1 引言

數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)是現(xiàn)代信號處理的基礎(chǔ),，廣泛應(yīng)用于雷達(dá),、通信,、遙測遙感等領(lǐng)域。隨著信息科學(xué)的飛速發(fā)展,，人們面臨的信號處理任務(wù)愈來愈繁重,，對數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的要求也愈來愈高。特別是在圖像處理,、瞬態(tài)信號檢測,、軟件無線電等領(lǐng)域，更是要求高速度,、高精度,、高實時性的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)。

在傳統(tǒng)高速信號處理中,，數(shù)字信號處理算法一般是通過專門優(yōu)化的數(shù)字信號處理器實現(xiàn)的,，目前主要有TI公司的DSP和AD公司的ADSP用于高端信號處理器應(yīng)用。當(dāng)這些處理器仍無法滿足高速信號處理要求時,，可以使用專用的信號處理ASIC芯片，然而使用ASIC在設(shè)計上受ASIC廠商設(shè)計思路限制,，使電路設(shè)計變得困難和缺乏靈活性,。而最近幾年具有乘法器及內(nèi)存塊資源的大容量FPGA以及基于IP核嵌入的FPGA開發(fā)技術(shù)的出現(xiàn)，可以將嵌入式微處理器,、專用數(shù)字器件和高速DSP算法以IP核的形式方便的嵌入FPGA,，以硬件編程的方法實現(xiàn)高速信號處理算法,，這種形式的嵌入為高端應(yīng)用領(lǐng)域提供了超高性價比的解決方案。

2 高速數(shù)據(jù)采集處理卡工作原理及主要器件選用

該高速數(shù)據(jù)采集處理卡是基于DSP+FPGA架構(gòu)來設(shè)計的,。FPGA是整個系統(tǒng)的時序控制中心和數(shù)據(jù)交換橋梁,，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對底層的信號快速預(yù)處理，在很多信號處理系統(tǒng)中,，底層的信號預(yù)處理算法要處理的數(shù)據(jù)量很大,，對處理速度要求很高，但算法結(jié)構(gòu)相對比較簡單,，適于用FPGA進(jìn)行硬件編程實現(xiàn),。而高層處理算法的特點(diǎn)是速據(jù)量較低，但算法控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，適于用運(yùn)算速度快,、尋址靈活、通信機(jī)制強(qiáng)大的DSP芯片來實現(xiàn),。

整個高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的主要硬件構(gòu)成為：高速ADC,、RAM、高性能DSP和PCI接口,、大容量FPGA,。模擬輸入經(jīng)AD采樣進(jìn)入FPGA，經(jīng)過FPGA里的信號預(yù)處理模塊處理后進(jìn)入DSP,，由DSP軟件進(jìn)行后續(xù)高級算法處理,，DSP通過PCI接口與主機(jī)交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示,。



圖1：數(shù)據(jù)采集處理卡總體結(jié)構(gòu)框圖

DSP采用TI公司的TMS320C6000系列定點(diǎn)DSP中的TMS320C6416,；ADC采用2片AD公司的AD9288，從而實現(xiàn)4路8位采樣,，最高采樣頻率為100 MSPS,；PCI接口采用TMS320C6416 芯片內(nèi)集成的PCI2.2控制器，理論最大數(shù)據(jù)傳輸速率為132MBps,； DSP程序存儲在Flash存儲器中,，器件選用AM29LV160。下面逐一介紹各個主要器件的特性：

2．1 AD9288　

AD9288是一款雙8bit 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，兩個ADC可以獨(dú)立工作,，最高采樣率100MSPS,內(nèi)部集成了跟蹤保持電路和基準(zhǔn)電路，單電源工作,。平行輸出接口,，兼容TTL/CMOS格式，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)溫度工作范圍,， 48PIN LQFP封裝,。適合應(yīng)用與高速信號測量儀器,，無線通訊設(shè)備。

2．2 XC2V1000

單片XILINX公司的XC2V1000芯片,，芯片集成度達(dá)100萬門,，具有40個18×18乘法器及40個18Kbit塊內(nèi)存等資源，并有豐富的內(nèi)部邏輯及路由資源,，非常適合實現(xiàn)高速DSP算法,，并具有8個DCM可實現(xiàn)復(fù)雜的時鐘管理，支持不同形式的I/O接口,。



圖2：Virtex2 結(jié)構(gòu)圖

2．3 TMS320C6416

本設(shè)計選用的TMS320C6416是TI公司近年推出的高性能定點(diǎn)DSP,，其時鐘頻率達(dá)600MHz，最高處理能力4800MIPS,，采用先進(jìn)的甚長指令結(jié)構(gòu)（VLIW）的DSP內(nèi)核有8個運(yùn)算功能單元,，每個時鐘周期可以執(zhí)行8條指令，所有指令可以條件執(zhí)行,。該DSP具有VITERBI譯碼協(xié)處理器（VCP）和turbo譯碼協(xié)處理器（TCP）;采用二級緩存結(jié)構(gòu),，一級緩存（L1）由128Kbit的程序緩存和128Kbit的數(shù)據(jù)緩存組成，二級緩存（L2）為8Mbit,；有2個擴(kuò)展存儲器接口EMIF,一個為64bit（EMIFA）,一個為16bit(EMIFB),可以與異步（SRAM,、EPROM）/同步存儲器的DMA通道；主機(jī)接口（HPI）總線寬度可由用戶配置（32/16bit）,，具有32bit/33MHz,，3.3V的PCI主從接口，該接口符合PCI標(biāo)準(zhǔn)2.2版,，有3個多通道串口（McBSPs）,，片內(nèi)還有一個16針的通用輸入輸出接口（GPIO）。

3 高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的硬件連接

3．1 模擬信號輸入接口設(shè)計

AD9288的模擬信號輸入采用差分輸入方式,。單端輸入方式連接比較簡單,，但抗噪性能差，采取差分輸入方式可以盡量減少信號噪聲以及電磁的干擾,。其AD芯片的單路AD輸入電路如圖2所示：


圖3：模擬信號輸入電路

3.2 AD9288與FPGA芯片的連接

AD采樣時鐘ENC,、采樣輸出數(shù)據(jù)AD_DATA及輸出數(shù)據(jù)格式選擇DFS等控制信號均接入FPGA，由FPGA靈活編程控制AD采樣,。


圖4：AD與FPGA連接結(jié)構(gòu)圖

3.3 FPGA 與DSP芯片的連接

DSP 通過EMIFA口數(shù)據(jù)線,、地址線、片選信號及其它接口控制信號與FPGA的IO連接,，實現(xiàn)FPGA內(nèi)部生成FIFO或RAM等緩存組件與DSP連接,，該部分電路主要功能是可以將FPGA內(nèi)存儲器映射到DSP地址空間，從而實現(xiàn)DSP對FPGA的直接高速數(shù)據(jù)交換,。另將DSP 外部中斷IO信號,、及定時器信號接入FPGA，以靈活的實現(xiàn)FPGA與DSP的控制通信,。


圖5： FPGA與DSP連接結(jié)構(gòu)圖

3.4 PCI硬件接口

TMS320C6416內(nèi)部集成33MHz/32位支持PCI主/從接口的PCI2.2接口控制器,，無需額外的PCI控制芯片即可方便的與具有PCI接口的主機(jī)直接互連。DSP通過內(nèi)部的EDMA控制器實現(xiàn)集成的PCI接口控制器與DSP的接口,。


圖6:PCI接口功能模塊圖

4 PCI接口軟件設(shè)計

PCI接口開發(fā)中有相當(dāng)大的工作量是關(guān)于PCI軟件的開發(fā),，PCI軟件主要包括兩方面的工作：驅(qū)動程序設(shè)計和主機(jī)端應(yīng)用程序的設(shè)計。本系統(tǒng)軟件的設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡與主機(jī)高速的DMA傳輸及對主機(jī)對DSP內(nèi)存空間的讀寫,。

4．1 驅(qū)動程序設(shè)計

驅(qū)動程序根據(jù)Windows 驅(qū)動程序模型（WDM）設(shè)計,，運(yùn)行在Win2000 平臺上。支持即插即用,，采用基于數(shù)據(jù)包的DMA 傳輸方式,，采用Numega公司的開發(fā)包Driver Works和Microsoft公司的2000DDK，并以VC++6.0作為輔助開發(fā)環(huán)境,。

當(dāng)應(yīng)用程序請求從采集卡讀數(shù)據(jù)時,，內(nèi)核I/O 管理器將此請求打包成一個IRP（I/O 請求包），驅(qū)動程序調(diào)用相關(guān)例程把應(yīng)用程序發(fā)來控制信息寫入DSP設(shè)置的控制寄存器,，并調(diào)用驅(qū)動程序的讀例程,。如果數(shù)據(jù)處理卡不忙，數(shù)據(jù)處理卡作為PCI主設(shè)備就啟動DMA傳輸,；當(dāng)本次DMA 傳輸完成時,，處理卡產(chǎn)生中斷，I/O 管理器調(diào)用驅(qū)動程序的中斷服務(wù)例程和DpcForIsr完成此IRP,，并從IRP 隊列中取出下一個IRP,，啟動下一次DMA。下一次中斷發(fā)生時同樣處理,。這樣不斷地進(jìn)行DMA 傳輸,，直到IRP 隊列空為止。

4．2 應(yīng)用程序設(shè)計

主機(jī)應(yīng)用程序是主要實現(xiàn)從高速數(shù)據(jù)采集處理板該取處理后的數(shù)據(jù),、存儲,、顯示處理及結(jié)果以及向數(shù)據(jù)采集處理板發(fā)送控制命令。在Windows 2000下,，我們使用的應(yīng)用程序開發(fā)工具是VC++6.0,。通過CreatFile（）函數(shù)得到PCI句柄，用DeviceIoControl（）函數(shù)來向設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送請求及命令,，完成數(shù)據(jù)的讀取與寫入,。用ReadFile()函數(shù)調(diào)用驅(qū)動啟動DMA傳輸實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)束語

本高速采集數(shù)據(jù)處理卡應(yīng)用了大容量FPGA及高性能數(shù)字信號處理器DSP技術(shù)和PCI總線技術(shù),。DSP是為數(shù)字信號處理專門開發(fā)的芯片,，其內(nèi)部的總線結(jié)構(gòu)和指令非常適合于數(shù)字信號處理,，而FPGA高速硬件實現(xiàn)算法的特點(diǎn)使得大容量高速FPGA成為數(shù)據(jù)處理板級設(shè)計重要的選擇,PCI接口的高速可靠的傳輸速率滿足了與主機(jī)應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆１驹O(shè)計主要是為了軟件無線電接收機(jī)預(yù)研所設(shè)計的實驗平臺,，經(jīng)實際驗證,，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，是一種比較好的高速數(shù)據(jù)采集與處理的解決方案,，有著廣泛的應(yīng)用前景,，也可以用于圖像處理、雷達(dá)信號處理等數(shù)據(jù)采集處理領(lǐng)域,。