FPGA控制CLC5958型A/D轉換器實現的高速PCI數據采集卡方案

概述：詳細介紹CLC5958的內部結構和基本用法，提出一種基于FPGA和PCI總線的高速數據采集卡設計方案，并通過仿真驗證了該方案的可行性。該采集卡的采集速度快，精度高，結構簡單，擴展方便，抗干擾能力強，適宜和于高速智能儀器和其他數據采集場合。

隨著信息技術的發展，基于微處理器的數字信號處理在測控、通訊、雷達等各個領域得到廣泛的應用。被處理的模擬信號也在向高頻、寬帶方面發展，但這需要高速、高分辨率的數字采集卡以將模擬信號數字化。美國國家半導體公司新推出的系列高速、高分辨率模/數轉換器（如CLC5958）就非常適用于需要高速、高分辨率的信號采集系統。

用于PC的采集系統以前大多有用ISA總線結構，這種結構的最大缺點是傳輸速率低，無法實現高速數據的實時傳輸。而PCI總線則以其卓越的性能受到了廣泛的應用。32位PCI總線的最大傳輸數據速率可達132MB/s，64位PCI總線的最大傳輸速率可達528MB/s。實際上，采用高性能的總線已經成為高速采集技術發展的趨勢。
利用FPGA（現場可編程門陣列）來連接高速A/D轉換器和PC的PCI接口，可以充分利用可編程器件高速、靈活、易于升級、抗干擾性能的優點，并且可以大大縮短開發時間。
1 CLC5958型A/D轉換器
本數據采集系統中的A/D轉換器采用美國國家半導體公司的CLC5958，該電路具有14位分辨率和52Mb/s的轉換速度，而且動態輸入頻帶寬，轉換噪聲低，非常適合于寬帶、高頻信號的采集。CLC5958集高保真采樣保持器和14位多通道轉換器于一體，其信號和時鐘均采用差動輸入方式，且內部集成有參考電壓，可支持CMOS和TTL雙重輸出標準。采用0.8μmBiCMOS制作工藝。CLC5958的內部結構如圖1所示。

CLC5958的基本特性如下：
●具有極寬的動態輸入范圍；
●奈奎斯特濾波器特性卓越；
●取樣保持能力強；
●采用48引腳CSP封裝；
●CMOS、TTL輸出可選；
●取樣速度可達52Ms/s，SFDR可達90dB,SNR可達70dB。
CLC5958可應用于GSM、WCDMA、DAMPS、精確天線系統等通訊領域。其工作時序如圖2所示。但在具體應用時，應注意以下問題。

圖3

（1）由于AIN和AIN模擬量差分輸入端可通過片內500Ω輸入電阻器接入，且內置3.25V標準參考電壓。為了減小非線性輸入的偏置電流，其輸入耦合網絡應盡可能接近電路。
（2）ENCODE和ENCODE為時鐘差分輸入端，其參考電源為VCC，時鐘輸入可以為PECL電平，也可以為其他波形（如直流為1.2V峰值在VCC以下的正弦波）。輸入時鐘的噪聲超低，轉換時的SNR性能越高。但由于時鐘輸入采用非自偏置輸入，所以每個輸入信號必須指定“地”電平。
（3）該電路的噪聲主要來自采樣保持器的非線性特性和轉換器，因此，通過變壓器的磁耦合來傳遞輸入信號可以有效減少低頻噪聲。輸入時鐘在電路內部被分頻產生內部控制信號，但在分頻過程中可能產生1/4倍和1/8倍的時鐘噪聲，這些噪聲一般不大于-90dBFS。
（4）CLC5958的內部電源由V cc供給，但是輸出信號電源由DVcc供給（3.3V到5V均可），使用時，每一個電源引腳都必須接入相應的電平，且最好并接0.01μF的去耦電容器。
（5）該電路在高速采樣時性能最好，如果采樣速率過低，內部采樣保持電路將會產生較大誤差。

根據以上注意事項，給出CLC5958在采樣系統中的電路，如圖3所示。
2 FPGA的內部設計
由于CLC5958的轉換速度高且控制操作簡單，因此一般單片機因速度太低而很難控制該電路。如果采用高速DSP來控制，顯然，對DSP超強的運算能力來說又是一種浪費。
現在市面上銷售的各種PCI接口控制電路，如果AMCC公司的S5933及PLX的9080系列等，雖然可以實現完整的PCI主、從設備模式的接口功能，將復雜的PCI總線接口轉化為相對簡單的用戶接口，但系統結構受接口電路的限制，不能靈活地設計目標系統，且成本較高。本文所設計的數據采集卡則不需要完整的PCI接口功能。
在高速數據采集方面，FPGA具有單片機和DSP無法比擬的優勢，FPGA的時鐘頻率高，內部時延小，全部控制邏輯均可由硬件完成；而且速度快，效率高，組成形式靈活，并集成有外圍控制、譯碼和接口電路。根據本數據采集系統的要求，FPGA分為以下幾個模塊：A/D控制模塊：產生A/D時鐘和控制信號用于控制CLC5958，讀取A/D轉換產生的數據并存儲。雙口RAM：作為緩存，一邊存儲A/D轉換產生的數據，一邊通過PCI向PC傳輸數據。雙口RAM控制模塊：產生存儲和取數的讀寫信號和地址信號，控制雙口RAM的正常工作。PCI接口控制模塊：從雙口RAM中讀取數據，經過符合PCI協議的變換后，傳送給PC。FPGA的內部結構如圖4所示。
（1）A/D轉換器控制模塊
該模塊首先從PCI總線控制模塊接收采樣速度控制字，然后根據控制字對FPGA時鐘進行分頻以得到用于CLC5958的時鐘。同時可在A/D轉換器中斷輸入線的每一個上升沿給雙口RAM一個寫入信號，并讀取A/D轉換器輸出的數據。此外，還用于給雙口RAM控制模塊一個控制信號以使其輸出的雙口RAM地址控制字加1。

（2）雙口RAM
當寫入控制信號到達時，根據當前寫入地址控制字向相應單元寫入數據輸入總線上的內容，并在讀出控制信號到達時，根據讀出地址控制字從相應單元讀出內容，送到數據輸出總線。
（3）雙RAM控制模塊
當啟動寫入地址控制信號到達時，把當前的寫入地址加1，加滿之后清零并重新開始，同時，當啟動讀出地址控制信號到達時，對當前讀出地址加1，加滿之后清零并重新開始。
（4）PCI接口控制模塊
PCI總線接口控制模塊中的信號按照功能可以分為系統信號、地址和數據信號、接口控制信號等。系統信號包括CLK和RST兩個信號，為系統提供時鐘和復位。對地址和數據信號來說，在總線傳輸操作周期中，一個PCI總線周期由一個地址段和緊隨其后的一個或多個數據段組成，其中AD[30：0]是地址和數據復用總線，它可為PCI接口電路提供地址和數據信號。復用引腳C/BE[3：0]為PCI接口電路提供總線命令和這節允許兩組信號。
接口控制信號主要由FRAME、IRDY、TRDY和DEVSEL等組成。其中FRAME信叫是總線周期構成信號，由當前總線中主要設備驅動，用以表明一個總線風吹草動期的開始和延續；IRDY表明啟動方準備好數據；TRDY是目標設備就緒信號，在寫操作中，TRDY有效說明從設備已準備好接收數據，在讀操作中，它說明AD[30：0]上已有有效數據；DEVSEL為設備選擇信號，當其有效時，說明驅動它的主設備已將其地址譯碼作為當前操作的目標設備，該信號作為輸入信號時，DEVSEL用來表示總線上已有目標設備被選中。

圖6

其他PCI總線所需但本系統不用的信號則可用高阻態來代替。圖5示出PCI接口控制模塊的內部結構。
PCI總線上的基本傳輸機制是突發分組傳輸。一個突發分組由一個地址周期和一個（或多個）數據周期組成。PCI支持存儲空間和I/O的突發傳輸，所有的數據傳輸基本上都是由FRAME、IRDY和TRDY三條信號線控制的。
當數據有效時，數據資源需要無條件設置IRDY信號（寫操作為IRDY，讀操作為TRDY）。接收方可在適當時間發出它的xRDY信號。FRAME信號有效后的第一個時鐘上升沿是地址周期的開始，此時傳送地址信息和總線命令。下一個時鐘上升沿即是一個（或多個）數據周期的開始，每當IRDY和TRDY同時有效時，所對應的時鐘上升沿，數據可以在主、從設備之間傳送。在此期間，可由主設備或從設備分別利用IRDY和TRDY的無效而插入等待周期。PCI總線的讀寫時序如圖6所示。
本設計采用Verilog語言來進行編程，在MAXpluse II仿真平臺上進行仿真，采用的電中是Altera公司的EPM7160SQC160-6。PCI接口控制部分的仿真結果如圖7所示。

圖7

3 結束語
本文提出一種采用可編程邏輯器件和A/D轉換器組成的高速數據采集卡的設計方案，該采集卡只用兩塊主體電路，因而結構簡單，可以直接插入PC，適用于智能儀器和其他需要高速數據采集的場合。如果在該采集卡前置處理部分增加通道轉換和可控放大部分，則該采集卡的功能將更加完美