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。

2．4 SRAM读写设计
    RAM有多种写的模式，可以按位擦写也可以按区块擦写。本系统选用相对简单快速的连续写的模式，此种模式需要一开始就向RAM依次写入控制字，然后每个时钟信号写入一个字。读操作只要各控制线置位正确读取相应地址位的数据，不需输入控制序列脉冲通过CE的变化来判断读。
    RAM的读操作时序如图4所示。

2．5 FPGA控制程序的设计
    如前面所述，FPGA主要完成时序协调和传输控制以及数据流的串／并转换和缓存，如图5所示。
    FPGA选用Altera公司的StratixⅡGX系列，内部带有高速收发通道，可支持高速串行数据的传输；有多达20个嵌入3．125 Gb／s收发器和45个差分I／O，适合于高吞吐量的数据通道，包括高速背板和芯片间通信。该系列器件的嵌入收发器模块采用通用技术和一些需要时钟数据恢复(CDR)技术的新兴接口之间接收和发送数据。每个收发器模块具有四个全双工通道串行编码和同步数据，在外部环境和StratixⅡGX器件
通道之间传送。StratixⅡGX器件支持多种协议，包括10 Gb以太网XAUI，InfiniBand和SONET／SDH。同时内置高速DSP模块，可实现快速的乘法操作及FIR滤波器等功能，便于进行数据的快速处理。
    根据系统主要的功能，FPGA控制程序主要包括时钟模块、数据处理模块、RAM读写控制模块、CPCI总线控制模块、光纤接口模块和其他接口控制等。
    时钟模块主要将输入的时钟信号进行整形，并利用FPGA内部的PLL，配置全局和局部时钟，为各个模块提供所需的时钟信号。StratixⅡ GX FPGA系列具有8个锁相环(PLL)和16个全局时钟网络，提供含有多级时钟结构的完整时钟管理解决方案。在本设计中，使用了Quartus软件中内置的PLL模块，以简化设计。图6为PLL模块部分。

    数据处理模块将各部分送来的数据进行相应的处理操作，包括指令译码、数据格式转换等，是整个控制程序的核心。
    RAM读写模块负责数据的存储，根据数据处理模块的命令，向RAM中写入数据或者将RAM中的数据读出并送往其他模块。
    CPCI总线控制模块负责FPGA和PCI9054接口芯片的通信，实现PCI本地端的时序控制，完成接收机测试数据和设置命令的传输等。
    光纤接口模块使用StratixⅡGX内部的嵌入式千兆位收发器功能模块，接收光纤接口传来的高速串行信号，同时在FPGA内部实现自定义的收发协议，完成解包头、解波门、分IQ路等功能。程序中使用了Quartus软件中的ALTGXB模块，部分设计如图7所示。

    除此之外，因为保留了一部分电接口，FPGA程序还有一个接口控制模块，以实现原有的电接口相关功能，保证数据采集卡可以和较早型号的接收机测试系统保持兼容。

3 CPCI驱动的开发
    开发基于PCI的数据采集卡的驱动程序，主要有三个方面的问题：硬件访问、中断处理和DMA传输。
    结合实际要求，从开发效率和驱动程序的执行效率两方面考虑，这里选择使用DriverStudio进行驱动程序的开发。DriverStudio是一整套开发、调试和检测Windows平台下设备驱动程序的工具软件包。它提供了一套完整的调试和性能测试工具，例如Driver Works，Drivet Monitor和SoftICE等。DriverWorks把微软的DDK用类的形式进行封装，简化了WDM驱动程序的开发，使用非常方便；SoftICE用来调试内核模式的驱动程序；DriverMonitor可以很方便地观察驱动程序的调试信息。DriverStudio所具备的高性能工具和对现代软件工程的实践，很大程度上方便了设备驱动程序的编写。所以选择DriverStudio开发设备驱动程序。
    下面以DMA传输为例，介绍CPCI驱动程序的开发：
    编写WDM驱动程序的DMA传输有特定的机制。DriverStudio中DMA整体的流程大致如下：当应用程序发出IRP_M J_READ的Irp后，驱动程序调用Irp的处理函数Handler，在这个Handler中初始化KDMATransfer，初始化完毕就调用DMAReady()函数，在DMAReady()函数中启动首次DMA传输即StartDMA，传输完后发生中断，在中断里调用Continue()启动下次传输，直到全部数据完成。DMA过程的流程图如图8所示。

4 结语
    文中设计的基于CPCI总线的通用雷达接收机测试系统，采用了光纤作为雷达数据传输的通道，具有较好的数据处理能力。实验证明该系统的软硬件设计是成功的，可对多型雷达的性能进行快速的测试。该设计对于数据处理要求高、实时性强、数据量大、处理算法复杂多变的雷达信号处理系统，有着重要的实际意义，具有广阔的应用前景。