FPGA芯片在高速数据采集缓存系统中的应用

摘要：给出了以FPGA为核心逻辑控制模块的高性能数据采集系统的设计方法，并在QuartusII8．0集成环境中进行软件设计和系统仿真，最后给出了新型缓存系统中主要功能模块的仿真图形。

关键词：FPGA；高速；数据采集；缓存

0 引言

在高速数据采集方面，FPGA有单片机和DSP无法比拟的优势。FPGA的时钟频率高．内部时延小，全部控制逻辑都可由硬件完成，而且速度快，组成形式灵活，并可以集成外围控制、译码和接口电路。更最主要的是，FPGA可以采用IP内核技术，以通过继承、共享或购买所需的知识产权内核提高其开发进度。而利用EDA工具进行设计、综合和验证，则可加速设计过程，降低开发风险，缩短了开发周期。效率高而且更能适应市场。本数据采集系统就是基于FPGA技术设计的多路模拟量、数字量采集与处理系统。FPGA的10端口多，且可以自由编程、支配、定义其功能，同时配以verilogHDL语言以及芯片自带的可定制模块，即可进行软件设计。FPGA的最大优点是可在线编程。此外，基于FPGA设计的数据采集器还可以方便地进行远程功能扩展，以适应不同应用场合的需要。

1 系统基本构架

本文所设计的高速数据采集系统是某雷达信号处理系统的一部分，可用于雷达信号的预处理以及采集、缓存。本系统以高速FPCA为核心逻辑控制模块，并与高速ADC和DSP相连接。其系统基本架构如图1所示。

图l中的FPGA可用作数字接收机的预处理模块，该器件集成有PPL倍频、ADC控制接口、FIFO及其管理、SPI接口、DSP总线接口、状态和自检模块等。FPGA的内部结构功能框图如图2所示。

图2中的中断产生模块用于产生周期性中断，利用视频包络和100 MHz时钟可形成50 MHz的DMA同步传送时钟，然后通过外部口DMA方式将采样数据传送到DSP。ADC控制串行接口为通用三线串口，SPI总线接口实际上是一个串并转换器，可用于控制本振。本系统的DSP数据总线为64位宽度，地址为32位。

由于雷达信号接收机中的信号处理量大，信号复杂，因此，通过基于高速大容量FPGA芯片的实时数据采集系统可以很好的满足对信号预处理的需要。

2 芯片的选取

ADC是数据采集系统的核心，其性能指标往往是决定数据采集系统性能最关键的因素。本系统的中频频率为1125 MHz，带宽BW为250 MHz。ADC选用ATMEL公司的高速采样芯片AT84AD001本系统采用带通采样方式，其采样频率低于输入中频频率。但是ADC的输入带宽必须大于中频频率加二分之一带宽，AT84AD001的模拟输入带宽为1500 MHz，高于1125+125=1250 MHz，故可满足设计要求。AT84AD001的最高采样率为1000MHz，也可以满足系统要求。此外，AT84AD00l的模拟输入、时钟输入和输出全部采用差分方式。设采样时钟频率fsw为500 MHz，内部提供了1：l／l：2降速率逻辑，其输出A、B、C、D四路的数据速率分别为fsw／2，数据宽度为8位，电平为差分LVDS，数据宽度为2x8=16位，但是，由于速率已经是250MSPS，故可以直接送给FPGA处理，而不需要再进行专门的降速率处理。

StratixII系列FPGA是Altera公司具有全新构架的高密度产品。它采用1．2V电压、90nm及全铜层SRAM工艺，是采用自适应构架的FPGA。与第一代Stratix相比，StratixII器件的逻辑密度是前者的2倍，速度也快了50％，在无线通信、高速数字信号处理和军事雷达等领域都有广泛的应用前景。本设计采用其中的EP2S90系列，该系列由三种不同大小的集成RAM块组成，包括512 bit的M512块、4Kbit的M4K块以及512 Kbit的M-RAM块。其中最大容量的M-RAM块就有4块，基于这三种块的RAM单元最多能达到9 Mbits的容量，因此，StratixII系列FPGA是那些对存储量要求很高的应用的理想选择。

3 系统的实现及仿真

3．1 ADC接口及控制模块

本系统选用AT84AD001B芯片，设计模拟输入的工作方式为I通道与Q通道有相互独立的两路输入，时钟输入的工作方式为I通道和Q通道有各自独立的时钟，并分别在上升沿时采样。

AT84AD001B有MODE、CLK、LDN及DATA等4个引脚用于三线串口配置。其中，MODE为高时，启用三线串口，设计时可将此引脚接入FPGA中，以便在FPGA中可以根据自身需要进行MODE的置O与置l的配置：CLK为三线串口的配置时钟输入引脚，该引脚允许输入的最大时钟频率是50 MHz，本设计的输入时钟为20 MHz，可以符合要求；LDN为通过三线串口配置寄存器的开始和结束信号的输入引脚；DATA为三线串口的寄存器配置数据输入引脚。

每个三线串口寄存器所需输入的配置数据包括3 bit的寄存器地址和16 bit送入该寄存器的数据，总共需配置8个寄存器，其相关时序图如3所示。

作者：孙 杰，冯小平 西安电子科技大学 来源：电子元器件应用