基于PCIe總線的超高速信號采集卡的設(shè)計

摘要：設(shè)計一種基于PCIe總線的不間斷采樣和傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/超高速">超高速數(shù)據(jù)采集卡。利用雙400MHz、14位AID轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了800 MHz、14位的信號高速、高精度采集，論述了利用Xilinx公司FPGA的IPCORE設(shè)計實(shí)現(xiàn)PCIe總線控制接口。基于PCIe總線，采用乒乓交換數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高速采樣數(shù)據(jù)流的不間斷傳輸。最后給出了實(shí)際采集數(shù)據(jù)的頻譜。利用該采集卡構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在雷達(dá)偵察和干擾領(lǐng)域擁有很高的實(shí)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；PCIe；FPGA；雷達(dá)對抗

在雷達(dá)對抗系統(tǒng)中，需要對于雷達(dá)信號進(jìn)行實(shí)時測頻，并可以對感興趣的信號進(jìn)行儲頻，為假目標(biāo)欺騙干擾或壓制干擾提供測頻結(jié)果和儲頻數(shù)據(jù)。而數(shù)字測頻是當(dāng)今發(fā)展最快的測頻技術(shù)之一。數(shù)字測頻、儲頻的關(guān)鍵技術(shù)之一即是超高速、高精度、不間斷的信號采集技術(shù)。采樣速率和精度的不斷提高，使得數(shù)據(jù)傳輸和存儲越來越成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸。目前大部分高性能數(shù)據(jù)采集卡都是基于PCI、CPCI、VME等總線，最高持續(xù)傳輸速率難以超過400 MB／s，因此大多數(shù)采集卡采用采集和存儲分時工作的模式，即在板內(nèi)設(shè)有一定容量的存儲器，當(dāng)存儲器存儲數(shù)據(jù)到一定量時，停止采集而開始上傳數(shù)據(jù)，上傳完畢后再重新啟動采集，不斷循環(huán)，文獻(xiàn)也提出采集傳輸?shù)牧魉ぷ髂Ｊ?，提高采集的效率。這些工作方式雖然也能滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集的要求，但是在信號非常密集的環(huán)境中，交替工作模式將導(dǎo)致偵察截獲概率降低，帶來干擾的效能下降?；谏鲜鲈颍疚恼撌隽艘环N基于PCIe總線的數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡不但可以達(dá)到800 MHz／s采樣率、14 bit采樣精度，還具有不間斷采集、實(shí)時上傳的能力(在測頻只取其中8位分辨力，儲頻時取14位分辨力，根據(jù)系統(tǒng)的總數(shù)據(jù)量可編程)。該采集卡可以與高速信號處理器配合使用，構(gòu)成信道化的數(shù)字測頻、儲頻系統(tǒng)，雙信道系統(tǒng)的組成示意圖見圖l。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
本采集卡的設(shè)計主要包括超高速A／D轉(zhuǎn)換器模塊、時鐘產(chǎn)生模塊、大容量存儲器模塊和基于FPGA的控制模塊。如圖2所示，待采集的模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理放大到合適的電平范圍，送入到兩片工作于交叉采樣模式的A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化后數(shù)字信號直接送至FPGA控制器，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)信號電平轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩沖后，首先存儲于A路動態(tài)存儲器中，當(dāng)A路存儲器存滿后，數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)存于B路存儲器，同時啟動數(shù)據(jù)上傳操作，將A路存儲器的數(shù)據(jù)通過DMA方式上傳至主機(jī)存儲或傳輸?shù)叫盘柼幚戆逯?；?dāng)B路存儲器存滿后，數(shù)據(jù)存儲立即切換至A路存儲器，同時也啟動B路存儲器的上傳操作，如此反復(fù)循環(huán)。由于PCIe接口傳輸速率大于信號采集速率，因此可以保證數(shù)據(jù)的不丟失。