基于SOPC的高速数据采集系统的分析与设计

0 引言

传统数据采集卡多采用PCI或ISA总线接口，这种方式安装麻烦、价格昂贵，且受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，有扩展性差等缺点。而USB通用串行总线则具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，其中USB2.0标准具有480Mbps的最高数据传输率，这使USB成为本系统所选接口的主要类型。控制方面，传统数据采集通常使用单片机或DSP作CPU来进行控制和数据处理。其中单片机的时钟频率低，无法适应高速数据采集；DSP虽能满足速度要求，但在速度提高的同时，也提高了成本。而用FPGA实现的SOPC则具有时钟频率高、内部延时小和配置灵活等优势。数据显示方面，采用虚拟仪器不但可按要求设计且变换灵活，还能执行传统仪器无法实现的许多功能。为此，本系统使用FPGA实现SOPC数据采集系统，并利用Labview实现系统的显示与控制。

1数据采集系统总体设计

基于SOPC的高速数据采集系统总体框图如图1所示。图中，ADC(Analog t0 Digital Converter)模数转换器采用的是8位高速模数转换器TLV5580。调理电路用于实现对输入信号的限幅、限压、滤波，并用增加输入阻抗的措施来获取预期有效信号，同时保护后端AD转换芯片。FPGA采用ALTERA公司的EPIC6Q240芯片来实现ADC控制及FIFO数据缓存；基于FPGA芯片的控制系统可直接用逻辑实现，也可在其基础上实现SOPC对数据的采集、传输的控制。USB采用CYPRESS公司可支持USB2.0协议的高速芯片CY7C68013。FPGA可控制TLV5580的连续采样，并将数据送到FIFO数据缓存。当采集到一定量的数据后，CY7C68013便采用slave fifo方式将数据送给PC端，并由PC端软件Labview实现的虚拟仪器进行显示和控制等处理。


2数据采集系统硬件设计

2.1 模数转换器TLV5580及其控制

TLV5580是一款高速8位模拟／数字转换器，它具有80 Msps采样速率，是一款3.3 V工作电压的低功耗6级流水线结构高速A／D芯片。它的采样信号每1个时钟周期可通过一个STAGE，完成连续转换到数据输出共需6个时钟周期。此流水线结构由6个ADC／DAC级和一个终极快闪ADC构成。采用A／D-D／A两次变化以及纠错逻辑的目的在于进行差错校正，以保证流水线上各个阶段在满操作温度范围下，ADC的偏移量能够得到补偿且不丢失代码。TLV5580的时序图如图2所示。可以看出，该A／D转换器时序简单，容易控制。当输出使能(OE)为低电平时，一旦数据流水线满，其数据将在每一个时钟周期的上升沿输出。

2.2 USB芯片CY7C68013(FX2)

为了满足对USB传输速度较高的需要，本设计选择了Cypress公司内置USB接口的微控制器芯片EZUSBFX2。FX2系列芯片独特的结构使其数据传输速度最高可达56Mbps，故可最大限度地满足USB2.0的带宽。此外，CY7C68013提供有一个串行接口引擎(SIE)，可负责大部分USB2.0协议的处理工作，从而大大减轻USB协议处理的工作量，并可提供4KB的FIFO，以保证数据高速传输的需要。CY7C68013可配置成三种不同的接口模式：Ports、GPIF Master和Slave FIFO。本项目采用Slave FIFO模式。在该模式下，外部逻辑或外部处理器直接连接到FX2的端点FIFO，因为外部逻辑可以直接控制FIFO，所以，FIFO的基本控制信号(标志、片选、使能)均由FX2的引脚引出。其外部控制可以是同步，也可以是异步，可以使用内部时钟，也可以使用外部时钟。
2.3 FPGA器件EPIC60240C6

FPGA (Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列。本设计选用的是ALTERA公司的EPIC60240芯片，该芯片的工作电压为1.5 V，存储器密度可达5980个逻辑单元，它包含20个128x36位RAM块，总的RAM空间达92160位，此外还内嵌了2个锁相环电路和一个用于连接SDRAM的特定双数据率接口，故可支持多种不同的I／O标准。事实上，这里的FPGA除了可以直接编程以进行逻辑控制外，也可在此基础上构建SOPC系统，以便使用软、硬件协同方法，与SDRAM构成一个大容量的FIFO来对SDRAM以及MD转换器进行控制，同时完成与USB器件的协同工作。
2.4 SOPC及其设计

SOPC (System on a Programmable Chip)即可编程片上系统。它可以由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；这种可编程系统具有灵活的设计方式，而且可裁减、可扩充、可升级。本设计采用ALTERA公司率先推出的SOPC解决方案，来将处理器、存储、I／O口等系统所需集成到一个FPGA器件上，并对其进行软、硬件配置，从而实现对数据的采集、传输、显示控制。图3所示是其SOPC系统框图。


3数据采集系统软件设计

本系统软件包括SOPC系统程序、USB固件程序、驱动程序和应用程序等4个方面的设计。其中SOPC系统程序和USB固件程序是整个程序设计的核心。