基于CPCI和光纤接口的数据采集卡设计与实现

摘要：设计了一套基于CPCI总线，PCI9054桥接芯片和可编程逻辑器件(FPGA)的高速数据采集卡。FPGA作为本地主控芯片，根据工控机经PCI9054转发的采集命令，通过光纤接口实现与雷达接收机的通信。采用高速RAM缓存数据，采集的接收机测试数据的分析结果可在工控机上显示，从而实现了对雷达接收机性能的快速测试。该采集卡具有较强的通用性和可扩展性，详细介绍了高速数据采集卡的组成和工作原理、硬件设计。
关键词：光纤接口；CPCI总线；PCI9054；FPGA；雷达接收机测试

随着雷达技术的发展和雷达型号的增多，现代雷达接收机数据处理速度显著提高。因此，在雷达接收机的测试和维护中，对接收机测试系统的数据处理能力、可扩展性等性能要求也在不断提高。传统的雷达接收机测试系统由于专用性强、兼容性差、扩展能力不足，而CPCI总线的通用性、高可靠性和抗震动性使其在雷达信号处理板中得到广泛的应用。同时，由于传输高速雷达信号的需求，光纤在雷达系统中得到了广泛的应用。基于以上分析，本文设计并实现了一种基于光纤接口，使用CPCI总线通信的高速、通用性强的高速数据采集卡。通过实际测试，该采集卡可以很好地完成数据采集等雷达接收机测试的功能，并具有较好的通用性和可扩展性。

1 系统设计
高速数据采集卡主要由StratixⅡGX FPGA、光纤接口、SRAM、PCI9054桥接芯片等构成。本系统设计的目的是应用于雷达数据的采集和分析，为了高速、可靠地传输雷达信号，决定采用光纤作为传输媒介，充分利用光纤传输损耗小、抗干扰能力强、传输速率高等优点。
采用FPGA作为信号采集系统的核心，这种方式最大的优点就是结构灵活，有较强的通用性，适合模块化设计，能够提高效率，同时其开发周期较短，系统容易维护和扩展。图1是该系统的硬件框图。

其工作流程如下：PC机通过CPCI接口将采集命令等送入FPGA，FPGA对命令进行译码，通过光纤接口向雷达接收机发出参数设置命令，然后通过光纤接口接收采集的雷达接收机数据。光纤接口将光信号转换成串行电信号送入FPGA，FPGA对数据进行串／并转换、数据缓冲等所必须的信号处理过程，然后存储到高速RAM中。当计算机发出数据传输命令后，再将数据通过CPCI总线送入计算机进行存储、分析处理和显示等。同时系统还保留了一部分电信号的接口，便于和现有的系统兼容。

2 系统硬件设计
2．1 时钟设计
系统中FPGA的时钟信号由一个125 MHz晶振直接提供，PCI9054的时钟由一个40 MHz晶振提供。高速RAM和光纤接口的时钟信号则是由FPGA通过内部的PLL提供。因为时钟信号是非常敏感的信号，所以要尽量减少反射和串扰等一些问题。在时钟信号线上串接适当的匹配电阻可以有效地减少反射，减少串扰则需要在时钟走线周围留出额外的空间。在本设计中，将时钟线单独放在两个地平面层中间的一层，保证了时钟信号的完整性。
2．2 CPCI接口设计
目前，PCI接口的设计有两种方法，一种为使用专用的PCI接口芯片来设计，这种方法相对来说较为简单；另一种方法是利用FPGA进行设计，这种方法比较复杂，开发难度较大。本设计采用第一种方法，即采用PCI9054接口芯片实现PCI总线。
PCI9054芯片适用于通用的32位、33 MHz的局部总线设计。它的本地总线可为三种模式：M模式，C模式和J模式，可利用模式选择引脚加以选择。本设计选用C模式，即32位的地址／数据总线非复用。
PCI9054提供了三种物理总线接口：PCI总线接口、LOCAL总线接口、串行EPROM接口。CPCI接口设计思路是：FPGA通过PCI9054与PCI总线相连，在FPGA内部实现PCI本地端的时序控制。PCI9054芯片内部2个独立DMA通道，可以实现系统数据在PC机内存与数据采集卡之间的高速传输。PCI9054接口电路如图2所示。

CPCI数据采集卡的上电工作流程是：将PCI卡插到工控机插槽中后系统上电自检，此时PCI9054的RST#复位，PCI9054芯片检测E2PROM是否存在，如果存在，PCI9054会根据E2PROM的配置信息初始化其内部寄存器，BIOS根据PCI9054配置寄存器的内容进行系统资源分配，进入系统后安装PCI9054驱动。由以上进程可以看出，E2PROM的配置对于CPCI的正常工作起着重要的作用。
E2PROM配置信息主要包括以下两部分：PCI配置寄存器填写生产商ID号、器件ID号、类码子系统ID号和子系统生产商ID号；本地配置寄存器的配置，即对本地地址空间及其本地总线属性的配置。
2．3 光纤接口设计
光电转换驱动器选用LTP-ST11MB。这款芯片数据速率高达2．5 GHz，兼容光纤通道协议，具有良好的EMI性能。由于该芯片差分输出信号的电平是LVPECL或PECL的，所以要采用AC耦合电路来完成两种电平的转换。耦合电容如果选的太大，将严重减缓信号的传输速度，且由于充放电时问过长，对高速信号的响应将变得很坏；如果太小，将改变线路的阻抗特性，增大衰减。综合考虑，耦合电容的容值在0．01μF比较适当。光纤接口的供电部分要注意的是，发送器和接收器最好采用独立的电源。光纤接口的外围电路配置如图3所示。