2 雙路高速高精度A／D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
高速A／D轉(zhuǎn)換器模塊是采集卡工作的最前端，它的設(shè)計(jì)優(yōu)劣將決定著采集卡的性能指標(biāo)。其中信號(hào)調(diào)理部分的功能就是在保證待測(cè)信號(hào)不失真的前提下，對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大、濾波等處理。由于待采集的信號(hào)為高頻信號(hào)，需要進(jìn)行阻抗匹配和前置放大，可以選用低失真的有源放大器或射頻變壓器。有源放大器的優(yōu)點(diǎn)是輸入動(dòng)態(tài)范圍大，在一定帶寬內(nèi)增益可調(diào)，缺點(diǎn)是有源設(shè)計(jì)會(huì)引入一定噪聲；射頻變壓器的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)源設(shè)計(jì)、帶寬相對(duì)高，缺點(diǎn)是增益固定不可調(diào)，輸入信號(hào)的幅度受到限制，并且給系統(tǒng)帶來(lái)插入損耗。綜合考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，本系統(tǒng)選用TI公司的THS4509放大器作為信號(hào)調(diào)理器件，該運(yùn)放具有非常好的寬帶特性，增益設(shè)置為10 dB時(shí)，-3 dB帶寬達(dá)l900 MH-z，單電源供電以及輸出共模電壓可調(diào)的特性使得THS4509非常適合于高性能的信號(hào)采集系統(tǒng)中；考慮到目前市場(chǎng)上難以得到單片A／D轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到800 MHz／s采樣率和14 bit分辨率的設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此采用了兩片ADS5474作為本采集卡的A／D轉(zhuǎn)換器，該A／D轉(zhuǎn)換器的最高采樣率為400MHz／s，14 bit的分辨率，-3 dB帶寬達(dá)l 400 MHz，LVDS電平的信號(hào)輸出可以直接連接至FPGA處理器，方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，兩片ADS5474 工作于交叉采樣模式，達(dá)到了等效于800 MHz／s的采樣效果。
信號(hào)采集是連續(xù)的，而數(shù)據(jù)的上傳是由主機(jī)軟件通過(guò)DMA方式間斷獲取，因此需要設(shè)計(jì)大容量的存儲(chǔ)器以緩存數(shù)據(jù)，同時(shí)為了達(dá)到不間斷采集目的，設(shè)計(jì)了兩塊存儲(chǔ)區(qū)采用乒乓緩存的工作方式，即一塊存儲(chǔ)區(qū)用于緩存A／D轉(zhuǎn)換器高速數(shù)據(jù)時(shí)，另一塊存儲(chǔ)區(qū)用于將先前已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)上傳。大容量?jī)?nèi)存采用Micron公司的內(nèi)存模塊MT4HTF3264HY-53E，該內(nèi)存模塊容量256 MB，數(shù)據(jù)總線寬度64 bit，采用SODIMM封裝形式，數(shù)據(jù)訪問(wèn)帶寬最高可達(dá)4．3 GB／s，遠(yuǎn)超出本系統(tǒng)的需求。
當(dāng)采集卡工作于最高采樣率800 MHz／s、14 bit分辨率時(shí)，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)率將會(huì)達(dá)到1．6 GB／s，給后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)非常大的壓力。常用的總線如PCI，PXI等已經(jīng)滿足不了如此高的速率要求，本系統(tǒng)采用了8通道的PCIe總線來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，每通道運(yùn)行速率2．5 Gb／-s，采用8b／10b編解碼方式工作，可以得到總數(shù)據(jù)帶寬約2 GB／s，達(dá)到實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的要求。

3 基于IPCORE的PCIe控制接口設(shè)計(jì)
PCIe接口控制電路是本采集卡的關(guān)鍵模塊，通過(guò)PCIe控制核完成主機(jī)與采集卡的數(shù)據(jù)交互。PCIe擁有多種組件類型，每一類型均采用了復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)折衷方案，以滿足嚴(yán)格的設(shè)計(jì)目標(biāo)。為了能加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度，本設(shè)計(jì)采用Xilinx公司的Logicore IP for PCI Express來(lái)設(shè)計(jì)PCIe高性能互連設(shè)計(jì)接口，該IP核占用FPGA資源少、功耗低，包含有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸協(xié)議層和配置空間。如圖3所示，層與層之間有明確的分工，相比PCI總線不分層的協(xié)議描述更加抽象，傳輸協(xié)議層與數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)按批次組包，包在層與層之間傳遞時(shí)會(huì)附加對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)和幀信息。PCIe標(biāo)準(zhǔn)使用應(yīng)答重傳機(jī)制，在數(shù)據(jù)鏈路層包括相應(yīng)的應(yīng)答延遲和重傳延遲定時(shí)器，這兩個(gè)定時(shí)器收到串行解串模塊與傳輸介質(zhì)延遲的影響比較大，太小的重傳延遲往往會(huì)造成不必要的重傳，從而顯著降低性能，因此在不同的采集環(huán)境下需要進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整。設(shè)計(jì)中這兩個(gè)定時(shí)器的值可以通過(guò)軟件界面進(jìn)行配置修改，通過(guò)驅(qū)動(dòng)軟件來(lái)動(dòng)態(tài)修正兩個(gè)定時(shí)器以達(dá)到采集傳輸性能的最優(yōu)化。