多路高速信号并行采样及实时存储解决方案

前言

在高端测量系统当中，通常需要同时采集许多路模拟信号，且这些信号的带宽、采样精度、有效时间等都各不相同。此时，如果采用基于MCU的方案，则由于必须同时面对多个不同的ADC而耗费掉MCU的大量资源。再者，当存在高速信号时，数据量将急剧增大，几乎无法实现。

高端测量系统的主要难题是，繁多的控制对象和庞大的数据量，究其根本就是 实时 性问题。解决这个问题的方法通常是选用高性能的MCU甚至DSP，或采用DMA技术。如基于混合信号MCU的DTC(Direct Transfer Control) 解决方案 。本文改变了基于MCU的分时控制和延时存储这一思路。提出一种采用FPGA的 解决方案 ，通过FPGA+ADC实现多路并行采样，通过FPGA+SRAM实现高速 实时 存储，从而在根本上解决了上述问题，同时衍生出便于调整、易于扩展的优点。

总体方案

本方案的总体设计思路是：尽可能地减少MCU的负担，让采样和存储全部自主完成。为行文方便，我们称这个基于FPGA的采样和存储模块为信号采集控制器(Signal Collecting Controller)，缩写为SCC，把信号采样和存储合称为信号采集。下文将以一个实际例子说明SCC的设计方案。该例子的原型应用于粒子测量系统中，共有5个信号通道，其中3个通道的采样率为1MSPS，数据宽度为12位；一个通道为10MSPS，数据宽度为12位；一个通道采样率为20MSPS，数据宽度为10位。总体方案如图1所示。需要说明的是，本文旨在阐述一种思路和方案，并非提供可照搬的详细设计。故对原型进行了抽象和删改，也未给出器件的具体型号。

图1中虚线框内是FPGA实现部分，即SCC，虚线框外是与SCC连接的片外元器件。ADC0~4为5个ADC，分别对应5个信号通道，下文简写为ADCx；ZBT-SRAM为零总线延时SRAM。AD_CTRL0~4分别为5个ADC的控制器，简写为AD_CTRLx；SRAM_CTRL为ZBT-SRAM的控制器；MCU_IF为SRAM与MCU接口的转换器。clk、dq为控制ADC的接口，dq是转换数据，可以是串行的，也可以是并行的，根据实际的ADC型号而定；mclk、w/r、addr、dio是SCC与ZBT-SRAM的接口；bus是SCC与MCU连接的控制、地址和数据总线。wr0~4分别为AD_CTRL0~4输出的数据有效信号，简写为wrx；d0~4为AD_CTRL0~4输出的并行数据，简写为dx；set、index、din、dout用以完成MCU对SRAM_CTRL模块的参数设置和查询，称为控制口；irq、den、data用以读取SRAM中的数据，称为数据口。

下面简略地描述一下SCC的工作过程，更具体的内容在SRAM_CTRL模块中介绍。AD_CTRLx从ADCx中获得数据，锁存在dx上，同时输出wrx信号。SRAM_CTRL扫描AD_CTRLx，当发现wrx有效时，读入数据dx。各路dx在SRAM_CTRL内部被按照ZBT-SRAM的数据宽度进行调整，SRAM_CTRL根据各路数据的地址空间分配产生寻址信号addr，同时输出控制信号w_r，输出相应数据dio，在mclk的驱动下，数据被写到SRAM中。MCU可从MCU_IF读取SRAM中的数据，首先通过控制口设置欲读取的数据通道号，然后发送开始读命令(注：需事先制定控制协议)，SRAM_CTRL即把对应通道的数据陆续送到数据口，并输出数据有效信号den，MCU_IF根据den把data存进FIFO中。其中irq为中断申请信号，用以通知MCU存储器空或满，可根据实际情况选用，本例未使用。

如此，整个信号采集的过程已经彻底脱离了MCU的控制，可以完全自主地进行，即MCU对于信号采集是不可见的。反过来，还要求信号采集对MCU读数据不产生任何干预，让MCU就像读取一块独占的存储器一样，即信号采集对于MCU是透明的。这些都需通过SRAM控制器来实现。

SRAM控制器

SRAM_CTRL模块是SCC设计的核心，它需解决的关键问题是：如何糅合不同速率的5路数据，并确保在不与MCU读操作产生冲突的情况下写入SRAM。

首先简要介绍一下ZBT-SRAM。它具有同步接口，数据、地址和控制信号严格按照时钟同步操作。ZBT是零总线延时的含义，它与一般的总线接口不同，写操作的数据要在地址和控制信号的下一个时钟周期给出，这样，当读写操作交替产生时，就不会出现无效的时钟周期，从而提高了读写速度。对于FPGA设计来说，这种接口的优点不仅在于速度的提高，而且大大简化了传统异步I/O接口的逻辑复杂度，尤其在本文需要复杂读写操作的SRAM扩展设计中，更是提供了很大的方便。

在设计读写SRAM时序之前，应对各通道数据在SRAM中的存储格式进行定义。读写数据必须按同一格式进行，才能确保MCU正确解释获得的数据。格式定义需要注意两个问题。①数据拼接。因为ADC的数据宽度一般与SRAM的数据宽度不等，如本例12位的通道，每行有6位空间浪费。一个可行的办法是，在单个通道内把先后采样到的数据拼接起来，如可以用2行18位的SRAM空间存储3个12位的ADC数据，MCU读取后再进行分拆。这种做法稍微增加了SRAM_CTRL的设计难度，同时也需牺牲MCU的解码时间，应根据实际资源进行权衡取舍。本例为简明起见，约定每行只存一个ADC数据，低位对齐，高位补零。②数据分区。同时存储不相关的多路数据，设计时应根据实际通道数和每个通道的数据量，将SRAM分区，SRAM_CTRL内部应定义一些寄存器，用以记录各分区的首尾地址。为拓展适用范围，应允许上位机设置这些地址寄存器。本例为简明起见，约定把SRAM分为5个相等空间的数据区。

本文糅合多路数据的方法主要是基于时分复用的思路。本例中，考虑最坏的情况，总共有6个设备可能并发访问SRAM，其中5个是AD_CTRLx的写操作，速率分别为：CH0~CH2为1MHz，CH3为10MHz，CH4为20MHz；还有一个设备是MCU的读操作，最高为40MHz。把这6个设备的速率相加为73MHz，可选择SRAM的时钟为80MHz。基于时分复用的思路，让SRAM_CTRL在80MHz的频率下采用轮询的方式访问6个设备的读写标记。拟把一个循环分为24个时隙，CH0~CH2各占用1个时隙，CH3占用3个时隙，CH4占用6个时隙，MCU读操作(简称RD)占用12个时隙。如此便能保证各个设备都以最高速率进行访问。具体时隙划分如图2所示。

应注意每个设备的时隙必须均匀分布，以保证各设备得到匀速的查询，不至于漏掉数据。因此，时隙总数一定是设备数目的整数倍。

时隙划分图是SRAM_CTRL状态机设计的根据和基础。我们按照一个时隙对应一个状态的原则进行状态分配，前面增加初始化状态，最后增加结束状态，以完成准备和收尾工作。状态机示意图如图3所示，其中， ready是预备工作状态，quit是收尾工作状态，状态rd_0~b对应12个RD时隙，状态ch4_0~5对应6个CH4时隙，状态ch3_0~2对应3个CH3时隙，状态ch2、ch1、ch0分别对应1个CH2、CH1、CH0时隙。状态机主要由一个读写循环构成，在复位后，处于空闲状态idle。循环的进入或退出由MCU控制，需在24个读写状态中任意挑选一个进入循环状态，一个退出循环状态。也可定义任何一个读写状态都允许退出循环，这样可避免由于延时而产生误操作。本例定义由rd_0状态进入循环，从ch0状态退出循环。

对于同一个存储空间，同时进行读写必然会产生两种冲突，除了上文解决的时序冲突，还有地址冲突，即读写不能发生在同一个地址，另外还有写满和读空的问题。本文通过在SRAM_CTRL内构造一个循环队列来解决这个问题。在每个数据区内定义两个地址指针，一个指向当前写地址，一个指向当前读地址，再定义一个满标记和一个空标记。读写一个数据后指针自动加1；当写指针加1等于读指针时，输出满标记，余下的写操作将不受影响；同理，当读指针加1等于写指针时，输出空标记，余下的读操作将不受影响。其中细节均按照循环队列的规范设计就可以了，限于篇幅，不再赘述。

设计实例及建议

本方案已经在一种测量粒子的产品上实现并投入使用。实际情况如上文所述，共5个通道，采样率分别是1MHz/1MHz/1MHz/10MHz/20MHz ，采样精度有12位和10位，均扩展为16位存储和读取，MCU的总线速率是40MHz。这种情况如果用MCU来控制采样，是根本无法实现的，不过即使是把采样任务分离出去，如果存储任务没有剥离，仍然存在问题。原先的方案是使用一个FIFO来缓冲数据，当FIFO半满时申请中断。结果MCU被频繁地中断，而且读取数据后还需区分是属于哪一通道，然后再分别存到相应的内存块中，从而没有时间顾及人机接口，使得操作界面非常迟钝，严重影响使用。实际上，人机接口的特点是处理时间很短，但要求响应迅速。改进为本方案后，MCU的负担大大减轻，其主要时间用以处理人机接口、液晶显示和网络通信等工作，根据闲忙情况突发式地批量读取数据，对于数据量少的通道，可等到采样结束后再行读取。从而很好地解决了原来的问题。

下面给出在具体设计时积累的一些经验和建议，以供参考。

1.当前FPGA设计通常是采用同步时序逻辑，故易于扩展同步接口。建议选择有同步接口的ADC，RAM应选择ZBT-SRAM。目前，ZBT-SRAM的最大容量已达到72Mb，基本能胜任超大数据量的应用。选型时注意ZBT是属于IDT公司的商标，在Cypress被称为NoBL，ISSI称其为NO WAIT，其实际含义是一样的，相应的芯片封装和接口也都完全兼容。

2.对于读写操作不需要同步进行的系统，建议去掉读时隙，另外单独设计一个读循环，这样可大幅降低状态机的速度，从而降低功耗，也减少辐射。

3.通常对ADC得到的数据需要进行一些处理，可根据需要方便地在AD_CTRLx和SRAM_CTRL之间插入数据处理模块(DSP)，以减少MCU的计算负担。

4.MCU_IF模块是为MCU与ZBT-SRAM的粘合逻辑，应根据具体MCU的总线结构和时序要求进行设计。更具模块化的设计方法是，把MCU_IF改为连接一种标准总线的控制器，如LPC、SPI等，这样更增加了独立性和灵活性，成为一个通用的信号采集模块。

结语

采用FPGA实现的信号采集控制器具有适应能力强、便于调整和易于扩展的优点，其缺点是成本较高、设计工作量和难度较大。本文提出的方案适用于高端的复杂测量系统，是从根本上解决 实时 性问题的一种方法。不过，对于简单的测量系统，采用基于单片机的方案可能是更好的选择。

参考文献
1. Mark Buccini；Using direct data transfer to maximize data acquisition throughput；TI Analog Application Journal；3Q, 2002
2. Cypress Semiconductor Corporation；CY7C1357C 9-Mbit Flow-Through SRAM with NoBL Architecture；Data Sheet；May, 2005