基于FPGA 和USB2.0 的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

　　0 引言

　　隨著數(shù)字通信技術(shù)的逐步發(fā)展，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其廣泛應(yīng)用在眾多場合。新一代可編程邏輯器件FPGA 都擁有較多的IO 端口以及強大的數(shù)據(jù)處理能力，這也為高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研發(fā)提供了基礎(chǔ)條件。

　　1 工作原理

　　本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集卡硬件原理框圖1 如下所示。

　　如圖1 所示，前端模擬電路將外界的模擬信號轉(zhuǎn)化成為ADC能夠接收到的數(shù)據(jù)格式；高速時鐘電路提供500MHz 的高速時鐘，ADC 在此時鐘作用下，進行ADC 變換。在整個數(shù)據(jù)采集卡中，F(xiàn)PGA 是進行采集控制，以及數(shù)據(jù)接收的核心。FPGA 按照1 :4 的比率對將接收到的500MHz 的LVDS 差分數(shù)據(jù)流進行分流和降速。

　　數(shù)據(jù)分流之后由于數(shù)據(jù)速率與USB 接口數(shù)據(jù)傳輸速度不同，所以還要進行FIFO 緩沖。FIFO 的寫時鐘與串行收發(fā)器保持同步，當(dāng)FIFO 緩沖器被寫滿之后，由FPGA 讀取FIFO 緩沖器中的數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)通過USB 接口芯片傳輸?shù)缴衔粰C中進行顯示或者存儲。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集卡主要包括高速A/D 轉(zhuǎn)換模塊、FPGA 主控模塊和USB 接口電路三個模塊。

　　2.1 高速A/D 轉(zhuǎn)換模塊

　　ADC 芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的核心，設(shè)計采用TI 公司推出的ADS5463,其采用流水線型結(jié)構(gòu)，最高采樣速度500MSPS,精度12位，擁有高速差分數(shù)字接口LVDS.

　　對于高速ADC 采樣電路，模擬信號輸入接口的設(shè)計不僅要保證足夠的傳輸帶寬而且要完成將單端的輸入信號變成差分信號的功能。本設(shè)計使用射頻變壓器將單端輸入轉(zhuǎn)換為差分輸入，并通過TI 公司生產(chǎn)的可級聯(lián)中頻放大器THS9001 芯片實現(xiàn)中頻信號放大的功能。

　　在A/D 轉(zhuǎn)換模塊中，采樣始終的質(zhì)量非常重要。在本文的設(shè)計中，采用了鎖相環(huán)芯片CDCM61001 生成采樣時鐘，并利用FPGA內(nèi)部PLL 資源倍頻生成采樣時鐘作為備用的采樣時鐘。本設(shè)計是用25M 的時鐘倍頻20 倍生成500M 以LVPECL 格式的差分電平形式。

　　高速A/D 轉(zhuǎn)換模塊的原理圖如圖2 所示：

　　2.2 FPGA 主控模塊

　　FPGA 是整個采集模塊的控制核心，其主要的功能是接收數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)進行降速、分流以及緩沖，并且將數(shù)據(jù)傳通過USB接口傳輸給上位機。在本文的設(shè)計設(shè)計中，選擇Cyclone II 系列的EP2C35F672C6,它屬于一款中等密度的FPGA,相比較于ASIC低得多的成本在單片機上實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。

設(shè)計使用FPGA 的Bank3 和Bank4 接收來自ADS5463 輸出的高速LVDS 數(shù)據(jù)，包括DRY（數(shù)據(jù)輸出準備好）以及OVR（數(shù)據(jù)溢出位）。Bank5 和Bank6 用于USB 接口芯片的控制，其余BANK 留作擴展之用。

　　在FPGA 主控模塊中，AD 輸出信號和時鐘信號被傳輸?shù)紽PGA 中的DIFFIO_RX p/n 通道上。其中p 表示正差分通道信號，而n 表示負差分通道信號。在這部分的軟件設(shè)計中，使用altvds模塊接收ADC 的輸出數(shù)字信號、始終信號，并且利用DMUX 對數(shù)據(jù)流進行串行- 并行轉(zhuǎn)換，以方便對輸入信號的后續(xù)操作。

　　數(shù)據(jù)流在DMUX 模塊的仿真結(jié)果如圖3 所示。

　　如圖3 所示，Data_in 是一路500MHz 的數(shù)據(jù)流，而dout1,2,3,4 為Data_in 通過DMUX 進行降速和分流之后的結(jié)果。從圖中可以看出，500MHz 的高速數(shù)據(jù)流經(jīng)過DMUX 降速、分流之后的輸出較干凈、平滑，在高速狀態(tài)下，達到這種結(jié)果是比較理想的，對系統(tǒng)設(shè)計上也是很有利的。