A、B、C、D四路的数据速率分别为fsw／2，数据宽度为8位，电平为差分LVDS，数据宽度为2×8=16位，但是，由于速率已经是250MSPS，故可以直接送给FPGA处理，而不需要再进行专门的降速率处理。  

StratixII系列FPGA是Altera公司具有全新构架的高密度产品。它采用1.2V电压、90nm及全铜层SRAM工艺，是采用自适应构架的FPGA。与第一代Stratix相比，StratixII器件的逻辑密度是前者的2倍，速度也快了50％，在无线通信、高速数字信号处理和军事雷达等领域都有广泛的应用前景。本设计采用其中的EP2S90系列，该系列由三种不同大小的集成RAM块组成，包括512 bit的M512块、4 Kbit的M4K块以及512 Kbit的M-RAM块)。其中最大容量的M-RAM块就有4块，基于这三种块的RAM单元最多能达到9 Mbits的容量，因此，StratixII系列FPGA是那些对存储量要求很高的应用的理想选择。  

3 系统的实现及仿真  

ADC接口及控制模块  

本系统选用AT84AD001B芯片，设计模拟输入的工作方式为I通道与Q通道有相互独立的两路输入，时钟输入的丁作方式为I通道和O通道有各自独立的时钟，并分别在上升沿时采样。  

AT84AD001B有MODE、CLK、LDN及DATA等4个引脚用于三线串口配置。其中，MODE为高时，启用三线串口，设计时可将此引脚接入FPGA中，以便在FPGA中可以根据自身需要进行MODE的置0与置1的配置；CLK为三线串口的配置时钟输入引脚，该引脚允许输入的最大时钟频率是50 MHz，本设计的输入时钟为20 MHz，可以符合要求；LDN为通过三线串口配置寄存器的开始和结束信号的输入引脚；DATA为三线串口的寄存器配置数据输入引脚。  

每个三线串口寄存器所需输人的配置数据包括3 bit的寄存器地址和16 bit送人该寄存器的数据，总共需配置8个寄存器，其相关时序图如3所示。  


  
根据以上高速采样相关的三线串口组成情况，可以得到如图4所示的AD配置电路。  


  
图4中各管脚的定义如下：  

clk_20m：三线串口时钟输入；  

rst：复位；  

ad_mode：配置模式；  

s_ldn：标志信号脚；  

s_data：寄存器数据输人；  

其仿真结果如图5所示，由图5可见，在ldn上升沿时寄存器数据开始输入，每20个周期读入一个寄存器数据。由此结果，即可知配置正确。  


  
3.2 大容量FIFO数据缓存模块  

由于采集的雷达信号数据量很大，所以，本系统通过Quartus中软件自带的宏功能MegaWizardPlag_in Manager来产生一个64 bit×32768words的大容量FIFO，从而有效地利用了这片FPGA的存储资源。其产生的FIFO模块如图6所示。  


  
图6中，64位数据由ADC的高速数据采样提供，ADC的I、Q两路数据均为16位宽。为了获得更高的速度以及更大的数据缓存量，在数据进入FIFO之前，可对ADC的采样数据进行数据抽取和拼接，以将两组32位宽的IQ数据拼接成64位宽数据，然后一次送入FIFO中进行缓存。FIFO的wrreq写使能信号由前面提到的视频检测脉冲以及DSP的控制信号共同提供，其中写时钟wrclk与ADC数据拼接时钟同步，读时钟rdclk与DSP时钟同步，FIFO数据出口与DSP总线相连接。  

系统的其他配置以及外围接口由于不是本文的重点，在此省略不讲。  

在Ouartus平台下进行时钟分配、三线串口配置等相关处理，以及信号处理模块综合后，所得到的系统资源使用情况如图7所示。然后再利用VisualDSP++5.0平台读取采样信号数据，并用plot进行绘图，即可得到如图8所示的高速采样结果图。  


  
4 结束语  

本文是在参与实际项目的基础上完成的，本系统目前已经应用于某雷达信号处理机中。随着高速器件的开发和利用，数字接收机技术的迅速发展，其信号采集与处理的速度必将更快，处理质量会更好，处理数据量也会更大。