基于FPGA的高速数据采集平台设计

在数字信号处理领域中，随着器件的不断更新和发展，芯片处理速度越来越快，在某些场合和领域中对数据采集速度也有更高的要求，这就使得高速数据采集系统应用越发广泛。在高速数据采集系统中，其核心器件是A/D转换器，高采样率、高精度的A/D转换器性能决定了其高速数据采集系统的性能，同时为了解决采样后续处理速度问题，也需要后续处理采用高速处理芯片。

本文设计了一种基于ALTERA公司Stratix系列FPGA器件EP1S40的高速数据采集平台，其中高速A/D转换器采用了1片国家半导体公司（National Semiconductor）的高速采样器件ADC08D1000芯片，其最高单通道采样频率达1.3 GHz。

一、高速数据采集平台结构

基于FPGA的高速数据采集平台硬件原理框图如图1所示，该高速数据采集平台可实现双通道数据采集，即1片ADC08D1000内部集成了双通道采样器。转换后的数字信号送入FPGA进行采集后数据的处理。由于采样后数据率较高，因此需要FPGA具有LVDS接口以便接收高速数据。

二、系统各部分组成设计

1.A/D转换器电路

ADC08D1000是双通道低功耗的高速8位A／D转换器，全功率带宽(FPBW)为1.7 GHz，用单电源1.9 V供电，功耗只有 1.6W。利用内置的两个转换器进行交替取样，便可将每一通道的取样速度提高至 2 GSPS。每个通道均为差分输入，采样范围可选为650 mV或870 mV(峰-峰值)。该芯片的三线串行总线控制取样率的调校幅度、芯片的其他功能以及独立控制的 I 与 Q 通道的增益与补偿微调功能。

2.时钟电路

时钟电路采用了ADF4360为系统提供1GHz的时钟。该芯片是个集成的整数N合成器和压控振荡器（VCO），中心频率由外置电感决定。采用简单的3线控制来完成所有寄存器的控制与使用。

该芯片输出频率计算公式如下：

其中， 为输入参考频率；P为分频模数；A，B，R分别为三个寄存器的输入值。ADF4360 -7芯片提供8 /9或16/17两种计数模式，一般情况下，当输出频率较高的时候选用16 /17计数器，输出频率较低的选用8/9计数器。

3.FPGA及外围电路

FPGA是现场可编程阵列(FieldProgrammable Gate Array)的简称。FPGA器件是一种由用户根据所设计的数字电路系统的要求，在现场由自己配置、定义的高密度专用数字集成电路。它具有小型化、低功耗、可编程、数字化和快速、方便、实用的特点。Stratix系列FPGA的基本结构主要包括: 可配置逻辑单元（CLBs），CLBs用于实现用户设计的逻辑功能；输入输出块（IOBs），IOBs提供封装引脚和CLBs之间的接口，CLBs利用一个通用的布线矩阵实现互连。可提供高达11万门的逻辑电路，超过300MHz的工作频率。FPGA采用类似门阵列的内部结构，基本都为SRAM类型，可以在系统带电运行时对FPGA进行在线重构造。正是因为FPGA具备编程灵活性，它的应用领域不断扩大。FPGA的配置方式如表1所示。

表1FPGA的配置方式

配置方式典型用途

快速被动并行

FPP通过一个并行同步的配置器件来配置，或者通过实时下载八位配置数据的微处理器接口来配置

被动串行

PS通过一个串行同步微处理器接口来配置，或者通过masterblaster通信电缆、USB Blaster、ByteBlaster或者是ByteBlasterMV并口下载电缆来配置。

异步被动并行

PPA通过一个异步并行微处理器接口来配置，在这种配置方式中，微处理器将目标器件看作一个存储器。

JTAG配置通过IEEE Std.1149.1 JTAG引脚来配置，可以通过下载电缆或者是嵌入式器件来实现JTAG配置。

本设计采用被动串行方式配置FPGA，EP1S40芯片采用串行配置时使用一片EPC16。

4.USB接口电路

USB接口电路主要采用了Cypress公司的USB2.0的集成微控制器CY7C68013，它内部集成了1个增强型的8051、3个8位I／O口、16位地址线、1个USB数据收发器、1个智能USB串行接口引擎、8.5 KB的RAM和4K的BFIFO等。增强性8051内核完全与标准8051兼容，而性能可达到标准8051的3倍以上。USB控制器结构如图2所示。

本文设计了一种基于FPGA的高速数据采集平台，该高速数据采集平台可实现双通道1GSPS的采样。在交叉采样模式下可以实现单通道2GSPS的采样。该高速数据采集平台由于采用了FPGA，可以通过修改FPGA内部程序来配置不同的数据处理方案，具有较强的通用性，同时也具有较高的应用价值。

（作者单位：广东省河源市技工学校）